Преобразователь @ -фазного переменного напряжения
Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является снижение массогабаритных показателей за счет использования предложенного алгоритма управления. - Устройство содержит три модулятора 3-5, выполненных по мостовой схеме на ключах с двухсторонней проводимостью , выходы которых через трансформаторы 18-20 подключены к входу демодулятора 21. Трансформаторы работают на промежуточной высокой частоте. Блок управление реализует принцип многозонной модуляпич в модуляторах 3-5 и подавление с помощью отрицательной обратной связи указанных пульсаций. 4 ил. Ј
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ
РЕСПУБЛИК (19} (!1) 77 А1 (5))5 Н 02 М 5/27
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
Н AST0PCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ
1 .(21) 4339090/07 (22) 08.12.87 (46) 30.03.91. Бюл, У 12 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроникии (72) Г.Я.Михальченко и И.В.Колпаков (S3) 621 . 314. 27 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР
Р 1141533, кл. Н 02 М 3/355, 1985 °
Авторское свидетельство СССР
У 843134, кл. Н 02 М 5/27, !980.
Авторское свидетельство СССР
У 1394370, кл, Н 02 M 5/27, 1985. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ m-ФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является снижение массогабаритных показателей за счет использования предложенного алгоритма управления.
Устройство содержит три модулятора 3-5, выполненных по мостовой схеме на ключах с двухсторонней проводимостью, выходы которых через трансформаторы !8-20 подключены к входу демодулятора 21. Трансформаторы работают на промежуточной высокой частоте. Блок управления реализует принцип многозонной модулявнн в модуляторах 3-5 и подавление с помощью отрицательной обратной .связи указанных пульсаций. 4 ил.
1638777
Изобретение. относится к преобразовательной технике, в частности к технике преобразования переменного напряжения, и может быть использовано в быстродействующих регуляторах напряжения в качестве электронного аналога электромашинного усилителя,реверсивных электроприводах, модуляторах напряжения, усилителях сигналов .низкой частоты, в устройствах ввода и вывода энергии в реактивные накопители, Цель изобретения — снижение массогабаритных показателей.
На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг.2—
4 — временные диаграммы era работы.
Преобразователь m-фазного переменного напряжения (фиг.1) содержит входной 1 и выходной 2 фильтры, m инверторных ячеек 3-5 на полностью управляемых ключах 6-17 с двусторонней проводимостью, в выходной диа. гонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов 18-20, а другими диагоналями инверторные ячейки через входной фильтр 1 соединены с питающей сетью.
Вторичные обмотки высокочастотных трансформаторов последовательно подключены к входу демодулятора 21 на полностью управляемых ключах 22-25 с двусторонней проводимостью, выходом через выходной фильтр 2 связанного с выходными выводами. Блок управления образуют задающий генератор 26, логический узел 27, выходы которых через 2m узлов 28 развязки соединены с управляющими входами ключей
6-17 инверторных ячеек 3-5, а выход задающего генератора 26 через узел
28 развязки связан с управляющими входами ключей 22-25 демодулятора
21, 2m фазосдвигающих узлов 29-34 с отстающими (29, 31 и 33) и опережающими (30, 32 и 34) углами, а также
m-канальный распределитель 35 импульсов, синхронизированный с питающей сетью и имеющий частоту выходных импульсов, равную частоте сети. Фазосдвигающие узлы 29-34 имеют управляющие и тактирующие входы каждой пары и тактирующие входы, причем, управляющие входы каждой пары (29, 30; . 31,32; 33,34) фазосдвигающих узлов через .соответствующие пороговые эле.менты 36 — 38 подключены к выходу сумматора, Я, а тактирующие входы
5
40 объединены и подключены к задающему генератору 26. Один из входов сумматора ",, подключен к управляющему входу преобразователя, а второи вход соединен с выходом делителя напряжения RA, Логический узел 27 выполнен в виде ш групп из двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮП1ЕЕ ИЛИ 39, 40;
41 42; 43,44, первые входы которых объединены и подключены к соответствующему для каждой из m групп выходу
m-канального распределителя 35 импульсов, причем вторые входы первых логических элементов ИСКЛЮЧАШЕЕ ИЛИ
39,41 и 43 каждой из m групп соединены с выходами соответствующих фазосдвигающих узлов 29, 31 и 33 с отстающими углами, а вторые входы вторых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ
ИЛИ 40, 42.и 44 каждой из m групп соединены с выходами соответствующих фазосдвигающих .узлов 30, 32 и 34 с опережающими углами.
