Способ дискретного преобразования напряжения и устройство для его осуществления

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Социалистических

Республик (ii) 3 005247 (61) Дополнительное к авт. свид-ву.Р 892610 (22) Заявлено 02. 01. 78 (21) 2580023/24-07 с присоединением заявки ¹ (23) Приоритет—

Р М К з

Н 02 М 3/10.

/ф Н 02 М 5/22

//Н 02 М 7/12

//Н 02 M 9/00 (53) УДК621.316 °.722(088.8) Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 1593.83. Бюллетень №10

Дата опубликования описания 15 ° 03.83

Ъ

1 (72) Автор изобретения

Н.И.Пономаренко

1) 1 (71 ) Заявитель (54) СПОСОБ ДИСКРЕТНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

И УСТ РОИСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЦЕСТВЛЕНИЯ

1О

0 О (Р +1) (i) И эобре тени е относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для преобразования переменного напряжения одной величины в переменное напряжение другой величины той же частоты, в частности для преобразования нестабильных низких переменных найряжений на сравнительно большие токи в регулируемое стабильное без искажения формы выходного напряжения.

По основному авт.св. Р 892610 известен способ преобразования 1 1) путем ввода в выходную цепь напряжений дополнительных уровней, которые Формируют путем выборки их из множества уровней, определяемых первым функциональным рядом, а подуровни напряжений в пределах основного и каждого дополнительного уровней напряжений вторым функциональным рядом. При этом наименьший из уровней задают по величине напряжения не большим, чем величина допустимого отклонения выходного напряжения от заданного, а другие в целое число раз больше наименьшего и вводят указанные уровни в выходную цепь встречно и согласно между собой и по отношению к основному уровню напряжения с дискретностью выходного напряжения, равной напряжению наименьшего иэ уровней при выведенном, а затем при введенном основном напряжении питания, и наоборот, из усло-. вия достижения в любой момент времени величины и Формы выходного напряжения с заданной точностью. Более конкретно, в качестве первого функционального ряда задают ряд геометрической прогрессии

U. 0 S. (а6+4)"% (4) а в качестве второго — рад арифметической прогрессии из условия, что отношения напряжений каждого иэ подуровней каждого дополнительного уровня напряжения к наименьшему из подуровней этого же уровня напряжения задают рядом

1, 2, 3 ... (3 - 1) Я . (2) ,отношение face напряжений каждого из подуровней основного уровня напряжения к наименьшему из подуровней этого же уровня рядом

1, 2, 3 ... (тя- 1), ти, (3) а напряжение наименьшего подуровня основного напряжения питания задают

1005247

Дискретность выходного напряжения при равномерном квантовании его по уровню обеспечивают комбинированием.. числа величин и полярностей подуровней основного и дополнительных уровней напряжений, одновременно вводимых в выходную цепь с помощью управляемых. ключей.

Общее число уровней выходного напряжения в пределах одной полярности задается выражением ф (< С (()+ e 97+m, (3) 10

Ы 5+4)И.4 где Фс д д— > (6)

15 причем обозначения в вышеприведенных выражениях имеют следующие значения:

0 — напряжение наименьшего из уров1 ней, равное шагу квантования;

И вЂ” номер дополнительного уровня

1 напряжения, где И l, 2, 3 ... (И- 1),ир (7)

S — номер подуровня в пределах каж1 25 дого дополнительного уровня напряжения, где 5„.= 1, 2, 3 (5- 1),Бу (8);

И вЂ” общее число дополнительных уровней напряжения;

S — общее число подуровней в преде лах каждого дополнительного уровня напряжения источника питания; (т — общее число подуровней в пределах осчовного уровня напряже-. З5 ния;

d — число,.характеризующее возможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжений согласно и 4О (или) встречно между собой в любых возможных сочетаниях и принимающее значение О, 1, 2; . 1 — число, характеризующее возможность вывода из выходной цепи одного или нескольких любых дополнительных уровней напряжений при любых возможных .сочетаниях одновременно выводимых уровней напряжений и принимаю 5( щее значение 0,1;

6 — число, характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжения при выведенном основном уровне напряжения и принимающее значение 0rl>

P — число, Характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжения встречно и согласно с каж- 60 дым .из м подуровней основного уровня напряжения и принимающее значение О, 1, 2.

