Способ преобразования переменного напряжения в постоянное

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в регуляторах и стабилизаторах напряжения. Целью является улучшение формы потребляемого из сети тока. Устр-во содержит инверторные (модулирующие) ячейки на транзисторных ключах с двухсторонней проводимостью , соединенные параллельно с трансформаторами повьшенной частоты 27-29. Вторичные обмотки 36-38 трансформаторов 27-29 соединены последовательно и подключены к фазочувствительному выпрямителю 39. Блок управления инверторными ячейками соединен с выходом 102 блока 83 регулирования фазы модулирующего напряжения. Синхронизированньй генератор87 стабильной амплитуды через согласующий трансформатор 86 соединен с зажимами 49, 50 входной сети. Переменное напряжение сети подвергают многозонной импульсной модуляции по синусоидальному закону с частотой напряжения сети , за счет чего ток, потребляемый из сети, становится синусоидальным. Регулирование модулирующего напряжения по амплитуде позволяет регулировать выходное постоянное напряжение без ухудшения потребляемого из сети тока во всем диапазоне регулирования напряжения. 1 з.п. ф-лы, 7 ил. S (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

„,ЯК„1385208

А1 (51) 4 Н 02 M 7/12

1 ,1

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ,ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

llO ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 3880815/24-07 (22) 08.04.85 (46) 30.03.88. Бюл. ¹ 12 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при

Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) В.Д.Семенов (53) 621.314.632 (088.8) (56) Розанов Ю.К. Основы силовой преобразовательной техники, M.: Энергия, 1979.

Авторское свидетельство СССР

¹ 754635, кл. G 05 F 1/22, 1978. (54) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПЕРЕМЕННО- .

ГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в регуляторах и стабилизаторах напряжения. Целью является улучшение формы потребляемого иэ сети тока. Устр-во содержит инверторные (модулирующие) ячейки на транзисторных ключах с двухсторонней проводимостью, соединенные параллельно с трансформаторами повышенной частоты

27-29, Вторичные обмотки 36-38 трансформаторов 27-29 соединены последовательно и подключены к фазочувствительному выпрямителю 39. Блок управления инверторными ячейками соединен с выходом 102 блока 83 регулирования фазы модулирующего напряжейия. Синхронизированный генератор 87 стабильной амплитуды через согласующий трансформатор 86 соединен с зажимами

49, 50 входной сети. Переменное напряжение сети подвергают многозонной импульсной модуляции по синусоидальному закону с частотой напряжения сети, за счет чего ток, потребляемый из сети, становится синусоидальным.

Регулирование модулирующего напряжения по амплитуде позволяет регулировать выходное постоянное напряжение без ухудшения потребляемого иэ сети тока во всем диапазоне регулирования напряжения. 1 з.п. ф-лы, 7 ил.

1Я <)0<1

fI «бГ1етгние < тн<г(г<тся и .<л(ктр< -. тс х)(((к с«в чл(: TI(()(тг(K сг(<1(облм llpe— обрлзовлнггя переменного нлпряже»ия в пп<-тояггггос" и к ггреобрлззовлтелям пе5 ременного напряжения в постоянное, осуществляющим такие способы, и может найти применение при получении постоянпого напряжения из переменного напряжения сети и его регулировании 10 в широких пределах, л также для компенсации реактивной мощности, когда требуется получить малые массы и гл" бариты преобразователя, синусоидальный ток, потребляемьггг из сег и переменного напряжения при одновременном регулировании реактивной мощности практически от индуктивного характера до емкостного, Цель изобретения — улучшение фор- 2р мы потребляемого из сети тока.

