Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное и устройство для его осуществления

 

1. Способ Преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное путем инвертирования постоянного напряжения в переменные прямоугольные напряжения, которые модулируют по фазе относительно одного прямос угольного напряжения, затем суммированием модулируемых и опорного напря (Л жений фор мируют одно результирующее напряжение, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности преобразования при повышенном напряжении питания, упомянутые модулируемые и опорное напряжение дублируют , фазы вторых кюдулйруемых напряжений изменяют на противоположные по отношению к фазе первых модулиру 4ых напряжений из вторых напряю жений, вырабатывают второе результируюЕяёе напряжевйе, затем каждое из о:) упомянутых результиругщих напряжений сд шлтрямляют причем с помощью одного выпрямленного напряжения задают потенциал ;е на нагрузке в положительном направлении относительно отрицательного вывода источника питания, а с помсяиью другого выпрямленного напряжения - потенциал на нагрузке в отрицательном направлении относительно положительного вывода источник ка питани.я. 2. Устройство для преобразования постоянного напряжений в квазисинусоидапьное с многофазным выходом, содержащее инвёрторные ячейки и генератор опорного напр;яжения, под

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕС1 »У БЛИН (1Щ (111

Я59 Н 02 И 7 48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЬПЪФ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21,) 3266563/24-07 (22) 31.03.81 (46) "15.06.83. Бюл. 9 22 (72) B.C.Âàñèëüåâ (71) Всесоюзный научно-исследовательский и проектно-конструкторский институт по автоматизированному электроприводу в промышленности, сельском хозяйстве и на транспорте (53) 621.314.572(088.8) (56) 1. Бай Р.Д., Фельдман A.Â., Чабанов A.Ï. Проектирование глубокорегулируемых асиихронных электроприводов подачи станков с ЧПУ.- Электротехника, 1981, Р б, с. 18,рис.2.

2. A.Bochringer и др. Регулируемые асинхронные электроприводы для станков.- »Nerkstattstechnikl,1979,69, Р 8 (463-473).

3. Васильев В.Г. Мощные импульсные транзисторные каскады для активно-индуктивной нагрузки.-ЭТвА,1976, М 8, с 173-183.

4. Кобзев A.Â., Михалъченко Г.Я., Тараскин А.В. Преобразование параметров электрически энергии модуляционными методами B системах со звеном повыщеннбй частоты. В сб.:Магнито-вентильные преобразователи напряжения и тока. Томск, изд-во Томского госуниверситета, 1576 с.78-93.

5. Мыцык Г.С., Чесноков A.Â..

Инверторы с промежуточным высокочастотным .преобразователем для частбтно-управляемого электропривода.

УШ ВН-ТК по проблемам автоматизированного электропривода, силовых полупроводниковых приборов и преобразователей на их основе. Ташкент,1979. б. Дыхненко Ю.И.,Мельничук Д.П.

Формирование кваэисинусоидального напряжения широтно-импульсной моду ляций в преобразователях с промежуточным звеном повышенной частоты.

Всесоюзная .научно-техн.конф. Проб- лемы преобразовательной техники, lу, Киев, 1979, с ° 115-117.

7. Буденный A.Â.,Ñåíüêî В.И.Промежуточное повышение частоты в преобразователях с суммированием в общем контуре. Всесоюзная научно-техн.конф. Проблемы преобразовательной техники. Ч.П, Киев, 1979, с.35-38. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОЗАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В КВАЗИСИНУСОИДАЛБНОЕ

И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ. (57) 1. Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное путем инвертирования постоянного напряжения в переменные прямоугольные напряжения, которые модулируют по фазе относительно одного прямоугольного напряжения, затем суммиро Е ванием модулируе»жх и опорного напря- ь жений формируют однс» результирующее Ц ф напряжение, о т л и ч а ю щ .и и с я у тем, что, с целью повъиаения надежности преобразования при повышенном напряжении питания, упомянутые моду- 5 .лируемые и опорное напряжение дублируют,- фазы вторых модулируемых напряжений изменяют на противополож- >,е„4, ные по отношению к фазе первых модулируемых напряжений иэ вторых напряжений, вырабатывают второе результи- фф рующее напряжение, затем каждое из упомянутых результирукщих напряжений выпряви яют q причем с помощью одного вы- Щ прямленного напряжения задают потенциа на нагрузке в положительном направлении относительно отрицательного вывода источника питания, а с помощью другого выпрямленного напряженйя — потенциал на нагрузке в отрицательном направлении относительно положительного вывода источник ка питания.

