Управляемое устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное

Авторы патента:

H02M7/5395 - путем широтно-импульсной модуляции

Полезная модель относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использована в качестве преобразователя постоянного напряжения в переменное.

Задача, положенная в основу полезной модели состоит в создании устройства для преобразования постоянного напряжения в переменное с возможностью управления режимами его работы, путем использования внешних управляющих сигналов. При этом достигается технический результат, заключающийся в снижении массогабаритных показателей за счет упрощения схемы системы управления, расширяются функциональные возможности устройства, а также повышается надежность его работы за счет повышения степени защиты устройства и подключаемой нагрузки от импульсных перенапряжений, возникающих в питающей сети постоянного напряжения и на выходе устройства при работе на активно-индуктивную нагрузку.

Устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащее однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на четырех транзисторах со встречными диодами, блок управления, состоящий из первого формирователя импульсов тока управления и блока гальванической развязки, отличающееся тем, что дополнительно содержит два блока защиты от импульсных перенапряжений, блок защиты от смены полярности, блок питания, пятый транзистор, а блок управления выполнен на основе микропроцессора и дополнительно включает второй формирователь импульсов тока управления, причем первый блок защиты от импульсных перенапряжений, подключен параллельно входным клеммам питания устройства, после которого последовательно включен блок защиты от смены полярности, его выход соединен с входом блока питания, входом однофазного мостового инвертора напряжения и клеммой «плюс» управляющего выхода устройства, второй блок защиты от импульсных перенапряжений, включен параллельно выходу однофазного мостового инвертора напряжения и соединен с двумя выходными клеммами устройства, а пятый транзистор, коллектором подключен к клемме «минус» управляющего выхода устройства, а эмиттером подключен к «минусовой» входной клемме питания устройства, транзисторы однофазного инвертора напряжения разного типа проводимости, причем верхние транзисторы выполнены р-канальными, а нижние транзисторы выполнены n-канальными, выходы первого формирователя импульсов тока управления соединены с выходами затворов верхних р-канальных транзисторов однофазного инвертора напряжения, а выходы второго формирователя импульсов тока управления соединены с выходами затворов нижних n-канальных транзисторов однофазного инвертора напряжения и выходом затвора пятого транзистора, входы формирователей импульсов тока управления подключены к управляющим выходам микропроцессора, а управляющие входы микропроцессора соединены с выходами блока гальванической развязки, первый и второй входы блока гальванической развязки соединены с входными клеммами для внешних управляющих сигналов; первый выход блока питания подключен к входам питания блока гальванической развязки и микропроцессора, а второй выход блока питания соединен с входом питания второго формирователя импульсов тока управления.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное [Патент РФ №2168840], содержащий четыре транзистора, соединенные в схему мостового коммутатора таким образом, что первый и второй транзисторы разного типа проводимости одной перекрестно расположенной пары включены по схеме с общим эмиттером, а третий и четвертый транзисторы другой перекрестно расположенной пары включены по схеме с общей базой, трансформатор с первичной обмоткой и обмотками обратной связи, включенными между базами и эмиттерами соответствующих транзисторов через токоограничивающие резисторы, и стабилитрон, содержит пятый транзистор, коллектор которого соединен с базой первого транзистора, эмиттер через стабилитрон соединен с базой второго транзистора, шестой транзистор, коллектор которого соединен с базой пятого транзистора и выходом интегрирующей RC цепи, дополнительно включенной между потенциальной и нулевой шинами, эмиттер - с нулевой шиной, а база через дополнительно введенный резистор - с соответствующей обмоткой обратной связи, при этом первичная обмотка трансформатора подключена к выходным выводам через дополнительный токоограничивающий резистор.

Недостатками этого устройства являются:

- критичность к параметрам элементов схемы, снижающее стабильность его работы и ограничивающая диапазон рабочих температур;

- наличие трансформатора, обуславливающее значительные массогабаритные показатели и низкую надежность.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели (прототипом), является транзисторный преобразователь постоянного напряжения в переменное высокой частоты с электронным устройством защиты [Патент РФ №2249295], содержащий автономный инвертор напряжения на транзисторах со встречными диодами, (однофазный мостовой инвертор) LC-фильтр переменной составляющей напряжения, включенный на входе автономного инвертора напряжения, и блок управления, включающий тактовый генератор, пересчетное устройство, формирователь импульсов тока управления и блок гальванической развязки, выходы которого связаны с выходами затворов транзисторов, снабжен короткозамыкателем, включающим тиристор и встречный диод, подключенным на входе указанного автономного инвертора, ячейкой запрета с памятью, датчиком аварийного тока, вход короткого индуктивно связан с дополнительным реактором, включенным последовательно в цепь конденсатора LC-фильтра, а выход соединен со входом ячейки запрета и управляющим переходом тиристора короткозамыкателя, при этом сигнал логической единицы на выходе ячейки запрета отключает тактовый генератор, прекращает формирование импульсов напряжения на затворах транзисторов и обеспечивает аварийное отключение преобразователя от нагрузки.

