Устройство для формирования синусоидальной формы выходного напряжения

Устройство для формирования синусоидальной формы выходного напряжения может найти применение в преобразователях постоянного напряжения в переменное напряжение 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 выходной Г-образный LC-фильтр, - 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 напряжения, 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 напряжения и вторыми объединенными концами вторичных обмоток первой пары трансформаторов. Входы второго компаратора соединены с выходом второго формирователя эталонного сигнала напряжения и вторыми объединенными концами вторичных обмоток второй пары трансформаторов. Устройство позволяет обеспечить синусоидальную форму выходного напряжения в широком диапазоне регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения. 1 н.з. и 1 з.пп. ф-лы, 2 ил.

Полезная модель относиться к области электротехники, а более конкретно - к преобразователям постоянного напряжения в переменное напряжение синусоидальной формы.

Преобразователь, как правило, содержит инвертор, осуществляющий преобразование постоянного напряжения в переменное, выходной фильтр, который ослабляет нежелательные гармоники в выходном напряжении, и систему управления, обеспечивающую контроль и стабилизацию выходных параметров (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).

Синусоидальность формы выходного напряжения может быть получена с помощью инверторов, которые по характеристике электромагнитных процессов могут быть разделены: инверторы тока, резонансные инверторы или инверторы напряжения. (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.40-41).

Достоинство инверторов напряжения: жесткая внешняя характеристика, относительно малое влияние электромагнитных процессов на кривую выходного напряжения.

Формирование синусоидального выходного напряжения на выходе инвертора напряжения достигается:

а) применением выходных фильтров;

б) широтно-импульсной модуляцией по синусоидальному или трапециевидному закону;

в) формированием напряжения прямоугольно-ступенчатой формы.

Типичное устройство, осуществляющее параметрическую стабилизацию выходного напряжения (монография: С.И.Королев, Г.И.Цветков, Ю.А.Шурыгин. Проектирование устройств электропитания средств вычислительной техники. - Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1990. -206 с, схема 2.2б, с.45) содержит феррорезонансный стабилизатор напряжения (ФСН), включающий линейный дроссель и резонансную цепь, образованную линейным конденсатором и нелинейным дросселем (чаще всего трансформатором). Получение синусоидального напряжения с помощью фильтров является самым простым способом, однако они увеличивают массу и габариты преобразователей, ухудшая устойчивость и качество регулирования.

Широтно-импульсное (ШИМ) основано на многократном включений вентилей в течение полупериода, которое сдвигает спектр нежелательных гармоник в область более высоких частот. В инверторе с ШИМ: сложная система управления; большие коммутационные потери, т.к. для достижения указанных достоинств частота переключения должна быть в 10 и более раз превышать выходную частоту. (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.43).

Преобразователь с прямоугольно-ступенчатой формой наиболее часто реализуется на основе элементарных мостовых инверторов, которые работают на выходной или повышенной по отношению к выходной частоте. (С.И.Королев, Г.И.Цветков, Ю.А.Шурыгин. Проектирование устройств электропитания средств вычислительной техники. - Томск: Изд-во Том. Ун-та, 1990. - 206 с, схема 2.2д, с.45). Получение ступенчатой формы напряжения на выходе статического преобразователя осуществляется суммированием нескольких прямоугольных напряжений одинаковой частоты, различной частоты, или различной частоты или скважности. Наличие ступеней ведет к увеличению количества коммутирующих контуров в статических преобразователях со ступенчатой модуляцией выходного напряжения, к осложнению силовой части или схемы управления, что, в конечном итоге, усложняет структуру преобразователя в целом, повышает его габариты и снижает надежность работы устройства.

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 http://www.hited.ru/silcon-delta.phtml). 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 выходной Г-образный LC-фильтр - 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 входом LC-фильтра. 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 соединена с объединенными коллектором первого транзистора и катодом первого обратного диода и подключена к положительной клемме источника питания. Отрицательная обкладка второго электролитического конденсатора соединена 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 чистой синусоиды, единичный выходной коэффициент мощности. К недостаткам устройства следует отнести изменение частоты коммутации силовых транзисторов на выходе инвертора, ведущее к изменению гармонического состава и изменение коэффициента искажения синусоидальности выходного напряжения при глубоком регулировании амплитуды и частоты выходного напряжения.

