Способ управления однофазным мостовым инвертором напряжения с широтно-импульсным регулированием

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления однофазными мостовыми инверторами напряжения с широтно-импульсным регулированиям. Целью изобретения является повышение надежности за счет равномерной загрузки вентилей силовых ключей инвертора по току. Цель изобретения достигается за счет регулирования выходного напряжения инвертора путем изменения длительности нулевых пауз. При этом используется чередование контуров, по которым замыкается ток нагрузки в нулевых паузах. На первом интервале нулевой паузы ток нагрузки замыкается через одни управляемый и неуправляемый вентили различных силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника питания, на втором - через другие управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей, на третьем - через одни управляемый и неуправляемый вентили различных ключей, подключенных к другой шине источника питания, а на четвертом - через другие управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей. 8 ил.

ССИОЗ СОВЕТСКИХ.

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (бц 4 Н 02 М 7/48 (22)4315869/24-07 (22) 29.07.87

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМ

IlPH ГКНТ СССР (46) 30.08.89. Бюл . 9 32 (71) Новосибирский электротехнический институт (72) В .А, Будников и А.Б. Дудин (53) 621.316.727(088.8) (56) Забродин N,С. Промьппленная электроника, М.: Высшая школа, 1982, с, 443-444, Там же, с. 444-446. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ОДНОФАЗНЫМ

МОСТОВЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ С

ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления однофазными мостовыми инверторами напряжения с широтно-импульсным регулиро,ванием. Целью изобретения является повышение надежности за счет равноИзобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления однофазными мостовыми инверторами напряжения с широтно- импульсным регулированием. Целью изобретения является повышение надежности путем равномерной загрузки вентилей силовых ключей инвертора по току.

На фиг ° 1 приведен возможный вариант структурной схемы устройства,. реализующего способ управления; на фиг. 2 — диаграммы, поясняющие его работу1 на фиг. 3-8 — принципиальные схемы задающего генератора, фа„„ЯО„„1504766 А 1

2 мерной загрузки вентилей силовых ключей инвертора по -,îêó. Цель изобретения достигается эа счет регулирования выходного напряжения инвертора путем изменения длительности нулевых пауз, При этом используется чередование контуров, по которым замыкается ток нагрузки в нулевых паузах. На первом интервале нулевой паузы ток нагрузки замыкается через одни управляемый и неуправляемый вентили различных силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника питания, на втором — через другие управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей, на третьем— через одни управляемый и неуправляемый вентили различных ключей, подключенных к другой шине источника питания, а на четвертом — через другие С, управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей. 8 ил. зосдвигающего устройства, делителя частоты, распределителя импульсов, выходных каскадов и автономного инвертора напряжения соответственно. фф

Устройство (фиг. 1) содержит за- © дающий генератор (ЗГ), фазосдвигающее устройство (ФСУ/, делитель частоты (ДЧ), распределитель импульсов (РИ), выходные каскады (ВК) и as- 3 тономный-инвертор напряжения (АИН). й. .Задающий генсратор (фиг.1,3) может быть выполнен по стандартной схеме преобразователя напряжение— частота. Задающий генератор состоит из последовательно включенных моду1504766 лятора (М), интегратора (Инт.), порогового элемента (ПЭ) и дополнительно снабжен инвертором (Инв.) вы: ходного напряжения интегратора. Модулятор М выполнен на операционном усилителе DA 1.), резисторах R 1.1R 1.4, полевом транзисторе V 1.1 и диоде V 1.2; интегратор — на операционном усилителе ПА 1.2 с конденсатором Cl в цепи отрицательнои обратной связи и резисторах R 1.5 и

R 1.6; пороговый элемент — на операционном усилителе DA 1.3 с сим) ! метричными уровнями напряжения насыщения и резисторах R 1.7- К 1.9, инг вертор — на операционном усилителе

DA 1.4 и резисторах R 1.10 — R 1.12, В зависимости от полярности выходного напряжения порогового элемента 20 на вход инвертора поступает напряжение U или -Ug . Напряжение на выходе интегратора уменьшается или возрастает линейно во времени. Когда оно достигает значения 25

R 1.8 .