2. Устройство для преобразования постоянного напряжений .в квазисинусоидальное с многофазным выходом, содержащее инверторные ячейки и генератор опорного напряжения, под1023590

10 ключенные к шинам питания, а также блок управления, состоящий иэ синхронизированных генератором опорного напряжения фазовых модуляторов и дискриминатора уровня, причем к выходу каждой ячейки подключена первая обмотка соответствующего трансформатора, вторые обмотки кОторых объединены в обшем контуре, о т л и ч а юш е е с я тем, что, с целью повышения надежности при одновременном улучшении массогабаритных и стоимостных показателей и при отсутствии требований по гальванической развязке питающего и выходного напряжений, на каждую фазу введены по дна диодных выпрямителя, дополнительный трансформатор, первая обмотка которого соединена с силовым выходом упомянутого генератора, а вторая обмотка объединена с вторыми обмотками трансформаторов ячеек в последовательную цепь, в которой половина обмоИзобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в частотно-управляемых электроприводах и вторичных источниках питания. 5

Известны инверторы, в которых преобразование напряжения осуществляется без гальванической трансформаторной развязки, т.е. беэ согласования уровней питающего напряжения и напряжения нагрузки.

Известен инвертор с питанием от источника постоянного напряжения, выходы которого образованы парами полупроводниковых (обычно транзисторных) ключей, переклйчающихся в противофазе в режиме широтно-импульсной модуляции(1).

При увеличении мощности и переходе к бестрансформаторному питанию через выпрямитель от сети переменного тока

380 В суцественного увеличиваются трудности.на пути создания таких преобразовательных устройств.

Известны устройства j2) и (3) в которых реальные преобразователи с широтно-импульсным управлением от- . личаются очень большой сложностью построения управляющей цепи и силовой цепи, где требуется введение $0 большого количества дополнительных реактивных элементов, значительно ухудшающих технологичность изделия и. повышаюших его стоимость.

Кроме того, очень высока стоимостьЗ5 сильноточных высоковольтных транток упомянутых трансформаторов включена согласно с обмоткой дополнительного трансформатора, а половина— встречно, концы цепи соединены с входами первого выпрямителя, входы вто,рого выпрямителя связаны с последовательной цепью, составленной из третьих .обмоток трансформаторов ячеек,в которой также половина обмоток включена встречно, а половина — согласно с третьей обмоткой дополнительного трансформатора, причем вторая и третья обмотки каждого трансформатора ячейки включены в последовательные цепи во взаимно противоположном между собой направлении по отношению к соответствующей обмотке дополнительногo трансформатора, два разнополярных вывода выпрямителей соединены между собой и образуют соответствуюший выход устройства, два других подключены в непроводящем направлении к шинам питания. зисторов, необходимых при создании мошных приводов с непосредственным питанием от переменной сети 380 В.

Если же сильноточные ключи собирать на базе параллельных сборок относительно слаботочных транзисторов,то появляются дополнительные трудности из-эа неравномерности распределения токов в динамике, в момент выключения. Это резко снижает надежность работы ключей на высоких напряжениях и требует снижения максимально допустимой величины питаюшего напряжения.

Высоковольтные транзисторы имеют обыччо низкий коэффициент усиления по току, и при управлении ключами в режиме широтно-импульсной модуляции расходуется большая. мощность в цепи управления. Для обеспечения .нормальной работы ключей нужны до.полнительные гальванически развязанные источники, от которых и забирается мошность на управление. Проблема создания быстродействующей и развязанной от силовой цепи системы управления силовыми ключами является сложной.

Силовые транзисторы крайне чувствительные к перегрузкам, поэтому необходима исключительно быстродействующая система зашиты инвертора от различных видов перегрузок °

Известны преобразователи, содерт жашие промежуточное звено повышенной частоты (4 Д,(53иГб 3.

При использовании промежуточного звена повышенной частоты легко организуется режим АШИМ, при этом в несколько раэ уменьшается уровень нелинейных искажений по .сравнению с режимом ШИИ. Этот принцип применяется и в приводах (Я.

Ииверторы с промежуточным высокочастотным преобразованием развязывают нагрузку от цепи питания и одновременио согласовывают уровни входных и выходных напряжений с пбмощью демодуляторного.узла, выполненного на активных приборах с двусторонней проводимостью 6 j и 7 .

Применение активных приборов в де- 15 модуляторе сильно снижает надежность работы и увеличивает потери мощности.

В некоторых случаях не требуются согласование и развязка, поэтому демодулятор может быть упрощен.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ преобразования с промежуточным повиаеинем частоты в преобразователях с суммированием в общем контуре, заключающийся в преобразовании постоянного напряжения источника питания в переменные прямоугольные напряжения, которые модулируют по фазе относительно одного прямоугольного опорного напряжения, затем иэ модулируемых и опорного напряжений путем

Поставленная цель достигается тем,60 что согласно способу преобразования постоянного напряжений в кваэисинусоидальное, заключающемуся в инвертировании постоянного напряжения в переменные прямоугольные напряжении, 65 и х суммирования формируют результирующее напряжение j7j.