Фазосдвигающими узлы 29(30),31(32) и 33(34) с регулируемыми углами задержки и опережения содержат последовательно соединенные генератор развертывающего напряжения 45(46), компаратор 47(48) и двухвходовый логичес-. кий элемент ИСКЛЮЧАЮШЕЕ ИЛИ 49(501, выход которого образует выход Фазосдвигающего узла 29(30) (аналогично для фазосдвигающих узлов 31,32;.33, 34). Входы генераторов 45(46) развертывающего напряжения всех фазосдвигающих узлов 29-34 объединены между собой и с первыми входами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
49(50) всех фазосдвигающих узлов
29-34 и образуют тактовый вход фазо .сдвигающих узлов 29-34. Выходы 45(46) генераторов развертывающих напряже ний соединены с первыми входами компараторов 47(48}, вторые входы которых объединены (аналогично для фазосдвигающих узлов 31 32; 33,34) и через пороговый элемент 36 (соответственно через пороговые элементы
37 и 33} подключены к управляющему входу преобразователя. Выходы компараторов 47(48) соединены с вторыми входами логических ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ
49(50).
Каждый канал m-канального распределителя 35 импульсов. выполнен в ви" де понижающего трансформатора напря- . жения, вторичная дбмотка которого подключена к одному из входов компа1638777
55 ратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, равным нулю (заземлен).
На фиг. 2 и 3 обозначено: 51
53 — трехфазная система входного переменного напряжения преобразователя; 54 — выходное напряжение задающего генератора 26; 55 — напряжение ошибки, подаваемое на управляющие входы фаэосдвигающих узлов 29—
34 через пороговые элементы 36-38;
56 и 57 — выходные напряжения генераторов 45 и 46 развертываницих напряжений соответственно (аналогичны напряжения для генераторов развертывающих напряжений других пар фазосдвигающих узлов 31-34); 58-60 — синхронизирующие напряжения на выходе ш-канального распределителя 35 импульсов, фазы которого совпадают с соответствующими фазами 51-53 входного напряжения; 61-66 — напряжения на выходах логического узла 27; 67-69— напряжения, действующие на обмотках трансформаторов 18 — 20; 70 — выходное напряжение демодулятора 21,соответствующее управляющему сигналу 55;
71--73 — напряжения на выходе демодулятора 21 при различной глубине регулирования; 74 — ток через демодулятор 21; 75 — 77 — токи, потребляемые преобразователем из входной цепи,соответствующие сигналу 55 управления.
На фиг.4 обозначено: 78 — напряжение ошибки, подаваемое на управляющие входы фазосдвигающих узлов 29—
1 34 через пороговые элементы 36-38 (приближенное к реальной форме); 79— развертывающее напряжение, соответствующее инвертору, работающему в нижнем диапазоне регулирования; 80 —,,: выходное напряжение задающего генератора 26; 81 — выходное напряжение демодулятора 21, соо гветствующее управляющему напряжению 78 ошибки.
Преобразователь работает следующим образом.
Входное ш-фазисе напряжение 51-53 (фнг.2) поступает на входные выводы инверторных ячеек 3-5 (фиг.l), алгоритм замыкания ключей 6-17 которых определяется управляющим напряжением
55 преобразователя.
Задающий генератор 26 формирует напряжение 54, моменты смены поляр-. ности которого являются тактирующими для генераторов 45 и 46 развертывающих напряжений, причем. выходное нап5 !