Недостатком способа является то, что при преобразовании переменных 65

0 = )с - »+и 5 из которых одну половину получают в .противоФазе с другой половиной, причем

%с= где 4=0, 1, 2

1 число характеризующее в озможно сть одновре менного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжений согласно и (или) встречно между собой в любых возможных сочетаниях; — общее число подуровней в пределах каждого дополнительного уровня напряжения источника питания; напряжений ключи основной части устройства для осуцествления этого Способа переключают на повышенной частоте, в связи с чем КПД преобразования напряжения уменьшается с увеличением частоты переключения ключей и с уменьшением величины преобразуемых напряжений. Если частота первичного источника питания достаточно высока, то потери будут очень велики и су-. ществует такая критическая частота напряжения первичного источника, когда преобразование энергии переменного тока известным способом нерационально, так как частота первичного источника и звена повышенной, частоты становятся достаточно близкими и.не могут быть выбраны пройэвольно как, например, при преобразовании постоянного напряжения в постоянное. Кроме того, ключи для осуществления способа должны быть снабжены устройствами искусственной коммутации для предотврацения появления сквозных токов во.вспомогательных параллельных преобразователях и т.п. Это усложня ет устройство и снижает его надежность.

Целью и э обретения является повышение КПД и надежности в процессе преобразования энергии, а также упроще-. ние и расширение области рабочих час.тот при преобразовании переменных т напряжений.

Поставленная цель достигается тем, что выбор дополнительных уров" ней производят с частотой напряжения питающей .сети, при этом ключи каждой преобразовательной ячейки переключают в режиме вольтовычитания встречно с напряжением первичного источника, а в .режиме вольтодобавки — согласно с ним при естественной коммутации тока ключей, а обцее число уровней выходного напряжения ф выбирают в соответствии с выражением

1005247

И вЂ” общее число дополнительных уровней напряжения;

8 — число (равное 0 или

1), характеризующее возможность ввода в 5, выходную цепь дополнительных уровней напряжения при выведенном основном уровне напряжения;

1п - общее число подуровней в йрвделах ос--:новного уровни напряжения число, характеризуюP = О, 1, 2 - щее йозможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней: напряжения встречно. или согласно или встречно и согласно с каждым иэ и поду-: ровней основного уровня напряжения

Наиболее близким к предлагаемом) ,по технической сущности устройством для реализации способа является .регулятор напряжения переменного тока (Я (). В этом регуляторе, содержащем суммирующую цепь из последовательно соединенных четырехплечевых мостов, в3О диагонали которого включены вторичные обмотки трансформатора, возможно стуйенчатое регулирование выходного напряжения без искажения формы выходного напряжения. 35

Однако этому регулятору присущи и некоторые недостатки: повышенные потери в полупроводниковых элементах суммирующей цепи, повышенные масса и габариты основной части регулято- 4р ра. При этом с увеличением числа последовательно включенных мостов увеличиваются потери, что ограничивает повышение точности и плавности регулирования напряжения, сужается 45 диапазон регулирования, а йри низких напряжениях регулирование вообще невозможно. Так, при наличии четырех мостов и падения напряжения на его плечах равном 1;5 В регулирОвание напряжения возмсзкно только при напряжениях больших 12 В; Известный преобразователь не позволяет в полной мере реализовать возможности предлагаемого способа преобразования энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве, реализующем предлагаемый способ,- содержащем инверторные ячейки на управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, к 60 выходным выводам каждой из которых подключены зашунтированные полностью управляемыми ключами первичные обмотки трансформаторов, вторичные обмотки этих трансформаторов соединены после-65 довательно образуя суммирующую цепь которая одним своим концом образует один выходной вывод устройства, а другим концом подключена через один последовательный управляемый клюЧ с двухсторонней проводимостью к первому входному выводу устройства и через второй шунтирующий управляемый ключ — к второму его входному выводу, объединенному с другим выходным выводом устройства, к которому подключены также одни силовые входные выводы всех инверторных ячеек, причем одни силовые концы одних ключей этих ячеек объединены и подключены к первому входному выводу устройства, силовые концы других ключей инверторных ячеек также объединены между собой и подключены к точке соединения последовательного и шунтирукщего управляемых ключей с двухсторонней проводимостью.