Задача полезной модели - обеспечение требуемого оптимального коэффициента искажения синусоидального выходного напряжения при широком изменении амплитуды и частоты выходного напряжения.

Технический результат, позволяющий решить поставленную задачу, заключается в обеспечении время - импульсной модуляции длительности импульсов выходного напряжения инвертора путем введения сигнала обратной связи пропорционально формируемому амплитудному значению синусоидального входного напряжения 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 выходной Г-образный LC-фильтр, - 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 входом LC-фильтра. 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 соединена с объединенными коллектором первого транзистора и катодом первого обратного диода и подключена к положительной клемме источника питания. Отрицательная обкладка второго электролитического конденсатора соединена 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 напряжения. 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 напряжения. Один из формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы является формирователем эталонных сигналов синусоидальной формы напряжения , а второй - формирователем эталонных сигналов синусоидальной формы напряжения , где

U_m - амплитуда синусоидального напряжения на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

U - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного напряжения.

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

Полезная модель поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема устройства для формирования синусоидальной формы выходного напряжения. На фиг.2 показана синусоидальная форма выходного напряжения за один период. Обозначения на фиг.2 означают следующее:

U₁(t) - это выходное напряжение, соответствующее эталонному сигналу выходного напряжения ,

U₃(t) - выходное напряжение, соответствующее эталонному сигналу выходного напряжения ,

U₂(t) - оптимальный вариант синусоидальной формы выходного напряжения.

Устройство содержит (фиг.1) четырехквадрантный (полумостовой) инвертор 1 на IGBT-транзисторах 2, 3, обратные диоды 4, 5, выходной Г-образный LC-фильтр 6, состоящий из дросселя 7 и конденсатора 8, нагрузку 9, электролитические конденсаторы 10, 11. Инвертор 1 подключен к источнику питания 28. Фильтрующие свойства LC - фильтра определяются величиной индуктивности дросселя 7, а конденсатор 8 служит для придания жесткости внешней характеристики фильтра 6. Вход LC-фильтра 6 подключен к объединенной средней точке транзисторов 2,3 и диодов 4,5. Транзистор 2 объединен коллектором с катодом обратного диода 4, положительной обкладкой конденсатора 10 и положительной клеммой источника питания 28. Эмиттер транзистора 3 объединен с анодом обратного диода 5, с минусовой клеммой источника питания и минусовой обкладкой конденсатора 11. Устройство содержит трансформаторы тока 12, 13, первичные обмотки 14, 15 которых включены в цепи эмиттеров транзисторов 2 и 3. Одни концы вторичных обмоток 16, 17 трансформаторов 12, 13 соединены последовательно. Кроме того, устройство содержит трансформаторы тока 18, 19, первичные обмотки 20, 21 которых включены в цепи анодов обратных диодов 4, 5. Концы вторичных обмоток 22, 23 трансформаторов 18, 19 соединены последовательно. Вторые концы вторичных обмоток 16, 17 трансформаторов 12, 13 соединены с инверсным входом компаратора 24. Вторые концы вторичных обмоток 22, 23 трансформаторов 18, 19 соединены с инверсным входом компаратора 26. Прямой вход компаратора 24 соединен с формирователем 25 эталонных сигналов синусоидальной формы напряжения , соответствующих выходному напряжению U₁(t) (фиг.2), где

U_m - амплитуда синусоидального напряжения на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

U - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного напряжения.

Прямой вход компаратора 26 соединен с формирователем 27 эталонных сигналов синусоидальной формы напряжения , соответствующих выходному напряжению U₃(t) (фиг.2), где

U_m - амплитуда синусоидального напряжения на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

U - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного напряжения.

Выходы компараторов 24, 26 объединены и соединены с базами транзисторов 2, 3, инвертора 1 через широтно-импульсное устройство 31. Входы формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы напряжения 25, 27 связаны с выходом устройства синхронизации 30, вход которого соединен с эталонным кварцевым генератором 29.

Работа устройства для формирования синусоидальной формы выходного напряжения основана на формировании напряжения на нагрузке путем слежения за заданным значением напряжения с известной заранее заданной погрешностью. Достигается это многократным переключением ключей инвертора в течение полупериода основной частоты. При превышении этой погрешности появляется сигнал рассогласования и схема управления переключает напряжение инвертора в сторону уменьшения этого рассогласования. Напряжение 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

U_m - амплитуда синусоидального напряжения на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

U - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного напряжения.