О
40 ряжение 56 генератора 46 представляет собой линейно падающее, а напряжение 57 генератора 45 — линейно нарастающее. Работа фазосдвигающих узлов 29-34 с регулируемыми углами задержки М и опережения 3 анало1-Г гична, поэтому рассмотрим работу фазосдвигающих узлов 29 и 30. Предположим, что напряжение ошибки имеет форму 55 (фиг.2), тогда на участке времени большей амплитуды развертывающих напряжений 56 и 57 уровень выходного напряжения компаратора 47 и 48 соответствует уровню логического нуля и на выходе логических элементов ИСКЛ!ПЧАЮЩЕЕ ИЛИ 49 и 50 действует напряжение, совпадающее по фазе с напряжением 54 задающего 26 генератора, которое подается на вторые входы логических элементов ИСКЛЮЧАЮIHEE ИЛИ 39 и 40, диаграмма состояний которых известна:
Вход 1 Вход 2 Выход
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 0
Углы регулирования М и /5 в таком режиме максимальны и равйы полупериоду напряжения повышенной частоты (g p = 1 = а) . На первых вхо1-! дах логических элементов ИСКЛ1ОЧАЮ!АТЕЕ
ИЛИ 39 и 40 действует напряжение 58
m-канального распределителя 35 импульсов, полученное из входного напряжения 51 пороговым элементом, например компаратором. На первых попарно объединенных входах логических элементов 41-44 действуют напряжения соответствующей фазы. Ita выходах логических элементов 39 и 40 действуют однополярные напряжения б! и 62, которые узлами 28 развязки преобраэуются в разноцолярные напряжения.Ана-.: логично на выходах других логических элементов ИСКЛ10ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 41-44 в промежуток времени формируются напряжения 63 - 66 соответственно. Положительные полуволны напряжений
61-66 соответствуют замкнутому состоянию ключей 6,9,10,13,14 и 1.7 соответственно, а уровень логического нуля этих напряжений — замкнутому состоянию ключей 7,8,11,12, 15 и,! 6 инверторных ячеек 3-5 (фиг. 1), Таким образом, до момента времени t алгоритм замыкания ключей инверторных ячеек не изменяется (в частности,для
1638777
35
+ cos(03t + 60 ) + cos(tQt бО )) ЙЯ П х пЫ
x cosgtdgt = — — U б л И п
6-Г2 — — — -U 27U о Э Р Э Р
45 где среднее значение выкодного напряжения на интервале времени;
U - максимальное значение напря3Ч жения сети;
U.q>- эффективное значение.
Коэффициент пульсаций напряжения
71 на выходе демодулятора 21
AI A1
К „— — — — — — - 0,07, (2)
Up(2,7Ugg инверторной ячейки .3 одновременно замкнуты ключи 6 и 9, затем 7 и 8 и т.д. в соответствии с диаграммами
61 и 62) и напряжение 51 преобразу5 ется в высокочастотное напряжение 67, напряжение 52 — в напряжение 68 и напряжение 53 - в напряжение 69.Поскольку вторичные обмотки трансформаторов 13-20 соединены последователь-,10
1но, то на входе демодулятора 21 действует высокочастотное напряжение, равное сумме напряжения 67 — 69.Ключи 22-25 демодулятора 21 замыкаются в соответствии с напряжением 54 так, 15 что положительная полуволна этого напряжения соответствует замкнутому состоянию ключей 22 и 25, а уровень логического нуля — замкнутому состоянию ключей 23 и 24, преобразуя сум- 20 марное высокочастотное напряжение в выпрямленное напряжение 70, под действием которого в нагрузке протекает ток 74. Огибающая амплитуда
-. выпрямленного напряжения в интервале времени t -t < (для наглядности продолженная пунктиром 71) имеет пульсацию с частотой ЗОО Гц и может быть записана как сумма гармонических колебаний по модулю.
Принимая о"/2 за начало отсчета .для напряжения 71 на интервале повторяемости,среднее значение выходного напряжения демодулятора 21 можно представить в следующем виде
М6 .U =- —" U rco t+ Г
>l6 (3) где f (t) — функция прямоугольного синуса с полупериодом а высокой частоты, Ключами инверторных ячеек 3-5 этоФ ток преобразуется в прямоугольный потребляемый ток 75-77. Так как у (t)
1 (t) - к () = нотр = К тр а и то — — f„(t)
Хтр у,. А (4) где х (t) — функция прямоугольного
A синуса с полупериодом
А, равным полупериоду входного напряжения;
Кт — коэффициент трансформации трансформаторов
18-20.