+ †††--- U ас,напряжение на выходе

К 1.8+!.9 порогового элемента изменяет полярность на противоположную, и цикл пре-образования повторяется в другом 30 направлении, Частота выходных импульсов определяется выражением (R! ° В+Р 1.9} Ug

4.К 1.8 К 1.5 С„U.„ä

35 где U — величина входного напряf жения задающего r енератора>

U — напряжение насыщения пои рогового элемента. 40

Задающим генератором формируются симметричные прямоугольные импульсы

1 (фиг„ 2а), треугольное напряжение Uä, прямой ход которого соответствует интервалам времени, когда импульсы Ul имеют положитольную полярность, и противофазное треугольное напряжение U (фиг.2б), фазозадающее устройство (фиг. I, 4} содержит дв а пороговых элемента, выполненных на операционных усилите50 лях (или компараторах) DA 2. 1, DA 2. 2 и резисторах R 2.1, ..., R 2.6, и комбинационную логическую схему, собранную на элементах 2И-НЕ DD 2.1„

DD 2.2 и элементе 2И-2И-ИЛИ-НЕ DD 2.3

55 (фиг. 4) . На инвертирующие входы ! .пороговых элементов через резисторы

R 2.1 и К 2.4 поступают прямое и! где U2 — симметричные прямоугольные импульсы, фаза которых может изменяться относительно импульсов U I в зависимости от величины управляющего напряжения U> (фиг.2д)

При изменении управляющего напряжения от -Б„,ц до +Б„,ц,„с, где

Uä „, — амплитуда треугольного напряжения фаза импульсов U2 относительно импульсов U) изменяется от †1 до 0 эл.град.

Делитель частоты (фиг.1,5) может быть выполнен с использованием Dтриггера (фиг. 5) DD 3.1, если, его инверсный выход соединить с D-входом.

На синхронизирующий С-вход D-триггера поступают импульсы с выхода задающего генератора Ul (фиг.2а>, а с его прямого выхода снимаются симметричные прямоугольные импульсы БЗ фиг. (фиг.2е) половинной частоты.

Распределитель импульсов (фиг.l) может быть выполнен по схеме, приведенной на фиг. 6. Распределитель импульсов состоит из логических элементов 2И-НЕ DD 4.)...DD 4.6, DD 4.9, DD 4.10 и ЗИ-НЕ DD 4,7, DD 4.8 и прецставляет собой комбинационную схему, реализующие логические функции:

111 .UÇ + Ul U2 + U2 UÇ

U ) ° U3 + 0 1 - U 2 + U 2 ).) 3

Кl

К2

K3 = K2;

К4 = К), где К., i = 1,4 — логические сигналы на выходах распределителя импульсов, определяюпротивофазное треугольные напряжения

U„ 0 „ с выходов задающего генератора, а на неинвертирующие входы через резисторы R 2.2 и К 2.3 — управляющее напряжение U (фиг.2б), На интервалах времени, когда управляющее напряжение U „ превышает треугольные

Ф напряжения U» U, на выходах пороговых элементов формируются сигналы логической единицы U 1 3, U 1?(фиг. 2в, r), поступающие на входы комбинационной схемы, реализующей следующее логическое выражение:

U2 = U1 ° Ul 1+ U1 U12, 1504766

Способ осуществляется следующим образом.

Импульсы Ul (фиг.2а) с выхода за45 Дающего генератОрЯ (фиг,l) пОступ лают на вход фазосдвигающего устройства (фиг.1) и преобразуются в импульсы U2 (фиг.2д), имеющие фазовый сдвиг относительно импульсов И

Определяемый величиной напряжения управления U> (ôèã.2б). Импульсы

Ul и U2 совместно с импульсами ПЗ (фиг.2е), снимаемыми,с выхода делителя частоты (фиг. 1) и следующими

55 с пОлОВиннОЙ чЯстОтОЙ импульсОВ U1 ° поступают на вход распределителя импульсов (фиг.l), который формирует четыре последовательности импульсов

Kl К4- (фиг.2ж,э,и,к), . соотщие зоны работы силовых ключей инвертора напряжения (фиг . 2ж, з, и, к) °

Выходные каскады (фиг. 1,7) представляют собой два двухтактных усилителя мощности с трансформаторным выходом. Каждый усилитель мощности содержит

1 два ключевых элемента Т5.1, Т5.2, управляющие входы которых соединены с соответствующими выходами распределителя импульсов, входы — с выводами первичной обмотки трансформатора Тр, средняя точка которой через токоограничивающий резистор