Известно устройство для осуществления способа преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное, содержащее инверторные ячейки и генератор опорного напряжения, подключенные к шинам источника постОяииого напряжения, а также блок 40 управления, состоящий иэ синхронизированных генераторов опорного напряжеиия фазовых модуляторов уровня,при этом к выходу каждой ячейки .подключена первая обмотка соответствующего трансформатора, вторые обмотки которых объединены в общем контуре g7).

Недостатком известного технического решения является невысокая надежность работы и сравнительно высокие массогабаритные и стоимостные показатели устройства на его аснове, обусловленные построением даяоуляторов на ключах с двусторонней проводимостью, Цель изобретения — повышение иа- 55 дежности преобразования при поввамнном иапряжении питания и одновременное снижение массогабаритных и стоимостных показателей. которые модулируют по фазе относи« тельно одного опорного прямоугольного напряжения, затем суьинрованием модулируемых и опорного напряжений формируют одно результирующее напряжение, упомянутые модулирусмые и опорное напряжения дублируют, фазы вторых модулируемых напряжений изменяют на противоположные по отношению к фазе первых модулируемых напряжений, из вторых напряжений вырабатывают второе результирующее напряжение, затем каждое из упомянутых напряжений выпрямляют, причем с помощью одного выпрямленного напряжения задают потенциал на нагрузке в положительном направлении относительно отрицательного вывода источника питания, а с помощью другого выпрямленного напряжения — потенциал на нагрузке в отрицательном направлении относительно положительного вывода источника питания.

В устройство, реализующее предлагаемый способ и содержащее инверторные ячейки и генератор опорного на пряжения, подключенные к шинам питания, а также блок управления, состоящий иэ синхронизированных генератором опорного напряжения фазовых мо:дуляторов и диксриминатора уровня, ,причем к выходу каждой ячейки подклюена первая обмотка соответствуюего трансформатора, вторые обмотки кбторых объединены в общем контуре, дополнительно на каждую фазу нагрузки введены по два диодных выпрямителя и дополнительный трансформатор,первая обмотка которого соединена с си-. ловым выходом упомянутого генератора, а вторая обмотка объединена с вторыми обмотками трансформаторов ячеек в последовательную цепь, в которой половина обмоток упомянутых трансформаторов включена согласно с обмоткой дополнительного трансформатора, а половина — встречно, концы цепи соединены с входами первого выпрямителя, входы второго выпрямителя связаны с последовательной цепью, составленнай иэ третьих обмоток трансформаторов ячеек, в которой также половина обмоток. включена встречно, а половина — согласно с третьей обмоткой дополнительного трансформатора, причем вторая и третья обмотки каждого трансформатора ячейки. включены в последовательные цепи во вэаимнопротивоположном между собой направлении по отношению к соответствующей обмотке дополнительного трансформатара, два разнополярных выхода выпрямителей соединены между собой и образуют соответствующий выход устройства, а два других подключены в непроводящем направлении к шинам питания.

1023590

На фиг. 1 изображена структурная схема и-фаэного инвертора на четырех ячейках на фиг. 2 — временные диаграммы напряжений в устРойстве при U „7 0; на фиг. 3 — то же, при U > 0; на фиг. 4 — временные диаг раммы выходных напряжений и тока ("&ых вью)-"

На фиг. 1 обозначены инверторные ячейки 1„ — 1л, генератор опорного напряженйя 2, трансформаторы ячеек и генератора Зл — 3, первые обмотки трансформаторов 4„ — 4, вторые обмотки трансформаторов 5л — 5g, третьи обмотки трансформаторов бл- 6, выпрямители 7л - 7, нагрузки &л- 84, блок управления 9, инверторы для одной фазы нагрузки 10л — 10>.

Инверторные ячейки 1„ — 1 и генератор опорного напряжения 2 включены между шинами источника постоянного 20 напряжения (+U -U). Выход инверторной ячейки соединен с первой обмоткой 4л — 44 трансформатора Зл — 34, а выход генератора 2 — с первой обмоткой 4 трансформатора 3 .. Вторые 25 обмотки трансформатора 5л — 5 подключены к входу выпрямителя 7л, а третьи обмотки бл — 6 этих же трансформаторов — к входу выпрямителя 7 .

Общая точка выпрямителей подсоедине- () на к одной фазе и-фазной нагрузки &

Входы ячеек соединены с выходами модуляторов блока управления 9.

