Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное

 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является улучшение качества выходного напряжения при одновременном расширении области использования по COS φ нагрузки. Преобразователь содержит две инверторные ячейки на ключах 3 - 6, питающиеся от двух источников напряжения E<SB POS="POST">1</SB> и E<SB POS="POST">2</SB> с отношением E<SB POS="POST">1</SB> : E<SB POS="POST">2</SB> = 1:1, 14, причем первичные обмотки 11, 12 выходных трансформаторов этих ячеек расположены каждая на своем сердечнике, а вторичная, выполненная с отводами, охватывает оба сердечника. Для получения большего числа возможных комбинаций уровней выходного напряжения, определяющих его качество, используется прием изменения результирующего коэффициента трансформации трансформаторного узла путем ортогонального импульсного подмагничивания сердечников каждого из двух трансформаторов по соответствующему алгоритму, взаимосвязанному с алгоритмом формирования выходного напряжения. 5 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51)5 Н 02 М 7/48

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

3И30В ."й," 3

МЖТГ Т,".,=5RM

E -5.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

И (21) 4626665/24-07 (22) 27.12.88 (46) 15.11.90. Бюл. N 42 (71) Ташкентский политехнический институт им. А.P. Бируни (72) Б.У. Умаров, М.У. Халбаев, Ш.Ш. Шаисламов и А.Л. Халбаева (53) 621.314,572(088.8) (56) Патент ФРГ М 1285054, кл. Н 02 М 7/587, 1968.

Заявка Японии йг 56-53948, кл. Н 02 М 7/48, 1981.

Авторское свидетельство СССР

М 1387149, кл. Н 02 М 7/48, 1987. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ В КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОЕ (57) Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является улучшение качества выходного напряжения

„.,5U„, 1607062 А1 при одновременном расширении области использования по cos p нагрузки, Преобразователь содержит две инверторные ячейки на ключах 3 — 6, питающиеся от двух источников напряжения Е1 и Ег с отношением

Е1;Е2=1:1,14, причем первичные обмотки 11, 12 выходных трансформаторов этих ячеек расположены каждая на своем сердечнике, а вторичная, выполненная с отводами, охватывает оба сердечника. Для получения большего числа возможных комбинаций уровней выходного напряжения, определяющих его качество, используется прием изменения результирующего коэффициента трансформации трансформаторного узла путем ортогонального импульсного подмагничивания сердечников каждого из двух трансформаторов по соответствующему алгоритму, взаимосвязанному с алгоритмом формирования выходного напряжения. 5 ил.

1607062 жения

15

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении различных систем вторичного электропитания во всех тех случаях, когда требуются улучшенные массогабаритные показатели устройства и повышенное качество преобразованной электроэнергии.

Целью изобретения является улучшение качества выходного напряжения при одновременном расширении области использования по cos p нагрузки.

На фиг, 1 приведена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 — конструктивное исполнение трансформаторов преобразователя; на фиг. 3 — векторная диаграмма индукции сердечника трансформатора; на фиг. 5, 4 — временные диаграммы работы и вариант системы управления преобразователя.

Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное содержит источник питания из двух последовательно соединенных секций 1, 2 с напряжениями

Е1, Е . К одному из полюсов секций источника 1, 2 питания подключены объединенные по два одноименные силовые электроды ключей 3 — 6 постоянного тока шунтированные обратными диодами 7 — 10.

Вторые силовые электроды ключей подключены к вторым полюсам секций источника 1, 2 питания через первичные обмотки трансформаторов 11, 12, концы и промежуточные отводы общей вторичной обмотки которых через ключи 13 — 18 переменного тока подключены к одному выходному выводу преобразователя, средняя точка этой обмотки подключена к второму его выходному выводу, кроме того, трансформаторы 11, 12 преобразователя содержат дополнительные управляющие обмотки 19, 20 ортогональные ко всем упомянутым обмоткам, подключаемым к источнику питания Е через вспомогательные ключи 21, 22, снабженными демпфирующими цепочками обратный диод — сопротивление 23-26. Необходимую последовательность всех управляющих импульсов Зз, $4...Sn вырабатывает система

27 управления.

На временных диаграммах, поясняющих принцип действия преобразователя, приняты следующие обозначения (фиг. 4):

U1>,12 — напряжения с выхода первичных обмоток трансформаторов 11,. 12; U>g що— напряжения с выхода дополнительных управляющих обмоток 19, 20; U>s-U >a — управляющие сигналы на ключи 13 — 18 переменного тока; UH — сигнал полупериода выходного напряжения преобразователя.