Алгоритм управления инверторными ячейками 3-5 построен так, что регулирование осуществляется поочередно каждым из инверторов 3-5 в соответствии с уровнем напряжения 55 ошибки, которое через пороговые элементы 36-38 подается на управляющие входы соответствующих фазосдвигающих узлов 29 30 31-32 или 33,34.
С момента времени t < напряжение
55 ошибки начинает уменьшаться,это соответствует изменению управляющего сигнала на входах фазосдвигающих узлов 29 и 30, в то время как управляющие сигналы для инверторных ячеек 4 и 5 остаются неизменными и алгоритм замыкания ключей 10-17 этих ячеек также остается неизменным.Как только напряжение 55 ошибки становится соизмеримым с напряжением 56 и 57, начинают изменяться фазы выходных напряжений 61 и 62. Углы регулирования М и P становятся меньше полупериода напряжения повышенной частоты и непрерывно изменяются до где А — амплитуда первой гармоники.
Постоянный ток нагрузки Ig (74, фиг.3) в интервале и -t, преобразуется демодулятором 21, и по обмоткам трансформаторов 18-20 протекает высокочастотный ток
1638777 момента времени t начиная с которого фр и (р становится равными а/2, а фазы напряжений 61 и 62 находятся в противофазе между собой.
В интервале времени Г1-t алгоритмы и замыкания ключей 6 — 9 инверторной ячейки 3 непрерывно изменяются (при каждой смене полярности любого из напряжений 61 и 62) так, что одновременно замкнуты ключи 6,9-9,7-7,88,6-6,9-9,7-7,8-8,6-6,9-9,7, Этот алгоритм переключения ключей 6-9 приводит к плавному регулированию напряжения 66. При t < ) t < одновременно замкнуты ключи 6,8 и 7,9, а это приводит к закорачиванию первичной обмотки трансформатора 19,поэтому напряжение 67 с этого момента становится равным нулю, Таким образом, на следующем интервале времени t>-t 4 на входе демодулятора 21 действует напряжение, равное сумме напряжений 68 и 69, после выпрямления которого получают напряжение 72. Среднее значение этого выпрямленного напряжения можно определить на периоде в повторяемости
« р с л П зг-п{г)г. + с гг о
+ sin(03t — 60 ) dGlt
1 5
Il
= --+-- U>. f sinQtdh3t
3 3 12
U = -- †-- ° U . (5) р пг л
Il где U — среднее значение выходного н апряж ения н а инт ерв ал е
Времени t<-t .
Коэффициент пульсаций этого напряжения
К1 = 0,453. (6)
Для известного устройства при таком же уровне выходного напряжения К„= l 25, На следующем интервале времени и -t начинает уменьшаться управляют щий сигнал для фазосдвигающих узлов
31 и 32, который формирует последовательности напряжений 63 и 64, определяющие работу ключей 10-13 инверторной ячейки 4 (фиг.l).
Изменение углов .регулирования М р и Р г от а до а/2 и алгоритм замыкания ключей 10-13 инверторной ячейки
4 аналогичны описанным для процесса регулирования, осуществляемого инверторной ячейкой 3.
На следующем промежутке времени
ty-t 6- напряжение 73 на выходе демодулятора 21 представляет собой выпрямленное напряжение 69. В этом случае среднее значение выпрямленного
1р напряжения на интервале времени -С г
«
U = — -- U ° singt сИС
CP «J м о
2 2Г2
Ц т» Ц (7)
15 Я пг «Ч а коэффициент пульсаций (8) и для известного устройства
К, = 1,62.
Процессы, протекающие в промежутке времени С -t6e аналогичны процессам на временных интервалах и t -t < и определяются напряжением
55 ошибки, в результате чего на следующем этапе при t> t< выпрямленное напряжение равно нулю.
