Преобразователь с многофазной широтноимпульсной модуляцией

 

„„5M„„1793523 А1

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (я)з Н 02 М 7/48

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4914385/07 . ные диоды. Блок управления преобразова(22) 27.02.91 ... телем содержит задатчик частоты, много(46) 07,02.93. Бюл. hb5 фаэный модулятор ширины импульсов.. (71) Московский энергетический институт и Вариант выполнения многофазного модуляМосковский текстильный институт торашириныимпульсовсодержитдваделиим,А.Н.Косыгина -: теля частоты, два регистра сдвига, на угол (72) В.В.Михеев, Г.С.Мыцык, Л.Е,Смольни- 2 n/m, m формирователей модулированных ков, А.В.Чесноков, И.А.Войтович и А.M.Се- по длительности импульсных сигналов, леэнев ..... сдвинутых на угол 2 л/т на несущей или (56) Моин В.С. Стабилизированные транзи- кратной ей частоте, трехканальный регистр сторные преобразователи, M. Энергоато- сдвига сигналов выходной частоты и в фор- миздат, 1986, 376 с., рис. 6.4e, ", мирователей противотактных сигналов

Авторское свидетельство СССР: ф ф. Улучшение качества выходного на-

N 381144, кл. Н 02 М 7/48, 15.05.73. - пряжения преобразователя достигается за (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С МНОГОФАЗ- счет взаимной компенсации некоторых выНОЙ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯ- сших гармоник в напряжениях каждого из m

ЦИЕЙ . : -..... каналов, 1 з.п.ф-лы, 3 ил. (57) Преобразователь содержит m+1 полумост силовых транзисторных ключей, обратИзобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано в системах электропитания различного назначения для преобразования постоянного напряжения в переменное квазисинусоидальное напряжение.

Известен преобразователь, обеспечивающий формирование ступенчатого квазисинусоидального напряжения. Данный инвертор выполнен по мостовой схеме в виде трех стоек ключей, точки соединения которых подключены к двум первичным полуобмоткам выходного трансформатора.

Две стойки ключей выполнены на транзисторах, шунтированных обратными диодами, а третья — на полностью управляемых веюЪ V ключах переменного тока. Выходное напря- о жение имеет форму двухступенчатой кривой с нулевой паузой. При равенстве амплитуд ступеней и оптимальных значениях их длительнбстей. когда тпауэы = т1ст = 0.15 л, коэффициент гармоник выходного Од напряжения Кг = 0,164.

Недостатком этого решения является сложность силовой части преобразователя, в состав которого входят noëíoñòüþ управляемые ключи переменного тока, а также наличие силового трансформатора, работающего на выходной частоте и рассчитанного на полную мощность.

Наиболее близок к предлагаемому преобразователь, который выбран за прототип.

Он выполнен по полумостовой схеме, либо

1793523 с выводом от средней точки источника питания, либо с емкостным делителем напряжения, точка соединения входных конденсаторов которого образует искусственный вывод среднего потенциала источника питания. Преобразователь содержит

m пар последовательно включенных между шинами источника питания ключей, зашунтированных обратными диодами, Средние точки m пар ключей подключены к m обмот- "О кам, расположенным на стержнях в-стержневого магнитопровода, свободные концы которых объединены и образуют второй вывод преобразователя, Ключи каждой стойки переключаются в противотакте в соответст- 15 вии с сигналами @ иф по законудвухпопярной широтно-импульсной модуляции. Дпя реализации такого закона коммутации преобразователь должен быть снабжен блоком управления, включающим задатчик выход- 2О ной частоты, а также задатчик несущей или кратной ей частоты и модулятор ширины импульсов, формирующий m пар сигналов управления ф и ф, Упомянутые сигналы формируют сдвинутыми между собой на не- 25 сущей частоте ШИМ на угол 2 л/m.

Недостатками такого преобразователя являются сравнительно невысокое качество выходного напряжения, определяемое используемым здесь способом двухполярной 3О

ШИМ, а также некоторая сложность применения преобразователя, обусловленная не- . . обходимостью использовать специальный источник питания со средней точкой или возникающее ухудшение массо-габаритных 35 показателей из-за наличия двух входных электролитических конденсаторов, рассчитанных на полный ток преобразователя, Цель изобретения — повышение качества выходного напряжения за счет снижения его искажений и расширение области использования преобразователя за счет отказа от применения специального источника пйтания со средней точкой.