На фиг.1 представлены диаграммы, поясняющие формиров ание гзьгходггого высококачественного напряжения с огибающей, рлвног(произведег(ию в п<< «25

«sin(ut + q), где с — частота сети;

»а фиг.2 — диаграммы, поясняющие формирование потребляемого из сети тока, сдвинутого ггл угол г1 относительно входного напряжения; нл фиг.3 . — схе- 30 ма устройства для осуществления предлагаемого способа; нл фиг.4 — один из вариантов выполнения блока последовательно нарастающих уровней;. на фиг.5 — диаграммы, поясняющие работу блока последовательно нарастающих уровней, нл фиг.б — пример выполнения флзосдвигающего блока; на фиг,7 — временные диаграммы, поясняющие работу флзосдвигаюшего блока. 4<

Временные диаграммы, поясняющие данный способ, приведены на фиг.1, где обозначены: 1 переменное напряжение сети; 2 высокочастотное напряжение с огибающей сети; 3 управляющий или (модулирующий) синусоидальный сигнлл, сдвинутый относительно напряжения сети на угол g (в сторону оставания); 4 управляющий (модулирующий) выпрямленньпI сигнал с таким

50 же флзовьгм сдвигом с ; 5 поле рлзверток, обеспечивающее многозонную им— пульсную модуляцию высокочастотного напряжения; б, 7 линейно-падающее и лиг(с и(го-нарастающее пилообразные нл55 ггряж(ния (оответс твенно; 8-13 зоны рс г (гггровлния, разнесенные по уровннг г<сг ч(г<г((г(г(входного сигналя; 14-19 вылны" и< лу(гированные напряжения, к л н<до((jt < м<«д<. i(HP <, f<>fill(g Я не Pl-; («<1! ветс твунгщие 8-1 I <онлм регуиировлн::.я;

20 огиблнгшля (ггервая глрмоггика) выходного напряжения, общего дггя всех модулирующих ячеек; 21 вьгсокочастотное выходное напряжение, общее (суммарное) для всех модулируюших ячеек, На фиг.2 обозначено: ?2 алгоритмы работы вьгходного демодулятора (фазочувствительного выпрямителя); 23 огибающая выходного напряжения демодулятора (первая гармоника); 24 выходное нефильтрованное напряжение демодулятора; 25 мгновенное значение входного тока (нефильтрованное) и его огибающая (первля гармоника).

Устройство для осуществления способа преобразования переменного напряжения в постоянное, представленное. на фиг.3, содержит модулирующие (инвертирующие) ячейки 26 с высокочас- тотными трансформаторами 27-29, первичные обмотки которых подключены к выходам 30 и 31, инверторных ячеек

26 на ключах с двухсторонней проводимостью 32-35. Вторичные обмотки

36-38 трансформаторов 27-29 соединены последовательно и подключены к фазочувствительному выпрямителю 39 на управляемых ключах 40-43 с двухсторонней проводимостью. Выход фазочувствительного выпрямителя 39 подключен к дросселю 44 и конденсатору

45, образующим фильтр с индуктивной реакцией, подключенный к нагрузке 46.

Силовые входы 47 и 48 инверторных ячеек 26 соединены параллельно и подключены к зажимам 49 и 50 сети переменного тока.

Управляющие входы 51-.56 транзисторных ключей 32-35 с двухсторонней проводимостью подсоединены к выходам фазосдвигающих блоков 57-62, входы

63-68 фазосдвигающих блоков 57-62 подсоединены к выходам задающего генератора 69, а входы 70-75 подключены к выходам блоков 76-78 последовательно нарастающих уровней, входы 7981 которых объединены. Управляющие цепи 82 ключей 40-43 (демодулятора) фазочувствительного выпрямителя 39 соединены с выходом задающего генератора 69. Блок 83 регулирования фазы модулирующего напряжения соединен входами 84 и 85 с зажимами 49 и 50 входной сети через согласующий трансформатор,86 с синхронизированным генератором 87 стабильной лмп:(итуды, 1385208 который, в свою очередь, соединен с

/ первым фазосдвигающим узлом 88 на операционном усилителе 89, резисторах 90-92 и конденсаторе 93. Выход первого фазосдвигающего узла 88 сое-. динен с инвертирующим усилителем 94, соединенным с регулируемым фазосдвигающим узлом 95 на операционном усилителе 96, резисторах 97-99 и конденсаторе 100. В эту же последовательную цепь может быть включен выпрямитель 101, выход которого образует выход 102 блока 83 регулирования фазы модулирующего напряжения. Выход 15 102 соединен с. объединенными входами

79-81 блоков 76-78 с последовательно нарастающими уровнями.

