Преобразователь постоянного напряжения в знакопеременное напряжение заданной формы

 

Изобретение относится к электротехнике , в частности к источникам вторичного электропитания. Цель - повышение надежности работы. Устройство содержит широтно-импульсные модуляторы 1.1-1.2М(фиг 1, 2), ключевые усилители 2.1-2.2N мощности, фильтры 3.1-3N нижних частот, источники 4.1-4.N электропитания, дифференциаль ные усилители 5.1-5.N, датчики 6.1-6.N тока . Широтно-импульсные модуляторы 1.1-1.2N формируют пилообразные напряИзобретение относится к электросварке и предназначено для использования в управляемых питающих системах электроприводов , вибростендов и т.д. большой и средней мощности. Цель изобретения - повышение надежности работы. На фиг. 1 и 2 представлены соответственно структурная и частично функциональная схема описываемого преобразователя постоянного напряжения в знакопеременное напряжение заданной формы; на фиг, 3 жения с временным сдвигом Дг Т/2, причем у модуляторов соседних (спаренных) каналов ключевого преобразования пилообразные напряжения находятся в противофазе. Ключевые усилители 2.1-2.2N мощности включены по мостовым схемам. При последовательном сложении импульсных сигналов в мостовой схеме суммарное импульсное напряжение имеет частоту переключе; ний, в два раза превышающую частоту переключений отдельных каналов. В связи с этим комбинационные составляющие импульсных напряжений, параллельно подведенных к нагрузке 9, группируются в области повышенных частот, что позволяет обеспечить широкий частотный диапазон преобразования сигналов. Возможный разбаланс выходных токов мостовых схем уменьшается путем использования отрицательной обратной связи по току, реализуемой датчиками 6 1--6.N тока и дифференциальными усилителями 5.1-5 N. Этому же способствует осуществление электропитания мостовых схем от гальванически развязанных источников 4.1 - 4.N 5 ил. - временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип многоканальной широтноимпульсной модуляции; на фиг. 4а, б показана эквивалентная схема; на фиг 5 - временные диаграммы напряжений, иллюстрирующие сложение используемых в устройстве сигналов. Устройство содержит широтно-импульсные модуляторы (ШИМ) 1.1-1.2N (фиг. 1, 2), ключевые усилители 2.1-2.2N мощности (КУМ) на транзисторах, дроссельные фильтры 3.1-3.2N нижних частот (ФНЧ), источнисо с о ю о Ј о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (Я15 Н 02 M 7/521

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ KOMVITET

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4715943/07 (22) 06.07.89 (46) 07.11,91. Бюл. ¹ 41 (71) Центральный научно-исследовательский институт "Морфизприбор" (72) B.À. Александров и В,А. Галахов (53) 621,316.722.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 731534, кл, Н 02 M 7/537, 1976, Патент США

N 3715649, кл. 363 — 42, 1975. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ В ЗНАКОПЕРЕМЕННОЕ

НАПРЯЖЕНИЕ ЗАДАННОЙ ФОРМЫ (57) Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания. Цель — повышение надежности работы. Устройство содержит широтно-импульсные модуляторы 1.1 — 1.2N (фиг. 1, 2), ключевые усилители 2.1-2.2N мощности, фильтры 3.1 — 3N нижних частот, источники

4.1 — 4.N электропитания, дифференциальные усилители 5.1 — 5.N, датчики 6.1 — 6.N тока. Широтно-импульсные модуляторы

1.1 — 1.2N формируют пилообразные напряИзобретение относится к электросварке и предназначено для использования в управляемых питающих системах электроприводов, вибростендов и т.д, большой и средней мощности.

Цель изобретения — повышение надежности работы.