Для достижения поставленной цели 45 предлагаемый преобразователь, как и изве- . стный, выполнен содержащим m основных пар последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов (полумостов), зашунтированных обратными дио- 5О дами. Точки соединения всех m nap ключевых элементов через m обмоток, расположенных на стержнях m-стержневого магнитопровода, подключены к одному выходному выводу преобразователя, Блок уп- 55 равления ключами включает в себя задатчик выходной частоты преобразователя и последовательно связанные между собой задатчик несущей или кратной ей частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, выходами подключенный к управляющим входам соответствующих ключевых элементов и обеспечивающий формирование п1 пар противотактных сигналов ф и ф последовательно сдвинутых между собой на несущей частоте широтно-импульсной модуляций на угол 2л/m, где m >2, В отличие от известного предложенный преобразователь снабжен дополнительной парой последовательно включенных между шинами питания и зашунтированных обратными диодами ключей, точка соединения которых образует второй выходной вывод преобразователя, Задатчик выходной частоты преобразователя выполнен с парафазными выходами Q, Q, которые связаны с управляющими входами соответствующих ключей дополнительной пары.

Один из возможных вариантов выполнения вышеупомянутого многофаэного модулятора ширины импульсов содержит два делителя частоты с коэффициентами деления, отличающимися на единицу, два регистра сд в и га на угол 2 zr/m, m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2к/m на несущей или кратной ей частоте, узел . синхронизации, выполненный содержащим

m элементов 2И и элемент m ИЛИ, трехфазный регистр сдвига сигналов выходной частоты и m формирователей противотактных сигналов ф и ф, выходными выводами образующих выходы многофаэного модулятора ширины импульсов, Вход модулятора ширины импульсов образован объединенными между собой входами делителей частоты, а их выходы подключены к входам упомянутых регистров сдвига на угол 2 л/m, парафазные выходы которых подключены попарно к входам m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 _#_/m на несущей или кратной ей частоте. В состав такого формирователя входят два формирователя узких импульсов. выходами подключенных к входам элемента 2ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом RST-триггера с парафазными выходами F, Гь Ко входам каждого элемента 2ИЛИ подключены также входы одного из m элементов 2И узла синхронизации, выходами соединенных с входами элемента m ИЛИ, выход которого подключен к одному из установочных входов RST-триггеров и входу трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты, его первый канал с выходами Q>, Qt, 1793523 использован как задатчик выходной частоты, а выходы Ог и Оз второго и третьего каналов этого регистра и выходы Fi, FI RSTтриггеров подключены к соответствующим входам m формирователей противотактных сигналов ф, ф, Каждый из них выполнен таким образом, что внутренние связи обеспечивают формирование этих сигналов в соответствии с логическим выражением; ф = Ог Fi+ Оз Fi.

На фиг. 1 изображена принципиальная схема силовой части преобразователя (пример реализации при m = 2); на фиг. 2— принципиальная схема устройства для его управления; на фиг. 3- временные диаграммы, поясняющие принцип работы устройства для управления преобразователем и форму выходного напряжения.

Преобразователь, принципиальная схема силовой части которого представлена на фиг, 1, содержит m+1 полумост силовых транзисторных ключей 1-6 (на фиг. 1 m=2), зашунтированных обратными диодами 7—

12. Точка соединения дополнительных транзисторных ключей 1-2 образует первый выходной вывод 13 преобразователя, а точки соединения транзисторных ключей 3, 4 и

5, 6 остальных полумостов подключены к m обмоткам 14, 15, расположенным на стержнях m-стержневого магнитопровода. Обмотки 14, 15 включены между собой встречно и образуют точкой соединения второй выходной вывод 16 преобразователя, Блок управления преобразователем представлен на фиг. 2. Он содержит задатчик частоты 17, подключенный к входу многофазного модулятора 18 ширины импульсов, Варианты выполнения многофазного модулятора 18 могут быть различны, но во всех случаях он должен обеспечивать формирование m пар сигналов управления ф и ф, последовательно сдвинутых между собой на угол

2 л/m (где m >2) на несущей частоте модуляции. При реализации вертикального принципа формирования управляющих сигналов, подобный модулятор 18 содержит, например, m генераторов пилообразного напряжения (выходные сигналы которых сдвинуты между собой на вышеуказанный угол) и генератор модулирующего напряжения заданной формы, После сравнения при помощи m компараторов этих сигналов на выходах многофазного модулятора 19 будут сформированы m противотактных пар сигналов ф.ф управления с ШИМ.

Вариант многофазного модулятора 18, приведенный на фиг,2. реализует при формировании сигналов управления ключами

3-6 преобразователя принцип квазиоднополосной модуляции, В его состав входят . два делителя частоты 19, 20, коэффициенты деления которых отличаются на единицу.