Недостатком прототипа является использование в однофазном мостовом инверторе транзисторных ключей с одинаковой проводимостью, что приводит к усложнению схемы системы управления.

Технический результат достигается за счет использования управляемого устройства для преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащего однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на четырех транзисторах со встречными диодами, блок управления. Устройство также содержит два блока защиты от импульсных перенапряжений. Первый подключен параллельно входным клеммам питания устройства, после него последовательно включен блок защиты от смены полярности. Выход блока защиты от смены полярности соединен с входом блока питания, входом однофазного мостового инвертора напряжения и клеммой «плюс» управляющего выхода устройства. Второй блок защиты от импульсных перенапряжений включен параллельно первой и второй выходным клеммам устройства, которые соединены с выходом однофазного мостового инвертора напряжения. Имеется также пятый транзистор, коллектор которого подключен к клемме «минус» управляющего выхода устройства, а эмиттер соединен с «минусовой» входной клеммой питания устройства. Транзисторы однофазного инвертора напряжения разной проводимости, причем верхние транзисторы выполнены р-канальными, а нижние транзисторы выполнены n-канальными. Блок управления, выполнен на основе микропроцессора и включает блок гальванической развязки, первый формирователь импульсов тока управления двух верхних р-канальных транзисторов инвертора и второй формирователь импульсов тока управления двух нижних n-канальных транзисторов инвертора и пятого транзистора. Выходы первого и второго формирователей импульсов тока управления соединены с выходами затворов соответствующих транзисторов. Входы первого и второго формирователей импульсов тока управления подключены к управляющим выходам микропроцессора, а управляющие входы микропроцессора соединены с выходами блока гальванической развязки, первый и второй входы которого соединены с входными клеммами для внешних управляющих сигналов устройства. Первый выход блока питания подключен к входам питания блока гальванической развязки и микропроцессора, а второй выход блока питания соединен с входом питания второго формирователя импульсов тока управления двух нижних n-канальных транзисторов и пятого транзистора.

На фиг.1 приведена функциональная схема управляемого устройства для преобразования постоянного напряжения в переменное, на фиг.2 - диаграммы напряжений на его элементах, иллюстрирующие работу схемы, где однофазный мостовой инвертор напряжения 1, выполнен на четырех транзисторах с разным типом проводимости: верхних р-канальных 2,3 и нижних n-канальных 4, 5 со встречными диодами 6, 7, 8, 9. Устройство также содержит первый блок защиты от импульсных перенапряжений 10, подключенный параллельно входным клеммам питания устройства (+U_BX, -U_BX ). После блока защиты от импульсных перенапряжений 10 последовательно включен блок защиты от смены полярности 11, выход которого соединен с входом блока питания 12, входом однофазного мостового инвертора напряжения 1 и клеммой «плюс» управляющего выхода устройства (+U_HL). Выход однофазного мостового инвертора напряжения 1 соединен с первой и второй выходными клеммами устройства (˜U_ВЫХ1,

˜U_ВЫХ2), параллельно которым подключен второй блок защиты от импульсных перенапряжений 13. Блок управления 14, выполненный на основе микропроцессора 15, включает также блок гальванической развязки 16, первый формирователь импульсов тока управления 17 двух верхних р-канальных транзисторов 2, 3 инвертора 1 и второй формирователь импульсов тока управления 18 двух нижних n-канальных транзисторов 4, 5 инвертора 1. Кроме того, имеется пятый транзистор 19, коллектор которого соединен с клеммой «минус» управляющего выхода устройства (-U_HL), эмиттер подключен к «минусовой» входной клемме питания устройства (-U_BX), а затвор соединен с выходом второго формирователя импульсов тока управления 18. Выходы затворов транзисторов 2, 3 подключены к выходам первого формирователя импульсов тока управления 17, а выходы затворов транзисторов 4, 5 соединены с выходами второго формирователя импульсов тока управления 18. Входы формирователей импульсов тока управления 17, 18 подключены к управляющим выходам микропроцессора 15, а управляющие входы микропроцессора 15 соединены с выходами блока гальванической развязки 16. Причем первый и второй входы блока гальванической развязки 16 соединены с входными клеммами а, b, с, d устройства для внешних управляющих сигналов U_У1, U_У2. Кроме того, первый выход блока питания 12 подключен к входам питания блока гальванической развязки 16 и микропроцессора 15, а второй выход блока питания 12 соединен с входом питания формирователя импульсов тока управления 18.

