Преобразователь @ -фазного переменного напряжения

 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является снижение массогабаритных показателей за счет использования предложенного алгоритма управления. - Устройство содержит три модулятора 3-5, выполненных по мостовой схеме на ключах с двухсторонней проводимостью , выходы которых через трансформаторы 18-20 подключены к входу демодулятора 21. Трансформаторы работают на промежуточной высокой частоте. Блок управление реализует принцип многозонной модуляпич в модуляторах 3-5 и подавление с помощью отрицательной обратной связи указанных пульсаций. 4 ил. Ј

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК (19} (!1) 77 А1 (5))5 Н 02 М 5/27

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

Н AST0PCH0MY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 .(21) 4339090/07 (22) 08.12.87 (46) 30.03.91. Бюл, У 12 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроникии (72) Г.Я.Михальченко и И.В.Колпаков (S3) 621 . 314. 27 (088. 8) (56) Авторское свидетельство СССР

Р 1141533, кл. Н 02 М 3/355, 1985 °

Авторское свидетельство СССР

У 843134, кл. Н 02 М 5/27, !980.

Авторское свидетельство СССР

У 1394370, кл, Н 02 M 5/27, 1985. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ m-ФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к силовой преобразовательной технике. Целью является снижение массогабаритных показателей за счет использования предложенного алгоритма управления.

Устройство содержит три модулятора 3-5, выполненных по мостовой схеме на ключах с двухсторонней проводимостью, выходы которых через трансформаторы !8-20 подключены к входу демодулятора 21. Трансформаторы работают на промежуточной высокой частоте. Блок управления реализует принцип многозонной модулявнн в модуляторах 3-5 и подавление с помощью отрицательной обратной .связи указанных пульсаций. 4 ил.

1638777

Изобретение. относится к преобразовательной технике, в частности к технике преобразования переменного напряжения, и может быть использовано в быстродействующих регуляторах напряжения в качестве электронного аналога электромашинного усилителя,реверсивных электроприводах, модуляторах напряжения, усилителях сигналов .низкой частоты, в устройствах ввода и вывода энергии в реактивные накопители, Цель изобретения — снижение массогабаритных показателей.

На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя; на фиг.2—

4 — временные диаграммы era работы.

Преобразователь m-фазного переменного напряжения (фиг.1) содержит входной 1 и выходной 2 фильтры, m инверторных ячеек 3-5 на полностью управляемых ключах 6-17 с двусторонней проводимостью, в выходной диа. гонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов 18-20, а другими диагоналями инверторные ячейки через входной фильтр 1 соединены с питающей сетью.

Вторичные обмотки высокочастотных трансформаторов последовательно подключены к входу демодулятора 21 на полностью управляемых ключах 22-25 с двусторонней проводимостью, выходом через выходной фильтр 2 связанного с выходными выводами. Блок управления образуют задающий генератор 26, логический узел 27, выходы которых через 2m узлов 28 развязки соединены с управляющими входами ключей

6-17 инверторных ячеек 3-5, а выход задающего генератора 26 через узел

28 развязки связан с управляющими входами ключей 22-25 демодулятора

21, 2m фазосдвигающих узлов 29-34 с отстающими (29, 31 и 33) и опережающими (30, 32 и 34) углами, а также

m-канальный распределитель 35 импульсов, синхронизированный с питающей сетью и имеющий частоту выходных импульсов, равную частоте сети. Фазосдвигающие узлы 29-34 имеют управляющие и тактирующие входы каждой пары и тактирующие входы, причем, управляющие входы каждой пары (29, 30; . 31,32; 33,34) фазосдвигающих узлов через .соответствующие пороговые эле.менты 36 — 38 подключены к выходу сумматора, Я, а тактирующие входы

5

40 объединены и подключены к задающему генератору 26. Один из входов сумматора ",, подключен к управляющему входу преобразователя, а второи вход соединен с выходом делителя напряжения RA, Логический узел 27 выполнен в виде ш групп из двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮП1ЕЕ ИЛИ 39, 40;

41 42; 43,44, первые входы которых объединены и подключены к соответствующему для каждой из m групп выходу

m-канального распределителя 35 импульсов, причем вторые входы первых логических элементов ИСКЛЮЧАШЕЕ ИЛИ

39,41 и 43 каждой из m групп соединены с выходами соответствующих фазосдвигающих узлов 29, 31 и 33 с отстающими углами, а вторые входы вторых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ

ИЛИ 40, 42.и 44 каждой из m групп соединены с выходами соответствующих фазосдвигающих .узлов 30, 32 и 34 с опережающими углами.

