Устройство для формирования синусоидальной формы выходного тока

Устройство для формирования синусоидальной формы выходного тока может найти применение в преобразователях постоянного тока в переменный ток синусоидальной формы. Устройство содержит четырехквадрантный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала по синусоидальному закону, постоянный вход которого соединен с источником питания, а выход, через индуктивность, - с нагрузкой, два последовательно соединенных электролитических конденсатора, средняя точка которых соединена с нагрузкой, две пары трансформаторов тока и систему управления. Инвертор состоит из двух последовательно соединенных IGBT-транзисторов и двух последовательно соединенных обратных диодов. Первичные обмотки одной пары трансформаторов включены в цепи эмиттеров транзисторов, первичные обмотки второй пары - в цепи анодов обратных диодов. Одни концы вторичных обмоток в каждой паре трансформаторов соединены последовательно. Система управления включает эталонный кварцевый генератор, к которому подключено устройство синхронизации, два формирователя эталонных сигналов синусоидальной формы тока, два компаратора и широтно-импульсное устройство, подключенное к выходам компараторов и соединенного с базами транзисторов. Входы одного компаратора соединены с выходом одного из формирователей эталонных сигналов и вторыми объединенными концами вторичных обмоток первой пары трансформаторов. Входы второго компаратора соединены с выходом второго формирователя эталонного сигнала и вторыми объединенными концами вторичных обмоток второй пары трансформаторов. Устройство позволяет обеспечить синусоидальную форму выходного тока в широком диапазоне регулирования амплитуды и частоты выходного тока. 1 н.з. и 1 з.пп. ф-лы, 2ил.

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в преобразователях постоянного тока в переменный ток синусоидальной формы.

Синусоидальность формы выходного тока может быть получена с помощью инверторов, которые по характеристике электромагнитных процессов могут быть разделены на инверторы тока, резонансные инверторы или инверторы напряжения. В инверторе тока, как правило, установлен дроссель в цепи постоянного тока для обеспечения близкой к синусоидальной форме выходного тока и конденсаторы в цепи переменного тока для обмена энергией между инвертором и нагрузкой. Причем конденсаторы могут быть включены последовательно, параллельно или параллельно-последовательно нагрузке. (С.И.Королев, Г.И.Цветков, Ю.А.Шурыгин. Проектирование устройств электропитания средств вычислительной техники. - Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1990. - 206 с., с.40). Для инверторов тока характерно: запирание вентилей за счет отпирания очередного (одноступенчатая коммутация) или вспомогательного (двухступенчатая коммутация); наличие на стороне переменного тока конденсаторов, которые необходимы для коммутации вентилей и обмена энергии между инвертором и нагрузкой; непрерывный и неизменный входной ток, что обеспечивается дросселем в цепи постоянного тока. Достоинством инверторов тока: близкая к синусоиде форма выходного напряжения, малые пульсации входного тока. Недостатки: мягкая внешняя характеристика; неработоспособность на холостом ходу, обусловленная затрудненным перезарядом конденсатора, возможность «опрокидывания» инвертора при перегрузках, довольно низкие массогабаритные показатели, так как преобразование осуществляется на низкой частоте выходного напряжения.

Для резонансных инверторов характерно запирание вентилей за счет спада анодного тока, имеющий колебательный характер, благодаря резонансным свойствам цепи. Наличие в инверторе специально введенных накопителей энергии конденсаторов и дросселей, образующих колебательный LC-контур с резонансом напряжения, в который входят и вентили. Это обеспечивает спад к нулю их анодного тока через полпериода собственной частоты контура после их отпирания. Также для резонансных инверторов характерно превышение собственной частоты LC-контура над рабочей частотой инвертора или в предельном случае - равенство этих частот.