Преобразователь работает следующим образом.

На интервале времени т — т поочередно включают ключи 3, 4 постоянного тока от источника питания Е, на первичных обмотках трансформатора 11 наводится напряжение U> > (фиг, 4), ключами 15, 16 переменного тока формируют ступень выходного напряДля устранения влияния обмоток неработающего трансформатора 12 на этом же интервале времени на управляющую обмотку 20 подается импульс тока, который вводит сердечник данного трансформатора в насыщение, Конструктивное исполнение трансформатора в 12 (11) показано на фиг. 2.

B качестве сердечников взяты броневые ферритовые магнитопроводы, состоящие из двух чашек, Управляющие обмотки 20 (19) намотаны на шпульку и уложены в кольцевой паз чашек. Силовые первичные обмотки трансформаторов 12 (11) наносятся на склеенный чашечный сердечник, как на тор. Общая вторичная обмотка охватывает оба магнитопровода и наносится также, как на тор, Эти две группы обмоток создают магнитные поля, индукции В> и Вх которых ортогональны в любой точке магнитопровода.

Протекающий по первичным обмоткам трансформаторов 12 (11) намагничивающий ток создает индукцию В, а ток, протекающий по управляющим обмоткам 20 (19), Ву. Причем r силовых обмоток выбирают из расчета, что даже при максимальном намагничивающем токе сердечники не насыщаются. Зато I управляющих обмоток должны даже при отсутствии намагничивающего тока доводить индукцию се дечников до Bs, а в общем случае в = в,+в„

2 2

При насыщенном сердечнике магнитная связь между первичными обмотками трансформатора 12 и вторичной обмоткой исчезает, так как в насыщенном режиме изменение тока вторичной обмотки практически не изменяет поток сердечника насыщающегося трансформатора.

На интервале времени тв — tg поочередно включают ключи 5, 6 постоянного тока от источника питания Ег, продолжая поочередное включение ключей 3, 4, на обмотках трансформатора 12 также наводится напряжение U>z с частотой, кратной частоте выходного напряжения, на вторичной обмотке трансформаторов 11, 12 напряжения U11 и U12 суммируются, ключами 15, 16 переменного тока формируют вторую степень выходного напряжения UH (фиг, 4). Уп1607062 равляющий импульс с обмотки 20 на этом интервале времени снимают.

На интервале времени tg — о1з ключи 5, 6 отключают, продолжая поочередное включение ключей 3, 4 постоянного тока. На обмотку 20 снова подают импульс тока, насыщающий сердечник трансформатора

12. Третью ступень выходного напряжения формируют уже ключами 14, 17 переменного тока, подключенным к отводам вторичной обмотки с большим числом витков. Четвертую ступень выходного напряжения формируют ключами 14, 17 переменного тока на интервале времени t13 — t17, включая поочередно ключи 5, 6 постоянного тока, отключив при этом ключи 3, 4. Для устранения влияния обмоток неработающего трансформатора 11 на атом интервале подают импульс тока в управляющую ортогональную обмотку 19 (фиг, 4), с обмотки 20 импульс снимают. Физика процесса аналогична описанному.

Пятую и шестую ступени выходного напряжения формируют ключами 13, 18 переменного тока, подключенных к отводам вторичной обмотки с наибольшим числом витков. На интервале времени t17-t21 поочередно включают ключи 3, 4 постоянного тока от источника питания Е1, формируется пятая ступень. Подан управляющий импульс на ключ 22, введен в насыщение сердечник трансформатора 12, на интервале времени 121 — t29 включают ключи 5, 6, ключи

3, 4 отключены, Подан управляющий импульс на ключ 21, введен в насыщение сердечник трансформатора 11. Формируется шестая ступень выходного напряжения (фиг, 4).

Спадающую часть полупериода выходного напряжения формируют включением, отключением ключей в обратной последовательности. Отрицательную полуволну выходного напряжения формируют аналогично, используя обратные ветви ключей 13 — 18 переменного тока. Для максимального приближения к синусоидальному шестая ступень выходного напряжения имеет двойную длительность, а на интервале введена нулевая ступень.