Дальнейшее уменьшение управляюще30 го напряжения U « позволяет реализовать реверс выходного выпрямленного напряжения, алгоритм осуществления которого представляет последовательное реверсивное включение инверторных ячеек 3-5, при этом углы задержки 0(р и опережения Р изменяются от а/2 до О, причем при 5 = (О последовательности напряжении, например, 61 и 62 находятся в фазе
40 между собой и в противофазе с напряжением 54 задающего генератора 26, Алгоритм работы ключей демодулятора
2i при этом не изменяется, одновременно замыкаются ключи 22 и 25, затем
45 ключи 23 и 24 и т,д., поэтому на выходе демодулятора напряжение автоматически реверсируется °
Использование системы автоматичес"
50 кого регулирования по отклонению удобно показать в нижнем диапазоне регулирования, а именно на участке времени t4-t< Для наглядности напряжение ошибки рассматривают как участ55 :ки прямых 55 (фиг,2), в условиях приближенных к реальным, напряжение ошибки имеет форму 78 (фиг.4), при этом алгоритм замыкания ключей инверторных ячеек и демодулятора аналоi! !6 гичен описанному, а напряжение на выходе имеет форму 8!.
Таким образом, в преобразователе ш-фазного переменного напряжения снижены массогабаритные показатели за счет снижения массы и габаритов фильтров, так как величина коэффици-. ента пульсаций в зависимости от глубины регулирования выходного напряжения уменьшается в 2-3 раза. Это обеспечивается предлагаемым алгоритмом управления ключами инверторных ячеек, и, как следствие, введением дополнитальных узлов в блок управления.
Кроме того, по мере снижения выходного напряжения в процессе регулирования снижается частота пульсаций, обусловленная пульсациями сети,что в замкнутой системе регулирования сопровождается ростом петлевого коэффициента усиления на этой частоте и приводит к повышению степени подавления этих пульсаций контуром регулирования.
Предлагаемый преобразователь по сравнению с известным позволяет на
20".ЗОХ снизить массу и габариты устройства sB счет двукратного снижения массы фильтров.
Ф .о ..р м у л а и з о б р е т е н и я
Преобразователь m-фазного переменного напряжения, .содержащий входной и выходной фильтры, ш инверторных ячеек на полностью управляемых ключах с. двусторонн и провбдимостью, в выходной диагонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов, а вторичные обмотки! соединены последовательно и подключены к входу демодулятора на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, выходом через выходной фильтр связанного с выход38777,! 2 ными выводами, и блок управления, 1включакщий в себя задающий генера тор, 2m+! узлов развязки, логический узел,- два фазосдвигающих узла с от.. стающим и опережающим углами и mканальный распределитель импульсов, связанный с входными выводами преобразователя, выходы логического уз-!
ð ла через 2m узлов развязки соединены с управляющими входами ключей инверторных ячеек, а выход задающего генератора через узел развязки связан с управляющими входами ключей демодулятора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения массогабаритных показателей, к выходным выводам подключен делитель напряжения, в блок управления дополнитель20 но введены ш пороговых элементов,сумматор, 2m-2 фазосдвигающих узлов с отстающим и опережающим углами,тактирующие входы которых подключены к задающему генератору, а управляющие
25 входы соответствующих пар фазосдвигающих узлов через пороговые элементы подключены к выходу сумматора, один из входов которого подключен к управляющему входу преобразователя, а дру3р гой вход соединен с выходом делителя напряжения, причем логический узел выполнен в виде m групп из двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮИЕЕ ИЛИ, первые входы которых объединены и
35 подключены к соответствующему для каждой из ш групп выходу ш-канального распределителя импульсов, вторые входы первых логических элементов
ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ каждой из m групп
4р соединены с выходами соответствующих фазосдвигающих узлов с отстающими углами, а вторые входы вторых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ каждой из m групп соединены с выхода45 ми соответствующих фазосдвигающих узлов с опережающими углами.!
638777
1638777
Составитель Г.Мыцык
Редактор А.Огар Техред.С.Мигунова Корректор Н.Ревская
Заказ 932 Тираж 381 . . Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101