Устройство для преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двухуровневой широтно-импульсной модуляцией
Устройство предназначено для преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двухуровневой широтно-импульсной модуляцией и может использоваться в преобразователях частоты в качестве автономного инвертора напряжения. Устройство содержит последовательно соединенные блок определения перехода через ноль, генератор пилообразного напряжения, компаратор с дополнительным входом синусоидального сигнала задания, автономный инвертор напряжения (АИН). Блок определения перехода через ноль выполнен с входом для синусоидального сигнала задания и выходами наличия перехода через ноль с положительной области в отрицательную и в обратном направлении. Генератор содержит вход задания сигнала частоты пилы пилообразного напряжения, входы для сброса пилообразного сигнала в начальное положение. Предлагаемое устройство позволяет значительно повысить качество выходного напряжения, за счет введения в устройство блока определения через ноль, выходы которого подключены к генератору пилообразного напряжения и участвуют в формировании пилообразного сигнала. Исключается возникновение постоянных составляющих, связанных с соотношением частот задания сигнала и опорной пилы и, тем самым, снижется асимметрия фазных токов в переходных и установившихся режимах. 1 н.з., 2 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области электротехники, а именно к преобразовательной технике и может использоваться в преобразователях частоты в качестве автономного инвертора напряжения.
Известно устройство управления для инвертора напряжения (US 4866592А, 12.09.1989), содержащее последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения, компаратор, автономный инвертор напряжения (АИН).
Недостатком данного устройства управления для инвертора напряжения является низкое качество выходных параметров напряжения инвертора.
Наиболее близким аналогом, взятым за прототип предполагаемого изобретения, является цифровое устройство для преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двухуровневой широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) (US 4099109А, 4.08.1978), содержащее последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения с входом задания сигнала частоты пилы, компаратор с дополнительным входом синусоидального сигнала задания, автономный инвертор напряжения (АИН).
Недостатком данного устройства является низкое качество параметров выходного напряжения инвертора, обусловленное асимметрией фазных токов в переходных и установившихся режимах из-за ассиметричной вольт-секундной площади работы верхних и нижних силовых ключей инвертора, что ухудшает качество выходных характеристик напряжения.
Задачей предполагаемого изобретения является создание устройства для преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двухуровневой широтно-импульсной модуляцией, позволяющее улучшить характеристики параметров выходного напряжения инвертора и повысить надежность работы системы преобразователь-электродвигатель.
Технический результат достигается тем, что в устройство для преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двухуровневой широтно-импульсной модуляцией, содержащее последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения с входом задания сигнала частоты пилы, компаратор с дополнительным входом синусоидального сигнала задания, автономный инвертор напряжения (АИН), дополнительно введен блок определения перехода через ноль с входом синусоидального сигнала задания и выходами наличия перехода через ноль с положительной области в отрицательную и в обратном направлении, соединенные с входами генератора пилообразного напряжения, предназначенными для сброса пилообразного сигнала в начальное положение, причем блок определения перехода через ноль содержит компаратор, имеющий вход для сигнала синусоидального задания и вход для подключения нулевого сигнала, выход соединен с формирователем длительности напряжения, содержащий выходы, соединенные с входами компараторов, вторые входы которых предназначены для подключения к положительному и отрицательному уровню напряжения соответственно, а генератор пилообразного напряжения содержит операционный усилитель с логическим элементом ИЛИ, входы которого соединены с выходами блока определения через ноль, а выход логического элемента ИЛИ соединен с базой транзисторного ключа, коллектор которого соединен с выходом операционного усилителя, а эмиттер с нулем.
На фиг.1 показана структурная схема АИН предложенного устройства.
На фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства, в которых начальным состоянием выбрано нулевое значение пилы.
На фиг.3 показана структурная схема блока определения перехода через ноль.
На фиг.4 показана структурная схема генератора пилообразного напряжения.
Где приняты обозначения: S+, S- - логические сигналы сброса пилы в начальное состояние; F - коммутационная функция управления силовыми ключами АИН; U -напряжение; t - время; fП - задание частоты пилы; U3 - синусоидальный сигнал задания; UП - пилообразный сигнал; (UАИН - выходное напряжение АИН; t - время; U - напряжение.
Сущность изобретения поясняется примерами структурных схем устройства для преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двухуровневой широтно-импульсной модуляцией.
Устройство содержит последовательно соединенные блок определения перехода через ноль 1, генератор пилообразного напряжения 2, компаратор 3, автономный инвертор напряжения (АИН) 4.
Блок определения перехода через ноль содержит компаратор 5, имеющий вход для сигнала синусоидального задания и вход для подключения нулевого сигнала, выход соединен с формирователем длительности напряжения 6, содержащий выходы, соединенные с входами компараторов 7 и 8, вторые входы которых предназначены для подключения к положительному и отрицательному уровню напряжения соответственно.