Способ преобразования постоянного напряжения в квазисинусоидальное осу-35 ществляется следующим образом.

Постоянное напряжение источника преобразуется в прямоугольные напряжения 5„ — 5л, которые в зависимости от входного сигнала U модулируют 40 ся по фазе относительно опорного прямоугольного напряжения 5 . Затем мо5 дулируемые и опорное напряжение суммируются в первом контуре. Модулируемые и опорное напряжение дублируют таким образом» что фазы вторых модулируемых.напряжений 6 — 64 по отношению. к фазе второго опорного напряжения 6 изменяют на противоположное

;по сравнению с фазой первых модулиру емых напряжений .5л — 5 4 по отношению к фазе первого опорного напряжения 5

Все вторые напряжения объединяют во втором контуре, т.е. вырабатывают второе общее напряжение, затем каждое иэ упомянутых напряжений обоих контуров выпрямляют и регулируют синхронно и в противофазе. С помощью одного выпрямленного напряжения определяется потенциал на нагрузке в положительном направлении относи- 60 тельно отрицательного вывода источ ника питания — () (4 ), а с помощью другого выпрямленного напряжения потенциал на нагрузке в отрицательном направлении относительно положи 65 тельного вывода источника питания

+ U (4л) °

Устройство работает следующим образом, При U > =0 выходные напряжения ячеек не сдвинуты по фазе относительно опорного напряжения, амплитуда которого равна половине на» пряжения источника питания. Так как вторые и третьи обмотки трансформаторов 3 и Зл. включены, встречно относительно соответствующих обмоток трансформаторов Зл и 3, то на входы выпрямителей 7л и 7 поступает лишь опорное напряжение, и. на выходах выпрямителей получается сигнал равный половине напряжения источника питания, при этом на нагрузке — нулевой сигнал относительно этого среднего потенциала шин источников питания.

При Ug T 0 изменяется фаза выходного напряжения ячейки 1л . Соответственно этому изменяются напряжения на входах и выходах выпрямителей 71 и 7 . Причем, если напряжение на выходе выпрямителя 7л относительно шины силового источника питания +U уменьшается, то на выходе выпрямителя 7 стносительно шины силового источника питания -U оно на такую же величину увеличивается. Эти изменения во времени происходят синхронно (фиг. 2).

Максимальное напряжение фазы напряжения инверторной ячейки 1 равно 180

При дальнейшем увеличении входного напряжения сдвиг фазы напряжения инверторной ячейки 1л остается неизменным и максимальным (180 ) и начинается изменения фазы напряжения второй! инверторной ячейки 1 . При максимальном входном напряжении сдвиг.,фазы напряжения и этой ячейки достигает 180, что соответствует максимальному значению выходного напряжения на выходе фазы инвертора„

При отрицательном значении напряжения фазы напряжений первый двух инверторных ячеек неизменны и равны

О, а изменяются фазы напряжений сначала третьей 19, а затем четвертой

14 инверторных ячеек до 180 (фиг.З) .

На этой фиг. 4 изображены выходные напряжения верхнего и нижнего выпрямителей, каждое из которых имеет в качестве опоры потенциал верхней и нижней шины источника питания.

Иэ диаграммы видно, что сумма напряжений выпряМителей в любой момент времени всегда равна или несколько меньше (на 1-2 В) величины напряжения питания его источника.

Благодаря этому не возникает режим К.З. и в то же время обеспечивается вполне определенное положе1023590 ние потенциала выхода в любой момент времени.

На фиг. 4 приведена также диаграмма тока при работе на активноиндуктивную нагрузку и доказано, что при одном направлении тока в нагрузке работает только один иэ выпрямителей независимо от величины выходного напряжения, а при другом направлении тока в нагрузке

I вступает в работу второй выпрямитель, а предыдущий переходит в режим холостого кода.

Число инверторных ячеек определяется мощностью инвевтоюа и допустимыми токами через ячейку. 15

Амплитуды выходных напряжений на второй и третьей обмотке трансформатора генератора опорного напряжения должны равняться половине напряжения источника питания и превышать амплитуды напряжений на второй и третьей обмотках каждого трансформатора инверторной ячейки в число раз равное количеству ячеек в фазе ннвертора. Мощность генератора опорного напряжения на каждую фазу нагрузки должна составлять половину мощности фазы. предлагаемое устройство значительно сокращает число элементов на одну фазу нагрузки, так как демодуляция в нем осуществляется на простых диодных выпрямителях беэ ключей с двухсторонней проводимостью, йоэтому резко новьзаается надежность работы устройства и снижаются массогабаритные и стоимостные его показатели.

1023590

08х

ВНИИПИ Заказ 4235/47

Тираж 687 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.Ужгород,ул.Проектная,4