Необходимую последовательность управляющих импульсов вырабатывает система 27 управления. (вариант реализации которой показан на фиг. 5), состоящая из последовательно связанных между собой задающего генератора 28 с парафазным выходом а, а, распределителя 29 импульсов на

12 КаНаЛОВ, С ВЫХОдаМИ Ро, P1...P12; ПЕРВОГО логического блока 30, формирующего управляющие импульсы для ключей 3-6 постоянного тока по выражениям, полученным согласно временным диаграммам работы преобразователя (фиг. 4):

$з=а Р Р2РзР5Р8Р !оР11Р12, 5

$4=a Р1Р2РзР5Р8Р10Р11Р12

$5=а Р2Р4РбР7Р9Р11

10 $6=а P2P4P6P7P9P11 второго логического блока 31, формирующего импульсы для ключей 13 — 18 переменного тока по выражениям:

$15=3 Р1 Р2 Р 1Р !2, $16=a Р1Р2 Р ! Р !2

20 $14=а Рзр4Р9Р10, $17=8 Рз Р4 Р9 Р 10, $13=8 Р5Р6Р7Р8, 25

$18=а Р5Р6Р7Р8. третьего логического блока (32), формирующего импульсы к вспомогательным ключам

30 21, 22 по выражениям:

$21=РоР4РбР7Р9, $22=РоР1Р5Р8Р10Р12.

Вариант вспомогательных ключей 21, 22 для подключения управляющих обмоток

19, 20 к источнику Е представлен на фиг, 5, позиция 32. Сопротивления 24, 26 служат

40 для уменьшения постоянной цепи включения t =L/R и совместно с диодами 23, 25 для гашения обратного выброса напряжения при отключении ключей 21, 22, 45 Для оценки частотного диапазона работоспособности приведем пример расчета цепи управления для трансформаторов на броневых сердечниках типа Б-48 из феррита марки 2000 НМ1. Его основные пара50 метры: B> — 0,37 тл, р экв=200 (с учетом зазора 0,25 мм)„и =2000,ио =4 . 10 $эфф=

=1,746 см, dcp=1,95 см, 1эфф=6,88 см..

Определим напряженность поля, при котором происходит насыщение сердечни55

В 0,37

2000 4 3,14 10

= 147,29 А/м.

1607062

Определим ампер-витки обмотки управления для насыщения сердечника:

Н = 147,29 0,068 =I:yyó, эфф

lywy 10 А-в, задается 1у=0,5 А, wy.-=20 в, Определим величину индуктивности обмотки управления (20,19):

2 200 4. 10 17 10

2 10 х 400=271,19 р Гн

Оценим, постоянную цепи обмотки управления: т = 1./й, зададим R=100 Ом, тогда

272 мкГн

100 0 2,72 мкс

По форме UH имеем шесть ступеней (фиг. 4) — одну нулевую и двойную шестую— всего полупериод делится на 13 интервалов, следовательно, на один интервал (ступень) при г=50 Гц — 1000 Гц приходится T=769 мкс—

78,45 мкс, что значительно больше постоянной цепи обмотки управления г. Т.о. в этом диапазоне частот преобразователь работоспособен. При f=5 кГц уже Т=7,69 мкс, поэтому здесь необходимо будет либо уменьшатыиу, но увеличивать при этом ток обмотки, либо увеличивать R, что не><елательно, Определим напряжение источника питания

E=ly R=0,5 А 100 Ом=50 B.

Таким образом, преобразователь работоспособен в диапазоне частот 50-1000 Гц, на более высоких частотах схема теряет свои достоинства, так как необходимо увеличить ток обмотки управления, т.е, применять уже более мощные ключи в цепи управления, соизмеряемые по мощности с ключами силовой схемы.

Предлагаемый преобразователь позволяет расширить область использования по

cos p нагрузки за счет возможности работы на,активно-индуктивную нагрузку, Наличие обратных диодов 7-10 при каждом ключе постоянного тока, совмещение инвертирующего блока с формирователем уровней входного напряжения создает контуры для протекания обратных токов (первичные об. мотки трансформаторов 11, 12 — обратные диоды 7- 10 — источники питания 1, 2), Следует отметить, что простое подключение обратных диодов к ключам постоянного тока в прототипе не приводит к возможности работы на активно-индуктивную нагрузку.