Фазосдвигающими узлы 29(30),31(32) и 33(34) с регулируемыми углами задержки и опережения содержат последовательно соединенные генератор развертывающего напряжения 45(46), компаратор 47(48) и двухвходовый логичес-. кий элемент ИСКЛЮЧАЮШЕЕ ИЛИ 49(501, выход которого образует выход Фазосдвигающего узла 29(30) (аналогично для фазосдвигающих узлов 31,32;.33, 34). Входы генераторов 45(46) развертывающего напряжения всех фазосдвигающих узлов 29-34 объединены между собой и с первыми входами логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

49(50) всех фазосдвигающих узлов

29-34 и образуют тактовый вход фазо .сдвигающих узлов 29-34. Выходы 45(46) генераторов развертывающих напряже ний соединены с первыми входами компараторов 47(48}, вторые входы которых объединены (аналогично для фазосдвигающих узлов 31 32; 33,34) и через пороговый элемент 36 (соответственно через пороговые элементы

37 и 33} подключены к управляющему входу преобразователя. Выходы компараторов 47(48) соединены с вторыми входами логических ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ

49(50).

Каждый канал m-канального распределителя 35 импульсов. выполнен в ви" де понижающего трансформатора напря- . жения, вторичная дбмотка которого подключена к одному из входов компа1638777

55 ратора, второй вход которого соединен с источником опорного напряжения, равным нулю (заземлен).

На фиг. 2 и 3 обозначено: 51

53 — трехфазная система входного переменного напряжения преобразователя; 54 — выходное напряжение задающего генератора 26; 55 — напряжение ошибки, подаваемое на управляющие входы фаэосдвигающих узлов 29—

34 через пороговые элементы 36-38;

56 и 57 — выходные напряжения генераторов 45 и 46 развертываницих напряжений соответственно (аналогичны напряжения для генераторов развертывающих напряжений других пар фазосдвигающих узлов 31-34); 58-60 — синхронизирующие напряжения на выходе ш-канального распределителя 35 импульсов, фазы которого совпадают с соответствующими фазами 51-53 входного напряжения; 61-66 — напряжения на выходах логического узла 27; 67-69— напряжения, действующие на обмотках трансформаторов 18 — 20; 70 — выходное напряжение демодулятора 21,соответствующее управляющему сигналу 55;

71--73 — напряжения на выходе демодулятора 21 при различной глубине регулирования; 74 — ток через демодулятор 21; 75 — 77 — токи, потребляемые преобразователем из входной цепи,соответствующие сигналу 55 управления.

На фиг.4 обозначено: 78 — напряжение ошибки, подаваемое на управляющие входы фазосдвигающих узлов 29—

1 34 через пороговые элементы 36-38 (приближенное к реальной форме); 79— развертывающее напряжение, соответствующее инвертору, работающему в нижнем диапазоне регулирования; 80 —,,: выходное напряжение задающего генератора 26; 81 — выходное напряжение демодулятора 21, соо гветствующее управляющему напряжению 78 ошибки.

Преобразователь работает следующим образом.

Входное ш-фазисе напряжение 51-53 (фнг.2) поступает на входные выводы инверторных ячеек 3-5 (фиг.l), алгоритм замыкания ключей 6-17 которых определяется управляющим напряжением

55 преобразователя.

Задающий генератор 26 формирует напряжение 54, моменты смены поляр-. ности которого являются тактирующими для генераторов 45 и 46 развертывающих напряжений, причем. выходное нап5 !