На фиг.l и 2 представлены упрощен ные варианты известного преобразователя, реализующего предложенный способ; на фиг.3 и 4 — варианты предложенного устройствами на фиг. 5 и 6- таблицы кодов и диаграммы выходных напряжений, пояснякщие работу устройства.

На фиг.l изображено устройство, содержащее силовые трансформаторы 1-3, имеющие обмотки 4-6, соединенные в суммирующую цеп °, и первичные

Ьбмотки 7-9, эашунтированные ключами

10-12. Инверторные ячейки 13-15 мостового типа присоединены параллельно источнику питания и выполнены на ключах 16-19. К входным выводам устройства присоединены ключи 20 и 21 однйм зажимом, а вторые зажимы этих ключей подсоединены к зажиму обмотки

4 суммирующей цепи. Ключи 16-19 в совокупности с выходным трансформатором образуют инверторные ячейки устройства.

В устройстве на фиг.2 ключ 16 каждой преобразовательной ячейки присоединен. к ключу 20 со стороны первичного источиика, а ключ 17 присоединен к ключу 20 со стороны обмоток 4 — 6 суммирующей цепи. Инверторные ячейки на фиг. 3 и 4 выполнены по схеме с нулевым выводом обмотки. При этом на фиг.4 показано раздельное присоединение ключей 16 и 17. Все ключи основной части имеют двухстороннюю проводимость и переключаются с частотой источника питания при полном угле управления cd 180 эл. град. Выходные напряжения преобразователя (фиг.l) получают комбинированием включений и выключений напряжений. обмоток 4-6 суммирующей цепи и первичного источ" ника питания при непрерывном перно» дическом переключении с частотой первичного источника питания ключа 20 (2l) . Вольтодобавочное напряжение на

1005247

8 обмотках 4-6 или на некоторых из них получают периодическим одновременным переключением ключей 16 и 19 (фиг. 1) согласно с напряжением источника питания. Вольтовычитающее напряжение на обмотках 4-6 или на некоторых из них получают периодическим одновременным.переключением ключей 17 и 18 встречно с напряжением источника питания. Напряжение на обмотках 4-6 или некоторых из них (например, на обМот- 10 ке 4), равное или близкое к нулю, получают при выключенных ключах 1619 и периодическом переключении ключа 10 (11 или 12) с частотой питающей сети; при отсутствии ключа 10 15 ключи 16 и 17 выключены, а ключи

18 и 19 переключаются. Выходное напряжение получается как сумма напряжений источника питания и суммарного напряжения на обмотках 4-6 суммирую- и1 щей цепи. Напряжение источника питания может быть исключено из суммирующей цепи, при этом ключ 20 выключен, а ключ 21 переключается с частотой питающей сети. С помощью других устройств (фиг.2-4) способ реализуется

25 аналогично.При наличии дополнительных отпаек первичного источника питания вводят дополнительные ключи, с помощью которых соединяют каждую отпайку с обмоткой параллельного преобразователя. Возможны устройства, выполненные по многофазной схеме, на вспомогательных преобразователях, включенных последовательно с нагруэ . кой и т.п.