R5 подключена к положительной шине источника питания + Е„, а выходы объединены и подключены к нулевой шине источника питания. Одни разноименные выводы вторичных обмоток трансформатора Тр через последо5 вательно включенные диоды V 5.1, Ч 5.4 соединены с управляющими входами силовых ключей, образующих одно плечо инвертора, а другие - с выходами. тех же силовых ключей„

Диоды Ч 5.2, V 5,3, предназначены для шунтирования управляющих переходов соответствующих силовых ключей в обратном направлении. Нетрудно заметить, что ключи Т5.1 и Т5.2 управляются противофазными сигналами и одновременная их работа запрещена. При включенном ключе Т5..1 (ключ Т5.2 разомкнут) на первичной обмотке трансформатора Тр наводит5 ся напряжение, полярность которого является отпирающей для диода V 5.1 и запирающей для диода V 5.4.При этом на управляющем переходе первого силового ключа формируется положительный импульс напряжения, достаточный для его отпирания; на управляющем переходе четвертого силового ключа импульс напряжения отсутствует.

При включенном ключе Т 5.2 (ключ

Т 5.1 разомкнут) полярность напряжения на вторичных обмотках соответствует включенному состоянию днода

V 5.4 и запертому — диода Ч 5.1. В данном случае положительный импульс напряжения формируется на управляющем переходе четвертого силового ключа, а на управляющем переходе первого отсутствует. Достоинством приведенной схемы выходных каскадов является применение одного трансформатора сдля управления двумя силовыми ключаI ми инвертора напряжения.

ЗО

Автономный инвертор напряжения (фиг.1,8) может быть выполнен на четьуех силовых ключах СК б.i, 1.4, собранных по однофазной мостовой схеме, в одну диагональ которой включен источник питания Е, а в другую — активно-индуктивная нагрузL z ° КЯждый силОВОЙ ключ сО держит управляемый вентиль (транзистор, двухоперационный тиристор или тиристор с узлом искусственной коммутации) и встречно-параллельно включенный ему неуправляемый вентиль (диоД). На схеме, приведенной на фиг. 8, управляемыми вентилями являются транзисторы Т б.i а неуправляемыми — диоды D 6.i

При работе инвертора на активно-. индуктивную нагрузку формирование и регулирование выходного напряжения осуществляются изменением длительности нулевых пауз, возникающих в результате проводимости тока нагрузки одним транзистором и одним диодом, принадлежащими разным силовым ключам, подключенным к одной шине источника питания. Короткоэамкнутые контуры для тока загрузки могут быть созданы транзисторами и диодами Т 6 l.и

D 6.3; Т 6.3 и П 6.1; Т 6.2 и 0 6.4;

Т 6.4 и D 6.2 соответственно. Длительность нулевой паузы в выходном напряжении инвертора определяется (1- ) рвыжением, где f — выходная частота инвертора, и может изменяться от .О до 1/2f при изменении управляющего на ряжения От +ипм„, до

-Un макс

1504766 ветствующие зонам работы силовых ключей инвертора напряжения, которые после усиления по мощности и гальванической развязки в выходных каскадах

5 (фиг.l) поступают на база — эмиттерные переходы соответствующих транзисторов автономного инвертора напряжения (фиг. 1)

На интервале времени, когда сигна- 10

:лы Ul U2 и БЗ одновременно равны ло гической единице, а ток нагрузки инвертора имеет отрицательное направ, ление, распределитель импульсов выра-! ! батывает логические сигналы Kl и К2,, равные единице, и KÇ, К4 равные нулю. При этом силовые транзисторы Т6.1 и

| . Т6.2 закрыты, хотя на их база — эмит, терных переходах имеется отпирающее

: напряжение, а ток нагрузки проводят 20 диоды D 6;1 и Р 6 ° 2 (фиг,2о,п).

При изменении направления тока на-! грузки диоды D 6.1 и D 6.2 выключают ся и включаются транзисторы Т6.1 и

Т6.2 (фиг.2м,н), Таким образом на нагрузке формируется положительная полуволна напряжения.

На интервале времени, когда сигналы Ul и UÇ равны логической единице, сигналы U2 — логическому нулю, распределитель импульсов формирует .импульсы Kl и KÇ, равные логической ! единице, и К2, К4, равные логическому нулю. При этом в напряжении на нагруз- 35 ке возникает нулевая пауза, обеспечиваемая одновременной работой транзистора Т6.1 и диода D6.3(фиг.2м,т).