О

40 ряжение 56 генератора 46 представляет собой линейно падающее, а напряжение 57 генератора 45 — линейно нарастающее. Работа фазосдвигающих узлов 29-34 с регулируемыми углами задержки М и опережения 3 анало1-Г гична, поэтому рассмотрим работу фазосдвигающих узлов 29 и 30. Предположим, что напряжение ошибки имеет форму 55 (фиг.2), тогда на участке времени большей амплитуды развертывающих напряжений 56 и 57 уровень выходного напряжения компаратора 47 и 48 соответствует уровню логического нуля и на выходе логических элементов ИСКЛ!ПЧАЮЩЕЕ ИЛИ 49 и 50 действует напряжение, совпадающее по фазе с напряжением 54 задающего 26 генератора, которое подается на вторые входы логических элементов ИСКЛЮЧАЮIHEE ИЛИ 39 и 40, диаграмма состояний которых известна:

Вход 1 Вход 2 Выход

0 0 0

0 1 1

1 0 1

1 1 0

Углы регулирования М и /5 в таком режиме максимальны и равйы полупериоду напряжения повышенной частоты (g p = 1 = а) . На первых вхо1-! дах логических элементов ИСКЛ1ОЧАЮ!АТЕЕ

ИЛИ 39 и 40 действует напряжение 58

m-канального распределителя 35 импульсов, полученное из входного напряжения 51 пороговым элементом, например компаратором. На первых попарно объединенных входах логических элементов 41-44 действуют напряжения соответствующей фазы. Ita выходах логических элементов 39 и 40 действуют однополярные напряжения б! и 62, которые узлами 28 развязки преобраэуются в разноцолярные напряжения.Ана-.: логично на выходах других логических элементов ИСКЛ10ЧАЮЩЕЕ ИЛИ 41-44 в промежуток времени формируются напряжения 63 - 66 соответственно. Положительные полуволны напряжений

61-66 соответствуют замкнутому состоянию ключей 6,9,10,13,14 и 1.7 соответственно, а уровень логического нуля этих напряжений — замкнутому состоянию ключей 7,8,11,12, 15 и,! 6 инверторных ячеек 3-5 (фиг. 1), Таким образом, до момента времени t алгоритм замыкания ключей инверторных ячеек не изменяется (в частности,для

1638777

35

+ cos(03t + 60 ) + cos(tQt бО )) ЙЯ П х пЫ

x cosgtdgt = — — U б л И п

6-Г2 — — — -U 27U о Э Р Э Р

45 где среднее значение выкодного напряжения на интервале времени;

U - максимальное значение напря3Ч жения сети;

U.q>- эффективное значение.

Коэффициент пульсаций напряжения

71 на выходе демодулятора 21

AI A1

К „— — — — — — - 0,07, (2)

Up(2,7Ugg инверторной ячейки .3 одновременно замкнуты ключи 6 и 9, затем 7 и 8 и т.д. в соответствии с диаграммами

61 и 62) и напряжение 51 преобразу5 ется в высокочастотное напряжение 67, напряжение 52 — в напряжение 68 и напряжение 53 - в напряжение 69.Поскольку вторичные обмотки трансформаторов 13-20 соединены последователь-,10

1но, то на входе демодулятора 21 действует высокочастотное напряжение, равное сумме напряжения 67 — 69.Ключи 22-25 демодулятора 21 замыкаются в соответствии с напряжением 54 так, 15 что положительная полуволна этого напряжения соответствует замкнутому состоянию ключей 22 и 25, а уровень логического нуля — замкнутому состоянию ключей 23 и 24, преобразуя сум- 20 марное высокочастотное напряжение в выпрямленное напряжение 70, под действием которого в нагрузке протекает ток 74. Огибающая амплитуда

-. выпрямленного напряжения в интервале времени t -t < (для наглядности продолженная пунктиром 71) имеет пульсацию с частотой ЗОО Гц и может быть записана как сумма гармонических колебаний по модулю.

Принимая о"/2 за начало отсчета .для напряжения 71 на интервале повторяемости,среднее значение выходного напряжения демодулятора 21 можно представить в следующем виде

М6 .U =- —" U rco t+ Г

>l6 (3) где f (t) — функция прямоугольного синуса с полупериодом а высокой частоты, Ключами инверторных ячеек 3-5 этоФ ток преобразуется в прямоугольный потребляемый ток 75-77. Так как у (t)

1 (t) - к () = нотр = К тр а и то — — f„(t)

Хтр у,. А (4) где х (t) — функция прямоугольного

A синуса с полупериодом

А, равным полупериоду входного напряжения;

Кт — коэффициент трансформации трансформаторов

18-20.