35 .Преобразователи переменного нап-. ряжения могут быть выполнены при любых значениях параметров N, h, 5 .

На фиг.1-4 для простоты показаны лишь преобразователи при М=5=1 и 40

И," 3..

На фиг.5а — r даны примеры составления таблиц кодов для реализации предложенного способа преобразования напряжения. Эти коды реализуются с 45 помощью ключей 10-12 и 16-21 (фиг.1-4) и диаграммы (фиг.5д-ж) .

Ввод напряжения питания (О) в цепь нагрузки осуществляется включением ключа 20 (ключ 21 выведен) ° Это соответствует коду 1 (фиг.5д). Вывод напряжения питания из цепи нагрузки осуществляется отключением ключа 20 и включением ключа 21, что соответствует коду 0 (фиг,5 д). Коды, характеризующие ввод. в цепь нагрузки и вывод из нее напряжения питания для преобразователей на фиг.1-4, включены во второй слева столбец таблицы фиг.5 а.

Ввод и вывод напряжения обмоток

4 - 6 суммирующей цепи характеризуются следующими кодами: 0 — напряжение обмоток выведено; 1- напряжение обмоток введено согласно (в фазе) с напряжением питания, (-1) — напряже- 65 ние обмоток введено встречно (в протовофазе) с напряжением питания. В следующих столбцах таблиц на фиг.5 аг внесены коды ввода и вывода напряжений суммирующей цепи:

U4 — напряжение на обмотке 4; () - напряжение на обмотке 5; (j — напряжение на обмотке 6.

Реализация кодов осуществляется с помощью ключей 10-12 и 16-19 в соответствии с диаграммами на фиг.5 е, Для наглядности рассмотрим реализацию кода 0 различными способами.

Так код 0 может осуществляться вклю.чением ключа 10 .(вывод U4) или ключа

11 вывод И„,или 12(вывод V при: выключеннйх ключах 16-19 (фиг.1-4) .

Код 0 может быть также реализован одновременным включением ключей 1Ь-—

1? в первый полупериод и ключей 1819 во второй полупериод (фиг .1) .

Код 0 можно реализовать включением ключей 18-19 (фиг.2) . При реализации кода 0 первым способом достигается возможность уменьшения потерь в ключах 10-12, так как, во первых, при этом в цепи включается только один ключ, во вторых, этот ключ может быть присоединен к любой имеющейся обмотке по автотрансформаторной схеме с большим числом витков обмоток или к дополнительной обмотке с большим числом витков с целью уменьшения тока через этот ключ. При преобразовании низких напряжений возможно уменьшение тока, а следовательно, и потерь в десятки раз. На фиг.6 в качестве примеров показаны диаграммы напряжений питающей сети«Н и напряжения ()4, () U6 на обмотках 4-6, а также напряжения на нагрузке Ои, получаемого как алгебраическая сумма напряже04 Ц г Оь ° Диаграммы нап,ряжений на фиг.6 à-r совмещены с диаграммами работы ключей. Диаграммы на фиг.ба соответствуют коду 35 (фиг. 5 а) и реализуются преобразова телями, показанными на фиг.1-4., Диаграммы на фиг.6 г реализуют код 22 (фиг.5 а) в преобразователях, показанных на фиг. 1-4.

Аналогичным образом могут быть получены все другие диаграммы напряжений, получаемых комбинированием ввода и вывода напряжений обмоток .4, 5 и 6 и напряжения питающей цепи (()) в цепь нагрузки. Схему устройства и алгоритм управления выбирают в зависимости от конкретных задач, поставленных перед проектировщиком.

Так алгоритм, реализуемый кодами (фиг.5 a) в преобразователях на фиг.l4, используют при необходимости регулирования выходного напряжения от 0 до напряжения выше входного, если при этом не требуется гальваническая развязка источника с нагрузкой, а к массогабаритным показателям

1005247

10 предъявляются повышенные требования.