Предлагаемый преобразователь поэво5 ляет сформировать семиступенчатое (с учетом нулевой ступени) выходное напряжение с улучшенным качеством выходного напряжения относительно прототипа, Соотношения уровней секций источника питания и

10 чисел витков трансформатора, создание нулевой (то-ti) и двоичной ступени (121 — щ) выходного напряжения выбираются из условия максимального исключения гармоник близких к основной. Так, для семиступенча15 той кривой выходного напряжения с нулевой ступенью (фиг. 4) амплитуды ступеней должны быть равны (при амплитуде аппроксимируемой синусоиды Urn=10):

0=-0

20 02=0>sin 13,84=2,15, 0з=0п,.sin 27,7=4,21, U<=Umsin 41,5=6,07, 05=0щяп 55,3=7,64, Ug=Umsin 69,2=8,85, 25 U7=Umsin 83,10=9,65, Исходя иэ этих уровней соотношения амплитуд ступеней должны быть равны

1:1,95:2,82:3,55:4,11:4,48, следовательно, при уровне ЭДС источника Е, равного, допу30 стим, 2,2, соотношения чисел витков вторичной обмотки трансформаторов будут равны

1:3,2:3,99, Уровень ЭДС секции источника

Ez должен быть равен по отношению к ЭДС источника Е1:2,5, т.е, их сумма дает 4,7, 35 Коэффициент гармоник такого напряжения порядка 7,3%, т.е, качество выходного напряжения предлагаемого преобразователя улучшена по отношению к прототипу почти на 25%.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в квазисинусоидальное, содержащий

45 основную инверторную ячейку на ключах с управляющими входами $з, Sa, шинами питания подключаемую к источнику питания с напряжением Ei и выходом нагруженную на первичную обмотку первого однофазного

50 трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена с делящим ее на две полуобмотки средним отводом, образующим первый выходной вывод и с тремя промежуточными отводами, делящими на три сек55 ции, симметрично по числу витков расположенными в обе стороны от средней точки, причем концы обмоток и укаэанные отводы через ключи переменного тока с управляющими входами 51з-Зщ подключены к второму выходному выводу преобраэова10

1607062

S16=a Р1Р2Р11Р12

$21=P Р4РвРтРв, 522=Ро Р1РЗР5Р8Р10Р12.

Фиг.3. теля, а также систему управления, включающую последовательно связанные между собой задающий генератор с парафазным выходом а, а, распределитель импульсов с выходами Р1, Р2...Р12, первый логический блок, формирующий управляющие импульсы для ключей упомянутой инверторной ячейки, и второй логический блок, формирующий импульсы для упомянутых ключей переменного тока, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения при одновременном расширении области использования по cos р нагрузки, он снабжен дополнительной, аналогично выполненной, инверторной ячейкой на ключах с управляющими входами S5, S6, шинами питания подключенной к источнику питания с напряжением Е2 и нагруженную на первичную обмотку введенного второго однофазного трансформатора, упомянутая вторичная обмотка выполнена одновременно охватывающей два стержня магнитопроводов первого и второго трансформаторов, причем оба трансформатора снабжены дополнительными управляющими обмотками, ортогонально расположенными по отношению ко всем упомянутым, через вспомогательные ключи с управляющими входами S21, S22, подключаемыми к источнику питания Е, система управления снабжена третьим логическим блоком для управления вспомогательными ключами, первый, второй и третий логические блоки выполнены реализующими следующие выражения:

$Э=Э Р1Р2РЗР5РВР10Р11Р12, 5 S4=a . Р1Р2РЗР5РВР10Р11Р12, S5=8 Р2Р4Р6Р7Р9Р11

36=а Р2Р4Р6Р7Р9Р11

$12=а РвРвРтРа, Я14=а РзР4Р9Р10, 15 $1в=а Р1Р2Р11Р12, 517=а РЗР4Р9Р10, 20

$1в=а РвРвРтРв. а число витков трех секций каждой иэ двух полуобмоток вторичной обмотки, на которые их делят промежуточные отводы, выби- $

30 рают из соотношения 1:3, 2:3,9 при отсчете от средней точки и напряжения первого и второго источников выбирают из соотношения Е1;Е2=1:1,14.

1607062

«гг !

I

l

t ai

«I

I б

i з!

Фиг.4.

t 3

t 4

Р

)Р

Заказ 3554 Тираж 500 !подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Г

i30

5

1

t з 1 Ф

Р

1Ф

Составитель Г.Мыцик

Редактор О,Спесивых Техред M.Ìîðãåèòàë Корректор О,Кравцова

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

1

I

I !