На фиг. 1 и 2 представлены соответственно структурная и частично функциональная схема описываемого преобразователя постоянного напряжения в знакопеременное напряжение заданной формы; на фиг, 3

„„SU, 1690140 А1 жения с временным сдвигом Ж = Т/2, причем у модуляторов соседних (спаренных) каналов ключевого преобразования пилообразные напряжения находятся в противофазе, Ключевые усилители 2,1 — 2.2N мощности включены по мостовым схемам, При последовательном сложении импульсных сигналов в мостовой схеме суммарное импульсное напряжение имеет частоту переключе» ний, в два раза превышающую частоту переключений отдельных каналов. В связи с этим комбинационные составляющие импульсных напряжений, параллельно подведенных к нагрузке 9, группируются в области повышенных частот, что позволяет обеспечить широкий частотный диапазон преобразования сигналов, Возможный разбаланс выходных токов мостовых схем уменьшается путем использования отрицательной обратной связи по току, реализуемой датчиками 6.1-6М тока и дифференциальными усилителями 5.1 — 5.N. Этому же способствует осуществление электропитания мостовых схем от гальванически развязанных источников 4.1 — 4,N, 5 ил. — временные диаграммы сигналов, поясняющие принцип многоканальной широтноимпульсной модуляции; на фиг. 4а, б показана эквивалентная схема; на фиг. 5— временные диаграммы напряжений, иллюстрирующие сложение используемых в устройстве сигналов, Устройство содержит широтно-импульсные модуляторы (LLlMM) 1.1 — 1.2N (фиг, 1, 2), ключевые усилители 2,1-2.2N мощности (КУМ) на транзисторах, дроссельные фильтры 3.1 — 3.2N нижних частот (ФНЧ), источни1690140 ег.! = Eo (1 — sign (Uy Unz(! — ц)/2, 1 прих)0 где sign x — 1 прих <О

Для четного 2i и нечетного 2(! — 1) каналов ключевого преобразования используют

ШИМ с относительным временным сдвигом

Tp/2 опорных пилообразных напряжений

Опг и 0п(гь1), чем обеспечивается фазовый сдвиг 180 на частоте переключений формируемых ими широтно-модулированных импульсных последовательностей.

КУМ 2,2! и 2,2! — 1 четного и нечетного каналов ключевого преобразования попарно подключены к источнику 4.! электропитания, гальванически развязанному от остальных источников, чем обеспечивается попарно-последовательное сложение сигналов в мостовой схеме. Результирующее напряжение, приложенное через соответствующие ФИЧ 3,2! и 3.2! — 1 к нагрузке 9 от каждой пары КУМ, определяется в виде разности их выходных напряжений

ez (i - 1), г.! = ег,(i - 1) — ег i (2) На фиг. 3 показаны импульсные напряжения е1,г = е1 — ег и ез,4 = ез — е4, формируемые в четырехканальном устройстве для каждой мостовой схемы.

ФНЧ 3.1 — 3.2N предназначены для выделения на нагрузке 9 полезных низкочастотных составляющих суммарного импульсного напряжения, полученного в результате параллельного сложения выходных импульсных напряжений мостовой схемы. ФНЧ 3,1 — 3,2N в частном случае выполняют на дросселях, индуктивность которых определяют из требуемой частоты среза АЧХ устройства, Для суммарного импульсното напряжения приведенная величина эквивалентного дросселя ФНЧ для

N-канальной системы!

-Š— Я (3)

Наличие ФНЧ 3.1-3.2N позволяет обеспечить параллельное сложение высокочастотных составляющих импульсных напряжений каналов, подключенных к выводам 11 и 7. Для таких составляющих реактивное сопротивление последовательно вкл Юченных дросселей Ф Н Ч весьма велико.

Параллельное сложение высокочастотных составляющих импульсов напряжения ки 4,1-4.Nзлектропитания,,дифференци- а в четных каналах как альные усилители 5.1-5.N, датчики 6.1 — 6.N тока, выводы 7, 8 для подключения нагрузки

11. В каждом !-ном из 2N каналов ключевого преобразования прямой и инверсный выхо- 5 ды ШИМ 1,! подключены к соответствующим управляющим входам КУМ 2.i, a выходной вывод последнего через ФНЧ З,i соединен с канальной выходной шиной (на схеме не показана). Выходы источников 10