Достоинство резонансных инверторов: близкое к синусоидальной форме напряжение и ток в нагрузке; плавное нарастание и спад тока через вентили, что предопределяет малые коммутационные потери мощности в связи, с чем целесообразно использование этих инверторов на повышенных частотах. Недостатки: зависимость величины и формы тока и напряжения от параметров контура коммутации, включая цепь нагрузки; увеличение напряжения на вентилях и элементах контура коммутации с возрастанием тока нагрузки; срыв инвертирования на холостом ходу (С.И.Королев, Г.И.Цветков, Ю.А.Шурыгин. Проектирование устройств электропитания средств вычислительной техники. - Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1990. - 206 с., с.41).

На практике существует множество способов управления динамическими свойствами преобразователей. Так, схема силовой части преобразователя с инвертором тока состоит из дросселя и встречно-параллельных тиристоров. (С.И.Королев, Г.И.Цветков, Ю.А.Шурыгин. Проектирование устройств электропитания средств вычислительной техники.. - Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1990. - 206 с. с.44-45). В этой семе для получения выходного напряжения, близкого к синусоидальному, и малых пульсаций потребляемого тока инвертор синхронизируется от выходного напряжения, а тиристоры - от задающего генератора. Недостатки: плохие пусковые характеристики, приводящие в ряде случаев к «опрокидыванию» инвертора, необходимость в специальной пусковой схеме.

При амплитудно-импульсной модуляции на выходе формируется ступенчатая форма, приближающаяся к синусоидальной форме выходного напряжения путем суммирования прямоугольных напряжений одинаковой частоты, различной частоты или скважности либо переключением вторичных обмоток. Для получения ступенчатого напряжения вводится транзисторный демодулятор. Эти схемы ведут к увеличению количества ступеней, что ведет к усложнению схемы силовой части и схемы управления этого устройства. Снижается, в конечном счете, надежность устройства. (С.И.Королев, Г.И.Цветков, Ю.А.Шурыгин. Проектирование устройств электропитания средств вычислительной техники. - Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1990. - 206 с. с.46-47).

Наиболее близким техническим решением к заявленной полезной модели по технической сути и достигаемому результату является схема основного инвертора с системой управления, применяющаяся в источниках бесперебойного электропитания с дельта-преобразованием фирмы АРС Silcon (схема управляющих контуров 12.2, в статье «Технология дельта-преобразования АРС Silcon», электронная версия издания помещена на сайте www.mt.-810.narod.ru/telecom.html). Она принята за прототип заявляемого устройства. Устройство по прототипу содержит четырехквадрантный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала по синусоидальному закону, постоянный вход которого соединен с источником питания, а выход, через индуктивность, - с нагрузкой, два последовательно соединенных электролитических конденсатора и систему управления. Инвертор выполнен на двух последовательно соединенных транзисторах с изолированным затвором (IGBT) и двух последовательно соединенных обратных диодах. Средние точки транзисторов и диодов объединены и соединены с индуктивностью. Коллектор одного из транзисторов объединен с катодом одного из обратных диодов, эмиттер второго транзистора объединен с анодом второго обратного диода. Средняя точка электролитических конденсаторов соединена с нагрузкой, положительная обкладка одного из них объединена с объединенными коллектором первого транзистора и катодом первого обратного диода и подключена к положительной клемме источника питания. Отрицательная обкладка второго электролитического конденсатора объединена с объединенными эмиттером второго транзистора и анодом второго обратного диода и подключена к минусовой клемме источника питания. Система управления, включает эталонный кварцевый генератор, устройство синхронизации, устройство формирования эталонного сигнала, сравнивающее устройство и широтно-импульсное устройство. Устройство синхронизации подключено к эталонному кварцевому генератору. Устройство формирования эталонного сигнала соединено с выходом устройства синхронизации. Входы сравнивающего устройства соединены с выходом устройства формирования эталонного сигнала, а выход с входом широтно-импульсного устройства. Выход широтно-импульсного устройства соединен с базами транзисторов.

Известное устройство обеспечивают на выходе регулируемое выходное напряжение, причем чистой синусоиды, единичный выходной коэффициент мощности. К недостаткам устройства следует отнести постоянство частоты коммутации силовых транзисторов на выходе инвертора, ведущее к изменению гармонического состава, и изменение коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения при грубом регулировании амплитуды и частоты выходного напряжения.