Алгоритм управления инверторными ячейками 3-5 построен так, что регулирование осуществляется поочередно каждым из инверторов 3-5 в соответствии с уровнем напряжения 55 ошибки, которое через пороговые элементы 36-38 подается на управляющие входы соответствующих фазосдвигающих узлов 29 30 31-32 или 33,34.

С момента времени t < напряжение

55 ошибки начинает уменьшаться,это соответствует изменению управляющего сигнала на входах фазосдвигающих узлов 29 и 30, в то время как управляющие сигналы для инверторных ячеек 4 и 5 остаются неизменными и алгоритм замыкания ключей 10-17 этих ячеек также остается неизменным.Как только напряжение 55 ошибки становится соизмеримым с напряжением 56 и 57, начинают изменяться фазы выходных напряжений 61 и 62. Углы регулирования М и P становятся меньше полупериода напряжения повышенной частоты и непрерывно изменяются до где А — амплитуда первой гармоники.

Постоянный ток нагрузки Ig (74, фиг.3) в интервале и -t, преобразуется демодулятором 21, и по обмоткам трансформаторов 18-20 протекает высокочастотный ток

1638777 момента времени t начиная с которого фр и (р становится равными а/2, а фазы напряжений 61 и 62 находятся в противофазе между собой.

В интервале времени Г1-t алгоритмы и замыкания ключей 6 — 9 инверторной ячейки 3 непрерывно изменяются (при каждой смене полярности любого из напряжений 61 и 62) так, что одновременно замкнуты ключи 6,9-9,7-7,88,6-6,9-9,7-7,8-8,6-6,9-9,7, Этот алгоритм переключения ключей 6-9 приводит к плавному регулированию напряжения 66. При t < ) t < одновременно замкнуты ключи 6,8 и 7,9, а это приводит к закорачиванию первичной обмотки трансформатора 19,поэтому напряжение 67 с этого момента становится равным нулю, Таким образом, на следующем интервале времени t>-t 4 на входе демодулятора 21 действует напряжение, равное сумме напряжений 68 и 69, после выпрямления которого получают напряжение 72. Среднее значение этого выпрямленного напряжения можно определить на периоде в повторяемости

« р с л П зг-п{г)г. + с гг о

+ sin(03t — 60 ) dGlt

1 5

Il

= --+-- U>. f sinQtdh3t

3 3 12

U = -- †-- ° U . (5) р пг л

Il где U — среднее значение выходного н апряж ения н а инт ерв ал е

Времени t<-t .

Коэффициент пульсаций этого напряжения

К1 = 0,453. (6)

Для известного устройства при таком же уровне выходного напряжения К„= l 25, На следующем интервале времени и -t начинает уменьшаться управляют щий сигнал для фазосдвигающих узлов

31 и 32, который формирует последовательности напряжений 63 и 64, определяющие работу ключей 10-13 инверторной ячейки 4 (фиг.l).

Изменение углов .регулирования М р и Р г от а до а/2 и алгоритм замыкания ключей 10-13 инверторной ячейки

4 аналогичны описанным для процесса регулирования, осуществляемого инверторной ячейкой 3.

На следующем промежутке времени

ty-t 6- напряжение 73 на выходе демодулятора 21 представляет собой выпрямленное напряжение 69. В этом случае среднее значение выпрямленного

1р напряжения на интервале времени -С г

«

U = — -- U ° singt сИС

CP «J м о

2 2Г2

Ц т» Ц (7)

15 Я пг «Ч а коэффициент пульсаций (8) и для известного устройства

К, = 1,62.

Процессы, протекающие в промежутке времени С -t6e аналогичны процессам на временных интервалах и t -t < и определяются напряжением

55 ошибки, в результате чего на следующем этапе при t> t< выпрямленное напряжение равно нулю.