Если диапазон регулирования выходного напряжения небольуой, а требования к

КПД высокие,то более выгодно использование кодов таблицы 5 б и схемы, в которой отсутствуют ключи 20 и 21 в цепи нагрузки. Если же к КПД предъявляются высокие требования и необходим широкий диапазон регулирования выходного напряжения, то целесообразно применение кодов (фиг.5 в), а если к тому же требуется гальвани- ческая развязка цепей питания и нагрузки, измерение фазы выходного напряжения, то используют коды фнг.5 г. В столбце 6 на фиг.. 5 а и 15 в столбцах 5 на фиг.5 б-r вписаны в качеств е примера з начени я выходных напряжений в вольтах прим -027 В;

04= 9В, 0 =4 В, 04=1В для фиг;5а, б 0=13 Bl 04 = 9 В; 0 3 ВУ Up=1 В20 для фиг. 5 в, .О =9 В; () .3 В; ()Ь.--1 для фиг .5 r .

Диаграммы напряжений на фиг.б показаны при полном угле управления..

В этом случае реализуется передача желаемого уровня без искажения. На тиристоры (с двухсторонней проводи мостью или на каждый из двух встречно включенных тиристоров односторонней проводимости) в соответствии с реализуемым кодом управляющие импульсы в начало каждого полупериода с частотой питающей сети.. Возможно и фазовое управление тиристорами для регулирования выходного напряжения, но при этом искажается форма выходно- . го напряжения. По предлагаемому способу при высоких требованиях к точности регулирования и форме выходного напряжения выгодно увеличение числа ячеек. С увеличением числа ячеек 40 число уровней резко возрастет.

При увеличении числа ячеек схема усложняется, но зато воэможно неискаженное преобразование напряжения, высокая точность регулирования (ста- 45 билизации) напряжения. Иасса же регулятора при этом практически не увеличивается, КПД не ухудшается.

Предлагаемый способ позволяет производить регулирование выходного 50 напряжения не только с помощью бес-: контактных, но и с помощью контактных ключей, которые имеют малые потери.

Известно, что динамические потери при управлении (при включении и выключении, т. е. при коммутации) тиристоров прямо пропорциональны частоте коммутации. В известных преобразова.телях эти потери при повышенной .час- бо ,тоте соизмеримы и даже выше остальных составляющих полных потерь, следовательно, КПД тиристорного блока основной части предлагаемого преобразователя может быть увеличен более, чем в g5 два раза. Учитывая,. что КПД силового трансформатора при любых значениях преобразуемых напряжений может достигать величины 0,95 + 0,99, то при относительно низких преобразуемых напряжениях КПД преобразователя зависит практически только от потерь в ключах.

Таким образом, можно считать, что при низких преобразуемых напряжениях и достаточной высокой частоте синусоидального напряжения первичного источника КПД преобразователя по предлагаемому способу может быть увеличен вдвое только за счет коммутационных потерь. Этот вывод справедлив и.для ключей на транзисторах.

Кроме коммутационных потерь возможно уменьшение также составляющей мощности потерь, обусловленной паде- м нием напряжения от прямого тока. Эта составляющая потерь уменьшается в схемах на фиг.2 и 4 (в которых ключ

17 присоединен к ключу. 20 со стороны суммирующей цепи) в режиме вольтовычитания, а в. преобразователях без

-ключей 20 и 21 — во всех режимах.

Так, при понижении выходного напряжения вдвое потери в последних преобразователях снижаются в 2 раза по сравнению с потерями в преобразователе на фиг.4 и в 3 раза по сравнению с потерями в преобразователе на фиг.3, а потери в преобразователе на фиг.4 по отношению к преобразователю на фиг.3 — в 1 5 раза. Потери уменьыаются также за счет исключения ключей четырехплечих мостов иэ суммирующей цепи.