Задача полезной модели - обеспечение требуемого оптимального коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения путем формирования синусоидальной формы выходного тока в широком диапазоне изменения амплитуды и частоты выходного тока,

Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в обеспечении время - импульсной модуляции длительности импульсов выходного тока инвертора путем введения сигнала обратной связи пропорционально формируемому амплитудному значению синусоидального выходного тока и воздействия с помощью управляющих сигналов на силовые транзисторы инвертора.

Задача решена следующим образом.

Заявляемое устройство имеет общее с прототипом то, что содержит четырехквадрантный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала по синусоидальному закону, постоянный вход которого соединен с источником питания, а выход, через индуктивность, - с нагрузкой, два последовательно соединенных электролитических конденсатора и систему управления. Как и прототип, четырехквадрантный инвертор состоит из двух последовательно соединенных IGBT-транзисторов и двух последовательно соединенных обратных диодов, средние точки которых объединены и соединены с индуктивностью. Коллектор одного из транзисторов объединен с катодом одного из обратных диодов, эмиттер второго транзистора объединен с анодом второго обратного диода. Средняя точка электролитических конденсаторов соединена с нагрузкой. Положительная обкладка одного из электролитических конденсаторов объединена с объединенными коллектором первого транзистора и катодом первого обратного диода и подключена к положительной клемме источника питания. Отрицательная обкладка второго электролитического конденсатора объединена с объединенными эмиттером второго транзистора и анодом второго обратного диода и подключена к минусовой клемме источника питания. Система управления, включает эталонный кварцевый генератор, устройство синхронизации, устройство формирования эталонного сигнала, сравнивающее устройство и широтно-импульсное устройство. Устройство синхронизации подключено к эталонному кварцевому генератору. Устройство формирования эталонного сигнала соединено с выходом устройства синхронизации. Входы сравнивающего устройства соединены с выходом устройства формирования эталонного сигнала, а выход - с входом широтно-импульсного устройства, выход которого, в свою очередь, соединен с базами транзисторов. В отличие от прототипа заявляемое в качестве полезной модели устройство дополнительно содержит две пары трансформаторов тока, сравнивающее устройство выполнено из двух компараторов, устройство формирования эталонного сигнала состоит из двух формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы тока. Первичные обмотки первой пары трансформаторов включены в цепи эмиттеров транзисторов, а первичные обмотки второй пары трансформаторов тока включены в цепи анодов обратных диодов. Одни концы вторичных обмоток в каждой паре трансформаторов соединены последовательно, а вторые концы указанных обмоток объединены и подключены к инверсным входам соответствующих компараторов. Прямые входы указанных компараторов соединены с выходами соответствующих формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы. Один из формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы является формирователем эталонных сигналов синусоидальной формы тока а второй - формирователем эталонных сигналов синусоидальной формы тока где

I_m - амплитуда синусоидального тока на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

I - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного тока.

Совокупность существенных признаков, характеризующих заявляемую полезную модель, среди известных технических решений не обнаружена. Этим подтверждается соответствие заявляемого устройства критерию «новизна».

Схема устройства для формирования синусоидальной формы выходного тока представлена на фиг.1. На фиг.2 показана синусоидальная форма выходного напряжения за один период. Обозначения на фиг.2 означают следующее: U ₁(t) - это выходное напряжение, соответствующее эталонному сигналу выходного тока U₃(t) - выходное напряжение, соответствующее эталонному сигналу выходного тока U₂(t) - оптимальный вариант синусоидальной формы выходного напряжения.