На интервале времени, когда U! u

U2 равны логическому нулю, а сиг- 40 налы UÇ вЂ” логической единице, распределитель импульсов вырабатывает логические сигналы KÇ и К4, равные единице, и К1 и К2, равные нулю. Пока ток нагрузки имеет положительное направление, его проводят диоды D6.3 и Р6.4 (фиг.2т,у). При изменении направления тока нагрузки ток начинают проводить транзисторы Т6.3, Т6.4 (фиг.2p,ñ). При этом на нагрузке фор- 50 мируется отрицательная полуволна напряжения.

На интервале времени, когда сигналы Ul равны логическому нулю, а сигналы 112 и 03 — логической единице, распределитель импульсов вырабатывает сигналы Кl и КЗ, равные логической единице, и К2 и К4, равные нулю, В напряжении на нагрузке формируется нулевая пауза, обеспечиваемая замыканием тока через транзистор Т6.3 и диод D6.1 (фиг.2o,р)

На интерв@пе времени; когда сигналы Ul и U2 равны логической единице, а сигналы UÇ вЂ” логическому нулю, процессы в инверторе аналогичны описанным выше при равных логической единице Ul U2 и UÇ

На интервале времени, когда сигналы Ul равны логической единице, а сигналы U2 и UÇ вЂ” логическому нулю, распределитель импульсов формирует сигналы К2 и К4, равные логической единице, и сигналы Kl u

K3„ равные логическому нулю. При этом нулевая пауза и напряжении на нагрузке образуется замыканием тока через транзистор Т6,2 и диод Р6.4 (фиг.2н,у).

На интервале времени, когда сигналы Б1, Г2 и UÇ равны логическому нулю, процессы в инверторе аналогичны описанным выше при Ul U2, равных логическому нулю, а UÇ логической единице.

Д

На интервале времени, когда сигФ налы Ul и UÇ равны логическому нулю, а сигналы 02 — логической единице, распределитель импульсов вырабатывает сигналы К2 и К4, равные логической единице, и Kl и KÇ, равные логическому нулю. При данном направлении тока нагрузки нулевая пауза в выходном напряжении инвертора обеспечивается транзистором Т6.4 и диодом Р6.2 (фиг.2п,с)

Далее описанный алгоритм работы силовой схемы инвертора напряжения повторяется.

Из разверток, приведенных на фиг, 2, видно, что средние значения коллекторных токов силовых транзисторов одинаковы, если усреднение проводить за два периода выходного напряжения инвертора. То же можно сказать и о токовой загрузке силовых диодов.

Это достигается за счет того, что в формировании нулевых пауз в выходном напряжении инвертора принимают участие все транзисторы и все диоды силовой схемы при описанной последовательности их работы.

Данный способ позволяет снизить величину токовой нагрузки наиболее загруженных вентилей на величину тока одной нулевой паузы за два периода выходного напряжения инвертора. — 1504766

Таким образом, способ позволяет снизить статические потери мощности, выделяемые в наиболее загруженных по, току вентилях и обусловленные их сопротивлением в открытом состоянии и прямым падением напряжения, что снижает вероятность их отказа и повышает надежность работы инвертора.

Формула и з о б р е т е н и я

Способ управления однофазным мостовым инвертором напряжения с широтно-импульсным регулированием, заключающийся в том, что формируют нулевые паузы в выходном напряжении инвертора путем замыкания тока нагрузки через вентили силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника питания и обеспечивающих О требуемое направление протекания тока нагрузки, и путем изменения длительности укаэанных нулевых пауз осуЭ ществляют регулирование выходного на- - : пряжения инвертора, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения надежности путем равномерной загрузки вентилей силовых ключей инвертора по току, осуществляют замыкание тока нагрузки на первом интервале нулевой паузы выходного напряжения инвертора через одни управляемый и неуправляемый вентили различных силовых ключей инвертора, подключенных к одной шине источника питания, на втором интервале — через другие управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей, на третьем интервале — через одни управляемый и неуправляемый вентили различных ключей, подключенных к другой шине источника питания, а на четвертом интервале — через другие управляемый и неуправляемый вентили тех же ключей, 1504766

1504766

1 504766

Составитель А. Меркулова

Техред М.Ходанич Корректор Т. Палий

Редактор А. Маковская

Заказ 5263/54 Тираж 647 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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