Блок 76-78 последовательно нарастающих уровней, представленный на 20 фиг.4, содержит операционный усилитель 103 в режиме дифференциального включения, к инвертирующему входу которого подключен источник постоянного напряжения 104, помеченный дополни- 15 тельно U; что говорит о том, что величина напряжения источников 104 выбирается различной для каждого из блоков 76-78. Выход усилителя 103 образует выход блока последовательно 30 нарастающих уровней, а неинвертирующий вход, усилителя 103 — вход блока 76-78.

На фиг.5 обозначено: 105 пилообразное напряжение, с которым сравни35 вается входной сигнал U блоков

76-78; 106-108 выходные сигналы блоков 76-78 с последовательно нарастающими уровнями (2U> -Ц„,О, U„, 213„, 3U TI ) °

Фазосдвиговый блок 57-62, представленный на фиг.6, содержит генератор 109 пилообразного напряжения, синхронизирующий вход 63-68 которого соединен с задающим генератором 69, 45 компаратор 110, на выходе которого включен логический элемент 111 равнозначности, подключенный ко входу узла 112 развязки и усиления с прямым 113 и инверсным 114 выходами.

На фиг.7 обозначено: 115 напряжение на выходе задающего генератора

69; 116 выходной сигнал генератора

109 пилообразного напряжения; 117 управляющий сигнал на входах 70-75;

118 напряжение на выходе компаратора 110; 119 напряжение ыа выходе логического элемента 111 равнозначности; 120, 121 напряжение на прямом

113 и инверсном 114 входах узла 112 развязки и усиления; о(угол сдвига фазы напряжений на выходах 113, 114, относительно фазы импульсов 115 задающего генератора, в случае, если ге-нератор 109 вырабатывает линейно-на" растающее пилообразное напряжение; р угол сдвига фазы напряжения на выходах 113, 114, относительно фазы импульсов 115 задающего генератора 69, в случае, если генератор 109 вырабатывает линейно-спадающее пилообразное напряжение.

Предлагаемый способ преобразования переменного напряжения в постоянное заключается в следующем, Переменное напряжение 1 (фиг. 1) сети U,(t) = U „sin t преобразуется в напряжение 2 — U, (t) промежуточной частоты с .помощью каждой из инверторных ячеек 26 (фиг.3). Это преобразование можно записать произведением напряжения U,(t) на некоторую модулирующую кош утационную функцию К(и>„ ), которая периодически принимает значения + 1 с периодом повторения 2а =

= ы„Т „, где Т „ — период повышенной частоты, и и -круговая повышенная частота. Тогда получим

U, (t)=U f,(ы„с). sin

N — число инверторных ячеек.

Полученное напряжение U,() трансформируют с помощью трансформаторов повышенной частоты 27-29 и подвергают многозонной импульсной модуляции путем подачи синусоидального напряжения 3 на объединенные входы

79-81 блоков 76-78 с последовательно нарастающими уровнями. Синусоидальное напряжение 3, сдвинутое по фазе относительно напряжения сети 1, подвергает напряжение U <;(t) каждой из инверторных ячеек широтно-импульсной модуляции, так как показано на фиг.1, напряжение 14-19.

При этом, для суммарного выходного напряжения 21 - U (t) всех вторичных обмоток 36-38, трансформаторов 2729 можно записать н

Uз(t) = V „(t) - gent) н

1=1

=, Un;- f„(co„t) - sinwt .V„;(t) = (2)

1=1 N

= U „f („t) - sin

1385208 где! „;(t) — модулирующая функция в каждой из инверторных ячеек 26, Как следует из фиг.1, модулирующая функция 3 для всех инверторных ячеек синусоидальнаи и отстает по фазе от напряжения сети 1 на угол tp т,е.