Устройство содержит (фиг.1) подключенный к источнику питания 1 четырехквадрантный (полумостовой) инвертор 2 на IGBT-транзисторах 3, 4, обратные диоды 5, 6, электролитические конденсаторы 7, 8. Транзистор 3 объединен коллектором с катодом обратного диода 5, положительной обкладкой конденсатора 7 и положительной клеммой источника питания 1. Эмиттер транзистора 4 объединен с анодом обратного диода 6, с минусовой клеммой источника питания и минусовой обкладкой конденсатора 8. Устройство содержит трансформаторы тока 9, 10, первичные обмотки 11, 12 которых включены в цепи эмиттера транзисторов 3 и 4. Одни концы вторичных обмоток 13, 14 трансформаторов 9, 10 соединены последовательно. Кроме того, устройство содержит трансформаторы тока 15, 16, первичные обмотки 17, 18 которых включены в цепи анодов обратных диодов 5, 6. Концы вторичных обмоток 19, 20 трансформаторов 15, 16 соединены последовательно. Вторые концы вторичных обмоток 13, 14 трансформаторов 9, 10 соединены с инверсным входом компаратора 21. Вторые концы вторичных обмоток 19, 20 трансформаторов 15, 16 соединены с инверсным входом компаратора 22. Прямой вход компаратора 21 соединен с формирователем 23 эталонных сигналов синусоидальной формы соответствующих выходному напряжению U₁(t) (фиг.2), где

I_m - амплитуда синусоидального тока на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

I - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного тока.

Прямой вход компаратора 22 соединен с соединен с формирователем 24 эталонных сигналов синусоидальной формы соответствующих выходному напряжению U₃(t) (фиг.2), где

I_m - амплитуда синусоидального тока на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

I - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного тока.

Выходы компараторов 21, 22 объединены и соединены с базами транзисторов 3,4 инвертора 2 через широтно-импульсное устройство 27. Входы формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы тока 23, 24 связаны с выходом устройства синхронизации 25, вход которого соединен с эталонным кварцевым генератором 26.

Соединенные последовательно дроссель 28 с нагрузкой 29 соединены со средней точкой последовательно соединенных конденсаторов 7, 8 с одной стороны и объединенными средними точками последовательно соединенных транзисторов 3, 4 и последовательно включенных обратных диодов 5, 6 с другой стороны.

Устройство для формирования синусоидальной формы выходного тока работает следующим образом.

Ток на выходе инвертора колеблется между двумя заданными синусоидами: верхней - и нижней - соответствующие выходному напряжению U_m(t), проходя через ноль в моменты t=0, t=, где

I_m - амплитуда синусоидального тока на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

I - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного тока.

На один вход компаратора 21 (фиг.1) подается сигнал U₁, пропорциональный эталонному сигналу выходного напряжения U₁(t), соответствующий выходному току и сигнал обратной связи U_oc с вторичных обмоток 13, 14 трансформаторов 9, 10, пропорциональный мгновенному значению активной составляющей, поступающему с датчика нарастания тока. На два входа компаратора 22 подаются, соответственно сигнал U ₂, пропорциональный эталонному сигналу выходного напряжения U₃(t), соответствующий выходному току и сигнал обратной связи U_oc с вторичных обмоток 19, 20, трансформаторов 15, 16, пропорциональный реактивной составляющей тока нагрузки (спаду тока).

В нормальном режиме питание устройства осуществляется от источника питания 1. При подаче питания происходит заряд конденсаторов 7, 8, запуск эталонного кварцевого генератора 26 и устройства синхронизации 25. При подаче импульсов управления на базу транзистора 3 происходит включение транзистора 3 и разряд конденсатора 7 по цепи: плюс конденсатора 7, транзистор 3, индуктивность 28, сопротивление нагрузки 29, минус конденсатора 7. Ток возрастает в цепи 11 эмиттера транзистора 3 и напряжение, трансформированное с вторичной обмотки 13 трансформатора 9, подается на инверсный вход компаратора 21, на прямой вход которого подается эталонный сигнал синусоидальной формы (более подробно описано выше).