На один вход компаратора 24 (фиг.1) подается сигнал U₁, пропорциональный эталонному сигналу выходного напряжения U₁(t), соответствующий выходному току и сигнал обратной связи U_oc с вторичных обмоток 16, 17 трансформаторов 12, 13, пропорциональный мгновенному значению активной составляющей, поступающему с датчика нарастания напряжения. На два входа компаратора 26 подаются, соответственно сигнал U ₃, пропорциональный эталонному сигналу выходного напряжения U₃(t), соответствующий выходному току , и сигнал обратной связи U_oc с вторичных обмоток 22, 23 трансформаторов 18, 19, пропорциональный реактивной составляющей напряжения нагрузки (спаду напряжения).

В нормальном режиме питание устройства осуществляется от источника питания 28. При подаче питания происходит заряд конденсаторов 10, 11 и запуск эталонного кварцевого генератора 29 и устройства синхронизации 30. Устройство синхронизации 30 формирует сигнал на запуск положительной полуволны формирователя 25 эталонного синусоидального напряжения , который запускает через компаратор 24 широтно-импульсное устройство 31, который, в свою очередь, включает транзистор 2. При включении транзистора 2 происходит разряд конденсатора 10 по цепи +конденсатора 10 - транзистор 2 - дроссель 7 фильтра 6 - сопротивление нагрузки 9 - -конденсатора 10. На компараторе 24 происходит сравнение выходного напряжения и сигнала, пропорционального мгновенному значению активной составляющей напряжения нагрузки 9, поступающего с датчика нарастания напряжения. При равенстве напряжений U(t) напряжению обратной связи, компаратор подает сигнал на выключение транзистора 2. При выключении транзистора 2 ток нагрузки начинает возвращаться в конденсатор 11 и ток протекает по цепи +индуктивность 7 фильтра 6 - сопротивление нагрузки 9 - +конденсатора 11 - диод 5 - -индуктивность 7 фильтра 6. Таким образом, происходит возврат реактивной энергии в конденсатор 11. При равенстве напряжений на прямом входе компаратора напряжению обратной связи, подаваемого с трансформатора 19 ток, пропорциональному мгновенному значению реактивной составляющей тока нагрузки, снимаемому с трансформатора 19 со вторичной обмотки 23, срабатывает компаратор 26 и подается сигнал на включение транзистора 2, транзистор 2 включается и картина повторяется. При смене полярности сигнал подается на включение транзистора 3, при включении которого разряжается конденсатор 11 и формируется отрицательная полуволна выходного напряжения и реактивная мощность возвращается в конденсатор 10. Частота коммутации определяется параметрами фильтра и погрешностью воспроизведения U выходного напряжения. Устройство промышленно применимо. Оно может быть многократно реализовано с достижение указанного технического результата: обеспечение время - импульсной модуляции длительности импульсов выходного напряжения инвертора путем введения сигнала обратной связи пропорционально формируемому амплитудному значению синусоидального входного напряжения и воздействия с помощью управляющих сигналов на силовые транзисторы инвертора. Устройство обеспечивает получение выходного синусоидальной формы выходного напряжения в широком диапазоне регулирования амплитуды и частоты выходного напряжения.

1. Устройство для формирования синусоидальной формы выходного напряжения, содержащее четырехквадрантный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного сигнала по синусоидальному закону, постоянный вход которого соединен с источником питания, а выход через выходной Г-образный LC-фильтр - с нагрузкой, включающий два последовательно соединенных IGBT-транзистора и два последовательно соединенных обратных диода, средние точки которых объединены и соединены с входом выходного Г-образного LC-фильтра, 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 выполнено из двух формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы напряжения, 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 напряжения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что один из формирователей эталонных сигналов синусоидальной формы напряжения является формирователем эталонных сигналов синусоидальной формы напряжения

,

а второй - формирователем эталонных сигналов синусоидальной формы напряжения

,

где U_m - амплитуда синусоидального напряжения на выходе инвертора;

- угловая частота;

t - время;

U - отклонения воспроизведения синусоидальной формы выходного напряжения.