М

Г v„; (t) = ч „, sin(art + tp) Тогда выражение 2 можно записать в виде

U>(t) = U„, f („t) sinu>t °

+ q ) U !!! f ь (« я )"

«(сos u — cos(2wt +сР )) ° (3) 20

Выражение (3) показывает, что суммарное напряжение 21 всех инверторных ячеек 26 представляет собой высокочастотное напряжение с огибающей 20, представляющей собой функцию ?5 (U, соз ар- U » cos(2 t + g )). Естественно, что это справедливо лишь для первой гармоники огибающей. Напряжение 21 выпрямляется (демодулируется) фазочувствительным выпрямителем (де- 30 модулятором), что математически можно выразить произведением напряжения 21 (выражение 3) на модулирующую функцию промежуточной частоты f „(la„t) ° Тогда для выпрямленного (демодулированного) 35 напряжения 24 — UÄ(t) справедливо выражение

04(t) (U ъ соз Ч U ъ

«соз(2ыг. + М>1- f (cu„t) которое преобразуется к виду

U <(t) = U„icos q — П!„ сов(2кй +ч) э(4) потому, что модулирующая функция

Е„(ю„ ) обладает свойством Р (ь„С)-"1 °

Из выражения (4) видно, что напряжение на выходе фазочувствительного выпрямителя (демодулятора) 39 содер50 жит постоянную составляющую 0 сов Q. и напряжение второй гармоники

U,cos(2u>t + 9).

Выходное напряжение 23 демодулятора 39 фильтруется дросселем 44 и кон-55 денсатором 45 так, что в дросселе 44 протекает постоянный ток Т„, который с помощью управляемых ключей 40-43 демодулятора 39 преобразуется в ток промежуточной частоты (5) i H (1) = z н f (t)

I „sin(vt + y ) так как f „(„t) = 1, а суммарное модулирующее воздействие 3 (фиг.1) и ,> у (t) = sin(u>t + g).

1е!

Выражение 6 показывает, что по отношению к току 1„ дросселя 44 демодулятор 39 выступает с роли демодулятора, который преобразует постоянный ток Iö в ток повышенной частоты, который протекает по вторичным обмоткам

36-38 трансформаторов 27-29. Инверторные ячейки 26 при .этом выступают в роли демодуляторов тока, которые преобразуют высокочастотный ток,протекающий по обмоткам вторичным 36-38, в ток 25, потребляемый из сети.

Форма тока 25 показывает, что он ступенчато-синусоидальный и очень близок к синусоиде, которая представляет собой первую гармонику входного тока. Кроме того, ток 25 сдвинут по фазе относительно входного напряжения 1 сети на этот же угол что и входное модулирующее напряжение 3.

Регулирование выходного напряжения достигается регулированием фазы модулирующего напряжения 3, которое осуществляется переменным резистором 98. При этом, синусоидальность формы модулирующего напряжения 3 обеспечивает практически синусоидальный входной ток 25 с углом сдвига который протекает через вторичные обмотки 36-38 трансформаторов 27-29.

Поскольку инверторные ячейки 26 включены параллельно, а каждая из ячеек осуществляет модуляцию длительности импульсов высокочастотного напряжения в соответствии с видом напряжений

14-19 и соответствующей модулирующей функцией у„;(t) Г„(и>„ ) (выражение 2), то для потребляемого из сети тока 25 будет справедливо (по первой гармонике) выражение к

i„(t) = Q Ií f (иу„t) („,. (t)

К.(Ät) = I. К „(. ),)у„,() - (6) 1 85208

2Пп, Пп>

П в»

Пsx

7S

7La

>» > П е»

78 О е»

ы ЬЬП

U ьь х

П еы» о вых еы.

Овы

+ Пп>

+ 2Пп»

+ 3U

Смещение вых тельно входного вательно нараст одного сигнала относина величину последоающих уровней позвофазы > равным уг»у сдвига фазы модулирующего воздействия. Чис.»о ступеней во входном токе> пропорциональное числу работающих инверторов, с

5 уменьшением амплитуды модулирующего воздействия уменьшается и при амплитуде модулирующего воздействия, равной амплитуде пилообразного напряжения 6 и 7, синусоидальность вход- 10 ного тока обеспечивается широтно-импульсной модуляцией тока нагрузки.