Повышение надежности и упрощение обусловлены в основном тремя факторами. В предлагаемом преобразователе отсутствуют устройства искусственной коммутации. Исключается воэможность появления сквозных токов во вспомогательных параллельных преобразователях, а также возможность режима короткого замыкания, возникающего в .известном преобразователе при срыве коммутации.

При частоте напряжения источника питания, близкой к предельно допустимой частоте коммутации тиристоров, преобразованне по известному .способу невозможно, но возможно по предлагаемому способу, т.е. при естественной коммутации тиристоров. Отсюда следует, что предлагаемый способ позволяет расширить рабочую область частот. Это выгодно, например, при регулировании синусоидального напряжения с частотой, регулируемой в широком диапазоне.

Таким образом, и споль зова ние предлагаемого способа преобразования напряжения выгодно отличает его от известных, так как увеличивается

КПД преобразования, уменьыается мас1005247

10

Формула изобретения

1. Способ дискретного преобраэова- 5 ния напряжения по .авт.св. 9 892610, отличающийся тем,что, с целью повышения КПЦ и надежности, а, также. упрощения реализующей его;. аппаратуры и расширения области применения, выбор дополнительных уров20 ней производят с частотой напряжения питающей сети, при этом ключи каждой преобразовательной ячейки переключают в режиме вольтовычитания встречно с напряжением первичного источника, а в режиме вольтодобавки — согласно" с ним при естественной коммутации тока ключей, а общее число уровней выходного напряжения $ выбирают в соответствии с выражением

30 = СЯ (С+ ер) w vn3, из которых одну половинуф получают в противофазе с другой половиной, причем 35 (d 5+4)и 4 б р

1 где d О, 1., 2— число, характеризую 40 щее возможность одновременного ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжений согласно и (или) встречно между собой в.любых возможных сочетаниях; общее число подуровней в пределах каждого дополнительного уровня напряжения источника питания; общее число дополнительных уровней 55 напряжения; са и габариты, повышается надежность, упрощается основная часть преобразователя и расширяется рабочий диапазон частот. Предлагаемый способ особенно эффективен для регулирования Отно» сительно ниэких напряжений переменного тока, а также при широком диапазоне рабочей частоты первичного источника, верхний предел которого близок к . предельно допустимой частоте работы ключей. — число (равное 0 или

1), характеризующее . воэможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней

5 напряжения при выве денном основном -, уровне напряжения; . W — общее число подуров. ней в пределах ос-. новного уровня напря\ жения;

pP., 1, 7 — число, характеризующее возможность ввода в выходную цепь дополнительных уровней напряжения встречно или согласно или встречно и согласно с каждым из w поду». ровней основного уровня напряжения.

2 . Устройство для осуществления способа дискретного преобразования напряжения, содержащее инверторные ячейки на управляемых ключах с двухсторонней проводимостью,к выходным выводам каждой из которых йодключены зашунтированные полностью управляемыми ключами первичные обмотки трансформаторов, вторичные обмотки этих трансформаторов соединены последовательно, образуя суммирующую цепь, которая одним своим концом образует один выходной вывод устройства, а другим концом подключена через последовательный управляемый ключ с двухсторонней проводимостью к первому входному выводу устройства и через второй шунтирующий управляемьЩ ключ — к второму его входному выводу, объединенному с другим выходным выводом устройства, к которому подключены также одни силовые входные выводы всех инверторных ячеек, причем одни силовые концы одних ключей этих ячеек объединены и подключены K первому входному выводу устройства, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что сйловые концы других ключей инверторных ячеек также объединены между собой и подключены к точке соединения последовательного и шунтирующего управляемых ключей с двухсторонней проводимостью.

Источники информации принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

9 892610, кл. Н 02 И 5/12, 19.12.78, 1005247

1005247

1005247

Составитель .Мьщык

Редактор М. Петрова Техред М. Костик Корректор A.Äç бутко

Заказ 1921/74 Тираж 685 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Рауыская наб., д.4/5

Филиал ППП Патент, r.Ужгород, ул.Проектная,4