При достижении на инверсном входе сигнала величины эталонного сигнала происходит опрокидывание компаратора 21. Компаратор 21 выключается и через широтно-импульсное устройство 27 на базу транзистора 3 подается запирающий сигнал. Транзистор 3 выключается, а ток в нагрузке в силу индуктивного характера нагрузки 29 и индуктивности 28 продолжает протекать по цепи: минус конденсатора 8, обратный диод 6, индуктивность 28, индуктивность нагрузки 29, плюс конденсатора 8. Напряжение на нагрузке меняет знак, а ток уменьшается по величине. При достижении тока напряжения, трансформированного во вторичную обмотку 20 трансформатора 16, на инверсном входе компаратора 22 величины, соответствующей эталонному сигналу, срабатывает компаратор 22, и сигнал через широтно-импульсное устройство 27 подается на включение транзистора 3. При включении транзистора 3 ток через него начинает возрастать и картина процессов повторяется. При переходе тока через 0 в моменты, когда t=0, t=, устройством синхронизации 25 меняется направление управляющих сигналов: вместо транзистора 3 управляющий сигнал подается на транзистор 4, и происходит формирование отрицательной полуволны выходного тока. Так, при включении транзистора 4 происходит разряд конденсатора 8 по цепи: плюс конденсатора 8, сопротивление нагрузки 29, индуктивность 28, транзистор 4, минус конденсатора 8. При этом формируется отрицательная полуволна выходного тока и, соответственно, отрицательная полуволна напряжение на нагрузке. При выключении транзистора 4 ток в нагрузке продолжает протекать в том же направлении, уменьшаясь по величине, по цепи: плюс индуктивности 28, диод 5, конденсатор 7, нагрузка 29, минус индуктивности 28. Напряжение на нагрузке меняет свой знак, как показано на фиг.2. Следует отметить, что при индуктивном характере нагрузки 29 исчезает необходимость в наличии индуктивности 28.

Как можно понять из принципа работы, частота воспроизведенного выходного напряжения определяется частотой коммутации силовых транзисторов, которая, в свою очередь зависит от величины индуктивности в цепи нагрузки, погрешности воспроизведения формы выходного напряжения, величины управляющего сигнала. Таким образом, устройство позволяет обеспечить синусоидальную форму выходного тока в широком диапазоне регулирования амплитуды и частоты выходного тока.

1. Устройство для формирования синусоидальной формы выходного тока, содержащее четырехквадрантный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала по синусоидальному закону, постоянный вход которого соединен с источником питания, а выход, через индуктивность, - с нагрузкой, включающий два последовательно соединенных IGBT-транзистора и два последовательно соединенных обратных диода, средние точки которых объединены и соединены с индуктивностью, коллектор одного из транзисторов объединен с катодом одного из обратных диодов, эмиттер второго транзистора объединен с анодом второго обратного диода, содержащее два последовательно соединенных электролитических конденсатора, средняя точка которых соединена с нагрузкой, положительная обкладка одного из них объединена с объединенными коллектором первого транзистора и катодом первого обратного диода и подключена к положительной клемме источника питания, а отрицательная обкладка второго электролитического конденсатора объединена с объединенными эмиттером второго транзистора и анодом второго обратного диода и подключена к минусовой клемме источника питания, и содержащее систему управления, включающую эталонный кварцевый генератор, соединенное с ним устройство синхронизации, к которому подключено устройство формирования эталонного сигнала, сравнивающее устройство, входы которого соединены с выходом устройства формирования эталонного сигнала, и широтно-импульсное устройство, выход которого соединен с базами транзисторов, а вход - с выходом сравнивающего устройства, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено двумя парами трансформаторов тока, сравнивающее устройство выполнено из двух компараторов, устройство формирования эталонного сигнала - из двух формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы тока, при этом первичные обмотки первой пары трансформаторов тока включены в цепи эмиттеров транзисторов, а первичные обмотки второй пары трансформаторов тока - в цепи анодов обратных диодов, одни концы вторичных обмоток в каждой паре трансформаторов соединены последовательно, а вторые концы указанных обмоток объединены и подключены к инверсным входам соответствующих компараторов, прямые входы которых соединены с выходами соответствующих формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы тока.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы тока является формирователем эталонных сигналов синусоидальной форм тока , а второй - формирователем эталонных сигналов синусоидальной формы тока , где

I_m - амплитуда синусоидального тока на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

I - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного тока.