Устройство (фиг.3), отражающее пример реализации, работает следующим образом. 15

Переменное напряжение 1 сети (фиг.1) через входные зажимы 49 и 50 поступает на инверторные ячейки 26, включенные параллельно. Каждая из ячеек 26, выполненная на управляемых 20 транзисторных ключах 32-35, алгоритм работы которых определяется фаэосдвигающими блоками 57-62 и блоками 7678 с последовательно нарастающими уровнями. 25

Рассмотрим, в первую очередь, работу блоков 76-78 по фиг,4; Модулирующее напряжение U е„ (фиг.4) посту— пает на вход блоков 76-78, которые представляют собой вычитающие усилители так, что напряжение на выходах будет равно U еы„= U ех U„> где U, пороговое напряжение, уровень которого задается источником напряжения

104. Пороговые напряжения блоков 7678 выбраны следующим образом:

20„, У.>»= (Зп П е= О, где Un - амплитуда пилообразного развертывающего напряжения 6 и 7. Так как на фиг.1 приведены диаграммы для шести инвер- 40 торных ячеек 26, что можно еще условно ввести блоки 76а-78а с последовательно нарастающими уровнями и задать им соответственно следующие rioРоговые напРЯжениЯ: П ьо> — "и " ь - 45

2U; U ь,>= -ЗП„, Тогда выходные напряжения токов 76-78 и 76а-78а с последовательно нарастающими уровнями будут иметь вид: ляет достичь того, что выхопные сигналы блоков 76 — 78 » 76а-78а вступают в сравнение с пилообразным »апряжением 105 (фиг.5) последовательно, по очереди, как показано »а фиг.5. Так, при управляющем сигнале, изменяющемся в пределах О-U, сравнение выходного сигнала 106 с пилой 105 будет происходить у блока, пороговый уро— вень напряжения которого равен нулю.

При изменении входного модулирующего сигнала в пределах от U „ до 2U сравнение его с пилой 105 будет происхо— дить у блока, пороговый уровень напряжения которого равен U„ и так далее, При дальнейшем увеличении входного модулирующего сигнала в работу вступит блок с пороговым уровнем напряжения 2U > °,NU, Блоки с напряже- и ниями, пороговый уровень которых отрицателен, будут вступать в работу лишь при отрицательных значениях входного сигнала.

Выходные напряжения блоков 76-78, смещенные пороговыми уровнями U; поступают на управляющие входы 70-75 фаэосдвигающих блоков 57-62, реализация которых приведена на фиг,б.

Причем, у блоков 57, 59 и 61 используется генератор 109 линейно-нарастающего напряжения 7, а у блоков 58, 60 и 62 — генератор линейно-падающего.го напряжения 6. Поэтому при возрастании входного управляющего напряжения U »O ех угол Ы сдвига фаз (фиг. 7) выходного сигнала 119, 120 на выходах 113, 114 в блоках 57, 59, 61 изменяется в сторону отставания от напряжения 115 задающего генератора 69, Л в блоках

58, 60, 62 — в сторону опережения (угол р сдвига фазы сигнала 122 на фиг.7). Таким образом, как только выходной сигнал блоков 76-78 выйдет в зону сравнения с пилообразным напряжением 6 и 7, углы Ы и р сдвига фаз сигналов с фазосдвигающих блоков

57-62 изменяются и изменят соответственно алгоритмы замыкания ключей

32-35 соответствующих инверторных ячеек 26. Каждая из ячеек 26 реализует три режима работы. Первый режим: входное модулирующее (управляющее) напряжение по уровню ниже уровня пилообразного напряжения. Ключи 32-35 инвертора 26 замыкаются по циклу 33, 34-32, 35 (рядом стоящие, через запятую номера ьлючей обозначают их одновременное амкнутое состояние на