Генератор пилообразного напряжения 2 содержит операционный усилитель 9 с логическим элементом ИЛИ 10, входы которого соединены с выходами блока определения через ноль 1. Выход логического элемента ИЛИ 10 соединен с базой транзисторного ключа 11, коллектор которого соединен с выходом операционного усилителя 9, а эмиттер - с нулем.
Блок определения перехода через ноль 1 содержит вход для подключения сигнала синусоидального задания и выходы наличия перехода через ноль с положительной области в отрицательную и в обратном направлении, подключенные к генератору пилообразного напряжения 2. Генератор пилообразного напряжения 2 выполнен так, что направление изменения пилообразного напряжения после сброса, определяется направлением перехода сигнала задания через ноль. Генератор пилообразного напряжения выполнен на операционном усилителе 9 с логическим элемент ИЛИ 10, на который заведены выходные Сигналы с блока определения перехода через ноль 1. Выходом элемент ИЛИ 10 подключен к базе транзисторного ключа 11, коллектор которого соединен с выходом операционного усилителя 9, а эмиттер - с нулем. Блок определения перехода через ноль 1, выполнен на компараторе 5, с входом для сигнала синусоидального задания и входом для подключения нуля, выходом, соединенным с формирователем длительности 6, выход которого подключен к компараторам 7 и 8, вторые входы которых предназначены для подключения к положительному и отрицательному уровню напряжения соответственно.
Устройство для преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двухуровневой широтно-импульсной модуляцией работает следующим образом. При подаче синусоидального сигнала задания U3 на вход блока определения перехода через ноль 1, в котором в зависимости от направления перехода формируется активный уровень логическою сигнала S, при переходе с отрицательной плоскости в положительную или сигнала S. при обратном переходе. Логические сигналы S+, Sl поступают на генератор пилообразного напряжения 2, выходом которого является напряжение пилы U П с частотой fП сбрасываемое в начальное положение в моменты активного уровня логических сигналов S+ или S-. От направления перехода синусоидального сигнала задания через ноль зависит направление изменения пилообразного сигнала после сброса в начальное положение. При переходе синусоидального сигнала задания через ноль с положительной области в отрицательную, пилообразный сигнал начинает возрастать в отрицательную сторону, при обратном переходе - в положительную сторону или наоборот. Полученное пилообразное напряжение UП вместе с синусоидальным сигналом задания U3 поступает на входы компаратора 3, в котором происходит процесс их сравнения и формирование коммутационной функции управления силовыми ключами F, поступающей на вход АИН 4. На выходе АИН 4 формируется симметричное квазисинусоидальное напряжение требуемой частоты UАИН. что ведет к исключению появления постоянных составляющих в выходном напряжении автономного инвертора на субгармонических частотах и соответственно к снижению асимметрии фазных токов в переходных и установившихся режимах, связанных соотношением частот задания и опорной пилы ШИМ.
Предлагаемое устройство позволяет в сравнении с прототипом значительно повысить качество выходного напряжения, за счет введения в устройство блока определения через ноль, выходы которого подключены к генератору пилообразного напряжения и участвуют в формировании пилообразного сигнала. Исключается возникновение постоянных составляющих, связанных с соотношением частот задания сигнала и опорной пилы ШИМ и, тем самым, снижется асимметрия фазных токов в переходных и установившихся режимах.
Заявителю неизвестно из уровня техники отличительных признаков устройства для преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двухуровневой широтно-импульсной модуляцией с получением указанного технического результата. Оригинальное выполнение блока определения перехода через ноль, содержащего выходы наличия перехода через ноль с положительной области в отрицательную и в обратном направлении и введение в генератор пилообразного напряжения входов, предназначенных для сброса сигнала пилы в начальное положение.
1. Устройство для преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное с двухуровневой широтно-импульсной модуляцией, содержащее последовательно соединенные генератор пилообразного напряжения с входом задания сигнала частоты пилы, компаратор с дополнительным входом синусоидального сигнала задания, автономный инвертор напряжения (АИН), отличающееся тем, что в него введен блок определения перехода через ноль с входом синусоидального сигнала задания и выходами наличия перехода через ноль с положительной области в отрицательную и в обратном направлении, соединенные с входами генератора пилообразного напряжения, предназначенными для сброса пилообразного сигнала в начальное положение.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что блок определения перехода через ноль содержит компаратор, имеющий вход для сигнала синусоидального задания и вход для подключения нулевого сигнала, выход соединен с формирователем длительности напряжения, содержащий выходы, соединенные с входами компараторов, вторые входы которых предназначены для подключения к положительному и отрицательному уровню напряжения соответственно.
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что генератор пилообразного напряжения содержит операционный усилитель с логическим элементом ИЛИ, входы которого соединены с выходами блока определения через ноль, а выход логического элемента ИЛИ соединен с базой транзисторного ключа, коллектор которого соединен с выходом операционного усилителя, а эмиттер с нулем.