Рассмотрим работу управляемого устройства для преобразования постоянного напряжения в переменное в повторно-кратковременном (t₁-t₅) и непрерывном (t₅-t₁₁) режимах.

Внешняя нагрузка подключается к выходным клеммам устройства (˜U_ВЫХ1, ˜U_ВЫХ2 ), а клеммы управляющего выхода устройства (-U_HL, +U_HL) подсоединяются к выводам питания или выводам управления внешних устройств (на фиг. не показаны). Постоянное напряжение, в соответствии с указанной полярностью, подается на входные клеммы питания устройства (+U_BX, -U_BX) и, далее, через блок защиты от смены полярности 11 поступает на вход блока питания 12, вход однофазного мостового инвертора напряжения 1 и клемму «плюс» управляющего выхода устройства (+U_HL). При этом, на выходе блока питания 12 формируются питающие напряжения для блока управления 14.

Режим работы устройства определяется уровнями внешних управляющих сигналов U_У1 , U_У2, которые посредством клемм а, b, с, d, поступают на входы блока гальванической развязки 16, при этом на его выходах формируются управляющие сигналы для микропроцессора 15. В зависимости от уровней этих управляющих сигналов, в соответствии с заданной в микропроцессоре 15 программой, реализуется следующий алгоритм его работы:

- при низком уровне внешних управляющих сигналов U_У1, U_У2 , микропроцессор 15 находится в ждущем режиме и управляющие импульсы на его управляющих выходах отсутствуют;

- при высоком уровне внешнего управляющего сигнала U_У1 и низком уровне сигнала U_У2 на управляющих выходах микропроцессора 15 формируются управляющие импульсы, обеспечивающие повторно-кратковременный режим работы инвертора 1 и пятого транзистора 19;

- при высоком уровне внешних управляющих сигналов U_У1, U_У2 или высоком уровне внешнего управляющего сигнала U_У2 и низком уровне сигнала U_У1, на управляющих выходах микропроцессора 15 формируются управляющие импульсы, обеспечивающие непрерывный режим работы инвертора 1 и повторно-кратковременный режим работы пятого транзистора 19.

При низком уровне внешних управляющих сигналов U_У1, U_У2 , микропроцессор 15 находится в ждущем режиме, коммутация транзисторов инвертора 2-5 со встречными

диодами 6, 7, 8, 9 и пятого транзистора 19 не выполняется и напряжение U_ВЫХ на выходных клеммах устройства (˜U_ВЫХ1 , ˜U_ВЫХ2) отсутствует.

При подаче внешнего управляющего сигнала U_У1 с высоким уровнем в момент времени t₁, на входные клеммы а, b, связанные с первым входом блока гальванической развязки 16, устройство начинает работать в повторно-кратковременном режиме. При этом на выходе блока гальванической развязки 16 формируется сигнал, который поступает на управляющий вход микропроцессора 15. Под действием этого сигнала в интервале времени t₁-t₂ на управляющих выходах микропроцессора с заданной частотой начинают формироваться управляющие импульсы, которые после усиления их первым и вторым формирователем импульсов тока управления 17, 18, поступают на затворы транзисторов 2, 5 и 3, 4 инвертора 1 в виде напряжений U_K1 , U_K4 и U_K3, U_K2. Под действием этих напряжений происходит периодическое попеременное включение и отключение пар транзисторов 2, 5 и 3,4 инвертора 1, в результате чего на выходных клеммах устройства (˜U_ВЫХ1, ˜U_ВЫХ2 ) формируется переменное напряжение U_ВЫХ .

В интервале времени t₂-t₃ микропроцессор 15 прекращает формирование управляющих импульсов для коммутации транзисторов 2-5 инвертора 1 и формирует управляющий импульс, который после усиления его вторым формирователем импульсов тока управления 18, поступает на затвор пятого транзистора 19 в виде напряжения UK₅ и обеспечивает его включение. Таким образом, выполняется подача напряжения на выводы питания или выводы управления внешних устройств, подключаемых к клеммам управляющего выхода устройства (-U_HL , +U_HL). В интервале времени t₃-t₄процесс коммутации транзисторов 2-5 инвертора 1, в соответствии с заданной в микропроцессоре 15 программой, снова возобновляется, а на участке времени t₄-t₅, выполняется очередное включение пятого транзистора 19. Таким образом, реализуется повторно-кратковременный режим работы инвертора 1 и пятого транзистора 19.