1385208

10 иолуиериоде повышенной частоты, à дефис — смену состояния ключей). Выходное напряжение соответствующего инверторя 26 в этом случае находится в противофазе с вь>еокочястотным няпpR)Kc íèåм 2. Второй режим: входнг>с "..о дулирующее напряжение по уровню равно половине амплитуды пилообразного напряжения 6 и 7, Ключи 32-35 замыкаются jp по циклу 32, 33-34, 35. Первичная обмотка соответствующего трансформатора (из 27-29) зякорочена, Напряжение на соответствующей выходной обмотке трансформатора (из 36-38) будет равно нулю. Ток от сети этим инвертором не будет потребляться. Третий режим: входное модулирующее напряжение по уровню больше амплитуды пилообразных напряжений 6 и 7. Ключи соответствую- 20 щего инверторя 26 замыкаются по циклу

32, 35-33, 34. Выходное напряжение соответствующего инвертора 26 совпадает по фазе с высокочастотным,напряжением 2. Иодулирующее напряжение 3 формируется блоком 83 регулирования фазы, который работает следующим образом. Напряжение сети. с зажимов 49 и 50 через согласующий трансформатор

86, синхронизированный генератор 87 стабильной амплитуды поступает на вход первого фазосдвигающего узла 88, о который сдвигает фазу на 90, так как выходное напряжение такого звена определяется выражением:

jv

Овы = Ugy К е

2 <.>ус где >>> = arctg — — — ——

1-4>2 Х2 с2

К вЂ” коэффициент пропорциональности, Величина сопротивления 92 или емкости 93 выбрана таким образом, что о

90 . Затем напряжение инвертируется инвертирующим усилителем 94 и подается на фазосдвигающий узел 95, величина сопротивления 98 которого изменяется в пределах 0 — со, при этом фаза изменяется в пределах 0-180, Таким образом, относительно фазы 90 выходное напряжение усилителя 96 изменяется на 1 90 . Это напряжение подается ня объединенные входы 79-81 блоков 76-78 с последовательно нарастающим уровнями и подвергает напряжение инверторных ячеек 26 модуляции.

Суммарное напряжение 24 всех ячеек

26 подвергается демодуляции демодулятором 39, в качестве кот >pn>.n можно использовать реверсинный выпрямитель на полностью управляемых ключах 32-35 с двухсторонней проводимостью, кото" рые управляются по алгоритму 22, так, что напряжение на выходе выпрямителя

39 будет иметь вид 24, а ток по входной цепи — 25. Иэ фиг,2 видно, что ток 25 во входной цепи практически синусоидальный, а число ступенек тока определяется числом инверторных ячеек. Для увеличения числа ступеней напряжение с выхода операционного усилителя 96 может быть выпрямлено выпрямителем 101 и, в этом случае модулирующее напряжение будет иметь:, вид 4 на фиг.1. Ток 25 во входной це-. пи практически синусоидальный при постоянном токе нагрузки, а регулирование выходного напряжения осуществляется изменением фазы модулирующе- го сигнала относительно фазы напряжения сети практически без искажения входного тока во всем диапазоне изменения.

Таким образом, предлагаемый способ преобразования переменного напряжения в постоянное позволяет по сравнению с известным улучшить форму потребляемого из сети тока при работе на выпрямитель с активно-индуктивной нагрузкой, >

Кроме того, предлагаемый способ преобразования позволяет расширить функциональные воэможности преобразователя за счет регулирования коэффициента мощности преобразователя индуктивного до емкостного и возможности осуществления режима удвоения частоты, Формула изобретения

1. Способ преобразования переменного напряжения в постоянное путем преобразования переменного напряжения сети в напряжение промежуточной частоты с последующими трансформацией, регулированием,выпрямлениеми фильтрацией, отличающийся тем, что, с целью улучшения формы потребляемого из сети тока, упомянутое преобразование в напряжение промежуточной частоты осуществляют ня основе использования многозонной импульсной модуляции с управляющим сигналом синусоидальной формы с частотой, равной

138" 208

12 частоте сети, и с регулируемой амплитудой, и заданной фазой, 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет обеспечения регулирования входного коэффициента мощности, фазу

5 упомянутого управляющего сигнала обеспечивают изменяемой.

1385208

Составитель Г,Мыцак

Редактор И.Сегляник Текред Л.Олийнык Корректор M.Ìàêñèìèøèíåö

Заказ 1418/50 Тираж 665 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4