Дальнейшее уменьшение управляюще30 го напряжения U « позволяет реализовать реверс выходного выпрямленного напряжения, алгоритм осуществления которого представляет последовательное реверсивное включение инверторных ячеек 3-5, при этом углы задержки 0(р и опережения Р изменяются от а/2 до О, причем при 5 = (О последовательности напряжении, например, 61 и 62 находятся в фазе

40 между собой и в противофазе с напряжением 54 задающего генератора 26, Алгоритм работы ключей демодулятора

2i при этом не изменяется, одновременно замыкаются ключи 22 и 25, затем

45 ключи 23 и 24 и т,д., поэтому на выходе демодулятора напряжение автоматически реверсируется °

Использование системы автоматичес"

50 кого регулирования по отклонению удобно показать в нижнем диапазоне регулирования, а именно на участке времени t4-t< Для наглядности напряжение ошибки рассматривают как участ55 :ки прямых 55 (фиг,2), в условиях приближенных к реальным, напряжение ошибки имеет форму 78 (фиг.4), при этом алгоритм замыкания ключей инверторных ячеек и демодулятора аналоi! !6 гичен описанному, а напряжение на выходе имеет форму 8!.

Таким образом, в преобразователе ш-фазного переменного напряжения снижены массогабаритные показатели за счет снижения массы и габаритов фильтров, так как величина коэффици-. ента пульсаций в зависимости от глубины регулирования выходного напряжения уменьшается в 2-3 раза. Это обеспечивается предлагаемым алгоритмом управления ключами инверторных ячеек, и, как следствие, введением дополнитальных узлов в блок управления.

Кроме того, по мере снижения выходного напряжения в процессе регулирования снижается частота пульсаций, обусловленная пульсациями сети,что в замкнутой системе регулирования сопровождается ростом петлевого коэффициента усиления на этой частоте и приводит к повышению степени подавления этих пульсаций контуром регулирования.

Предлагаемый преобразователь по сравнению с известным позволяет на

20".ЗОХ снизить массу и габариты устройства sB счет двукратного снижения массы фильтров.

Ф .о ..р м у л а и з о б р е т е н и я

Преобразователь m-фазного переменного напряжения, .содержащий входной и выходной фильтры, ш инверторных ячеек на полностью управляемых ключах с. двусторонн и провбдимостью, в выходной диагонали которых включены первичные обмотки высокочастотных трансформаторов, а вторичные обмотки! соединены последовательно и подключены к входу демодулятора на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, выходом через выходной фильтр связанного с выход38777,! 2 ными выводами, и блок управления, 1включакщий в себя задающий генера тор, 2m+! узлов развязки, логический узел,- два фазосдвигающих узла с от.. стающим и опережающим углами и mканальный распределитель импульсов, связанный с входными выводами преобразователя, выходы логического уз-!

ð ла через 2m узлов развязки соединены с управляющими входами ключей инверторных ячеек, а выход задающего генератора через узел развязки связан с управляющими входами ключей демодулятора, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью снижения массогабаритных показателей, к выходным выводам подключен делитель напряжения, в блок управления дополнитель20 но введены ш пороговых элементов,сумматор, 2m-2 фазосдвигающих узлов с отстающим и опережающим углами,тактирующие входы которых подключены к задающему генератору, а управляющие

25 входы соответствующих пар фазосдвигающих узлов через пороговые элементы подключены к выходу сумматора, один из входов которого подключен к управляющему входу преобразователя, а дру3р гой вход соединен с выходом делителя напряжения, причем логический узел выполнен в виде m групп из двух логических элементов ИСКЛЮЧАЮИЕЕ ИЛИ, первые входы которых объединены и

35 подключены к соответствующему для каждой из ш групп выходу ш-канального распределителя импульсов, вторые входы первых логических элементов

ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ каждой из m групп

4р соединены с выходами соответствующих фазосдвигающих узлов с отстающими углами, а вторые входы вторых логических элементов ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ каждой из m групп соединены с выхода45 ми соответствующих фазосдвигающих узлов с опережающими углами.!

638777

1638777

Составитель Г.Мыцык

Редактор А.Огар Техред.С.Мигунова Корректор Н.Ревская

Заказ 932 Тираж 381 . . Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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