4.1 — 4,N злектропитания подключены к питающим шинам попарно сгруппированных

КУМ 2,1 и 2 2, 23 и 24,..., 2 2N — 1 и 2 2N, Вывод 7 для подключения нагрузки соединен с выходными шинами четных кана- 15 лов ключевого преобразования. Каждый датчик 6.2i — 1 тока включен в выходную шину 2i — 1-го (нечетного} канала ключевого преобразования и один из токовых выводов соединен с выводом 8 для подключения на- 20 грузки. Выходы дифференциальных усилителей 5.1-5.N подключены ко входам г)опарно сгруппированных LUVIM 1,1 и 1.2, 1,3 и 1.4..... 1.(2N — 1) и 1,2N, первые входы — к входу источника управляющего сигнала 25 с выходным потенциальным выводом 11, а вторые входы — к выходам датчиков 6,1 — 6,N тока с одинаковыми порядковыми номераШИМ 1.1 — 1,2N предназначены для фор- 30 мирования 2N широтно-модулированных импульсных последовательностей, Многоканальная широтно-импульсная модуляция обеспечивается при формировании в ШИМ каждого канала ключевого преобразования 35 пилообразного напряжения с заданным временнымсдвигом А=ТО/2N. Например, для четырехканальной широтно-импульсной модуляции (фиг, 3) используют четыре опорных напряжения.U 1 — Un4, что соответ- 40 ствует формированию четырех импульсных напряжений е1 — е4 с равномерным фазовым сдвигом на частоте переключений.

КУМ 2.1 — 2.2N служат для высокоэффективного усиления по мощности импульсных 45 сигналов, формируемых ШИМ 1.1 — 1.2N.

КУМ 2.1-2 N выполняют по полумостовым схемам (фиг. 2), в которых транзисторы управляются противофазно сигналами с прямых и инверсных выходов ШИМ 1.1 — 50

12N, Верхние транзисторы КУМ 2.2! — 1 нечетных каналов подключены к прямым выходам ШИМ 1.2i — 1, а верхние транзисторы четных каналов КУМ 2.2i четных каналов — к инверсным выходам ШИМ 1.2!. При этом 55 для питающего напряжения Ео и управляющего сигнала Uy выходное импульсное напряжение КУМ определяется в нечетных каналах как ег.(! — 1) = Ео (1 + sign (Uy Unz(l — 1))/2, (1) 1690140 не связано с большой величиной высокочастотных составляющих выходного тока каналов, амплитуда которых не превышает

5 ... 10 от амплитуды тока полезных низкочастотных составляющих сигнала, Датчики 6,1 — 6,N тока служат для выделения сигнала, пропорционального току, протекающему в диагоналях мостовых схем, образованных соответствующими

KYM 2.21 и 2 2I — 1 четных и нечетных каналов.

Использование гальванически развязанных источников электропитания для каждой мостовой схемы позволяет обеспечить равенство выходных токов каналов ключевого преобразования, включенных в каждую мостовую схему.

Дифференциальные усилители 5.1 — 5.N предназначены для формирования напряжений на входах ШИМ 1,1 — 1.2N, пропорциональных разностям управляющего сигнала

U> и сигналов обратной связи от датчиков

6,1-6.N тока.

Работает устройство следующим образом. Управляющий сигнал Uy через дифференциальные усилители 5.1 — 5N поступает на входы попарно сгруппированных ШИМ

1.1 — 1.2N четных и нечетных каналов ключевого преобразования, Использование гальванически развязанных источников 4.1 — 4.N электропитания для каждой мостовой схемы, образованной четным и нечетным КУМ

2 2i и 2.(2l — 1), обеспечивает, как уже отмечалось, одинаковые выходные токи в парах каналов ключевого преобразования.

Выходы мостов подключены к выходным шинам параллельно, чем обеспечивается параллельное сложение их выходных сигналов ег. — 1, ер,i, определяемых выражением (1).