При подаче внешнего управляющего сигнала U_У2 с высоким уровнем в момент времени t₅, на входные клеммы с, d, связанные со вторым входом блока гальванической развязки 16, устройство начинает работать в непрерывном режиме. Причем, так как внешний управляющий сигнал U_У2 имеет наивысший приоритет, то непрерывный режим работы устройства обеспечивается также и при высоком уровне внешнего управляющего сигнала U_У1 (t₅-t₆). При подаче внешнего управляющего сигнала U_У2 на входные клеммы с, d, на выходе блока гальванической развязки 16 формируется сигнал, под действием которого микропроцессор 15 начинает непрерывное формирование управляющих импульсов для коммутации транзисторов 2, 5 и 3, 4 инвертора 1 во всем временном интервале действия внешнего управляющего сигнала U_У2 (t₅-t₁₁). При этом формирование микропроцессором 15 управляющих импульсов для коммутации пятого транзистора 19 продолжает выполняться по заданной в нем программе с интервалами времени t₇-t₈ и t₉-t₁₀.

При уменьшении уровня внешнего управляющего сигнала U_У2 до нуля в момент времени t₁₁, микропроцессор 15 прекращает формирование управляющих импульсов для коммутации транзисторов 2-5 инвертора 1 и пятого транзистора 19. В результате на выходных клеммах (˜U_ВЫХ1, ˜U_ВЫХ2) и клеммах управляющего выхода устройства (-U_HL, +U_HL) обеспечивается нулевой уровень напряжения.

С целью защиты управляемого устройства для преобразования постоянного напряжения в переменное от импульсных перенапряжений, возникающих в питающей сети постоянного тока используется первый блок защиты от импульсных перенапряжений 10, а для защиты однофазного инвертора напряжения и подключаемой нагрузки от импульсных перенапряжений, возникающих при работе на активно-индуктивную нагрузку, используется второй блок защиты от импульсных перенапряжений 13. Оба блока защиты от импульсных перенапряжений полупроводникового типа. Принцип их действия основан на уменьшении внутреннего сопротивления под действием приложенного напряжения, поэтому в качестве них может быть использован варистор.

Таким образом, введение управляющих входов для управления режимами работы устройства и использование микропроцессора, позволяет существенно расширить функциональные возможности устройств преобразования постоянного напряжения в переменное. Использование в качестве верхних и нижних транзисторов инвертора, транзисторов с разным типом проводимости, позволяет значительно упростить схему системы управления и тем самым существенно понизить массогабаритные показатели. Применение блоков защиты от импульсных перенапряжений позволяет повысить степень защиты устройства и подключаемой нагрузки от импульсных перенапряжений, возникающих в питающей сети постоянного напряжения и на его выходе при работе на активно-индуктивную нагрузку, что в свою очередь, повышает надежность работы устройства.

Устройство для преобразования постоянного напряжения в переменное, содержащее однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на четырех транзисторах со встречными диодами, блок управления, состоящий из первого формирователя импульсов тока управления и блока гальванической развязки, отличающееся тем, что дополнительно содержит два блока защиты от импульсных перенапряжений, блок защиты от смены полярности, блок питания, пятый транзистор, а блок управления выполнен на основе микропроцессора и дополнительно включает второй формирователь импульсов тока управления, причем первый блок защиты от импульсных перенапряжений, подключен параллельно входным клеммам питания устройства, после которого последовательно включен блок защиты от смены полярности, его выход соединен с входом блока питания, входом однофазного мостового инвертора напряжения и клеммой «плюс» управляющего выхода устройства, второй блок защиты от импульсных перенапряжений, включен параллельно выходу однофазного мостового инвертора напряжения и соединен с двумя выходными клеммами устройства, а пятый транзистор коллектором подключен к клемме «минус» управляющего выхода устройства, а эмиттером подключен к «минусовой» входной клемме питания устройства, транзисторы однофазного инвертора напряжения разного типа проводимости, причем верхние транзисторы выполнены р-канальными, а нижние транзисторы выполнены n-канальными, выходы первого формирователя импульсов тока управления соединены с выходами затворов верхних р-канальных транзисторов однофазного инвертора напряжения, а выходы второго формирователя импульсов тока управления соединены с выходами затворов нижних n-канальных транзисторов однофазного инвертора напряжения и выходом затвора пятого транзистора, входы формирователей импульсов тока управления подключены к управляющим выходам микропроцессора, а управляющие входы микропроцессора соединены с выходами блока гальванической развязки, первый и второй входы блока гальванической развязки соединены с входными клеммами для внешних управляющих сигналов, первый выход блока питания подключен к входам питания блока гальванической развязки и микропроцессора, а второй выход блока питания соединен с входом питания второго формирователя импульсов тока управления.