ШИМ 1.2i и 1.2i — 1, входящие в состав соседних каналов ключевого преобразования, включенных по мостовой схеме, формируют импульсные сигналы, противофазные на частоте переключений (фазовый сдвиг 180 ), с длительностью импульсов, определяемой выходным сигналом соответствующего дифференциального усилителя из совокупности 5.1 — 5.N. При последовательном сложении импульсных сигналов ег.i — 1, е2.i в мостовой схеме суммарное импульсное напряжение е2. — 1, 2.i имеет частоту переключений в два раза выше частоты переключений в, отдельного канала ключевого преобразования, Действительно, как иллюстрируется на фиг. 3 для четырехканальной схемы, в результате вычитания напряжений е1 и е2 формируется энакопеременное напряжение еi, 2 = е1 — е2 с более о

55 высокой (s два раза) частотой переклю ений.

При гальванически развязанных источниках 4.1-4.N электропитания отдельных мостовых схем контурные токи между каналами ключевого преобразования, подключенными к любому из выводов 11, 7 отсутствуют, Эквивалентная схема сложения импульсных напряжений в данном устройстве для четырех каналов ключевого усиления приведена на фиг. 4, а и может быть преобразована к схеме, показанной на фиг, 4б. Импульсные .напряжения каждой мостовой схемы е1, 2, ез, 4 (фиг, 5) подводятс1 через дроссели Ф.НЧ 3.1 — 3.4 и датчики 6.1, 6,2 тэка к нагрузке 9.

Поскольку частота переключений выходного импульсного напряжения каждой мостовой схемы в два раза выше частоты ю, переключений отдельных каналов ключевого преобразования, в описываемом устройстве при заданной величине мо комбинационные составляющие импульсных напряжений, параллельно подведенных к нагрузке, группируются в области повышенных частот. Отмеченное преимущество позволяет обеспечить широкий частотныщ диапазон преобразования сигналов.

Возможный разбаланс выходных токов мостовых схем, обусловленный протеканием контурного тока I<(фиг. 4,а), в рассматриваемом техническом решении уменьшается посредством использования отрицательной обратной связи по току в каждой мостовой схеме. Глубина такой обратной связи обеспечивается порядка 20 — 30 дБ, что дает воэможность существенно уменьшить разбаланс выходных токов мостовых схем, обусловленных разницей низкочастотных составляющих их выходных напряжений.

Таким образом, практическое применение данного устройства позволяет обеспечить равенство- выходной мощности отдельных каналов ключевого преобразования в более высоком частотном диапазоне и, тем самым, значительно повысить надежность работы преобразователя напряжения.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в знакопеременное напряжение заданной формы, содержащий 2N каналов ключевого преобразования, в каждом иэ которых прямайи инверсный выходы широтно-импульсного модулятора подключены к соответствующим управляющим входам ключевого усилителя мощности, а выходной вывод последнего через фильтр нижних частот соединен с канальной выход1690140 ной шиной, источник электропитания, выход которого подключен к питающим шинам ключевых усилителей мощности первого и второго каналов ключевого преобразования, источник управляющего сигнала, выводы для 5 подключения нагрузки, первый из которых соединен с выходными шинами четных каналов ключевого преобразования, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения надежности работы, в него введены N-1 дополни- 10 тельных источников электропитания, N датчиков тока и N дифференциальных усилителей причем питающие шины ключевых усилителей мощности третьего и последующих каналов ключевого преобразования по- 15 парно подключены к выходам дополнительных источников электропитания, каждый датчик тока включен в выходную шину соответствующего нечетного канала ключевого преобразования и один из токовых выводов соединен с вторым выводом для подключения нагрузки, выход каждого дифференциального усилителя подключен к входам широтно-импульсных модуляторов соответствующей пары нечетного и четного каналов ключевого преобразования, первый вход — к выходу источника управляющего сигнала, а второй вход — к выходу датчика тока, относящегося к данной паре каналов ключевого преобразования, 1690140

9j(Составитель Л.Морозов

Редактор Б..Федотов Техред М.Моргентал Корректор А,Осауленко

Заказ 3824 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета Il0 изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москве, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101