Выходы делителей частоты 19, 20 подключе5 ны ко входам двух регистров сдвига 21, 22 на угол 2 л/m (для случая m = 2 этот угол равен ж, при этом регистры сдвига 21, 22 могут быть выполнены в виде Т-триггера, работающего в счетном режиме). Парафаз10 ные выходы регистров сдвига 21, 22 подключены к входам m формирователей 23, 24 модулированных по длительности импульс- ных сигналов, сдвинутых на угол 2 R/m на несущей частоте. Каждый из них выполнен

15 в виде двух формирователей 25, 26 и 27, 28 узких импульсов, выходы которых подключены к входам элемента 2ИЛИ 29 (30). выходом подключенного к тактовому входу

RST-триггера 31 (32). Формирователи 25 — 28

20 узких импульсов могут быть выполнены, например, в виде последовательно соединенных элементов НЕ 33 и 2И 34. Выход элемента НЕ 33 через конденсатор 35 подключен также к общей точке преобразовате25 ля, а второй вход элемента 2И 34 — к входу элемента НЕ 33, Входы элементов 2 ИЛИ 29, 30, подключены также к входам узла синхронизации 36, образованным входами е элементов 2И 37, 38, выходы которых под30 ключены к входам элемента m ИЛИ 39. Одноименные установочные R- u S-входы всех

RST-триггеров 31, 32 объединены и подключены к общей точке преобразователя и к выходу узла синхронизации 36; Выход узла

35 синхронизации 36 подключен также к входу трехканального регистра 40 сдвига сигналов выходной частоты, выполненного на трех IK-триггерах 41 — 43, включенных по схеме с перекрестной связью. Первый канал

40 трехканального регистра 40 с выходами 01 и 0 использован как задатчик выходной частоты. Эти выходы связаны через усилительно-развязывающее устройство (на фиг.

1, 2 не показано) с управляющими входами

45 дополнительных транзисторных ключей 1, 2. Парафазные выходы F>, F> и Ег, Рг RSTтриггеров 35, 36, а также выходы Ог и Оз

I К-триггеров 42, 43 подключены к соответствующим входам формирователей 44, 45 про50 тивотактных сигналов ф и ф, которые выполнены в виде элементов 2И вЂ” 2ИЛИ 46, 47 и НЕ 48, 49. Связи между входами этйх элементов и выходами триггеров 31, 32 и 42, 43 обеспечивают формирование сигналов

55 ф в соответствии с логическим выражением: ф = Ог Fi + QaF

Отметим, что в общем случае выполнение формирователей 44, 45 может быть различным. Так, комбинация из шести

1793523 элементов 2И вЂ” НЕ позволит сформировать аналогичные управляющие сигналы 1/(и ф, определяемые, например, выражением: ф = Q2 Fl 03 + 02 ((Нетрудно показать, что, используя из вестные принципы минимизации логических операций, его можно привести к вышеприведенному первому логическому выражению, Несмотря на относительно большую сложность второго логического выражения и соответственно большое число элементов, необходимых для его реализацйи, а практических случаях оно может оказаться эффективнее, так как принципиально устраняет возможные кратковремен:ные коммутации силовых ключей 3-6 на интервалах x/3 — 2л/3 их проводимости, обусловленные неидеальностью фронтов импульсов F(u F(.

Рассмотрим принцип действия преобразователя. Дополнительные транзисторы

1, 2 полумоста преобразователя переключаются по простейшему 180-градусному алгоритму на выходной частоте с коэффициентом заполнения 0,5. Транзисторы 3, 4 и 5, 6 переключаются в протйвотакте с коэффициентом

: заполнечия, модулируемым на выходной частоте по определенному закону (синусоидальному, трапецеидальному и пр.), Импульсные управляющие сигналы ф1 и Q при этом должны быть сформированы совпадающими по фазе на выходной частоте и сдвинутыми на угол 2 к/m на йесущей частоте модуляции, :- В результате напряжения между точками соединения транзисторов 1, 2 и 3, 4, а также

1, 2 и 5, 6 будут иметь форму сигналов с однополярной ШИМ по выбранному закойу.

Осйовные гармоники этих напряжений совпадают по фазе, а некоторые из высших находятся в противофазе. При подаче этих напряжений на включенные между собой встречно обмотки 14, 15 указанные высшие гармоники будут взаимно компенсироваться. Отметим, что трансформатор должен быть рассчитан не на выходную частоту преобразования, а на ближайшие высшие гармоникй в каналах преобразователя, находящиеся в протйвофазе. Таким образом, его габариты оказываются существенно меньше габаритов трансформатора, работающего на выходной частоте. Как уже отмечалось, принцйп формирования управляЮщих сигналов ф, 1/(ключами 3 — 7 преобразователя может быть различным.

На примере устройства, приведенного на фиг, 2, поясним использование принципа квазиоднополосной модуляции для формирования сигналов управления 1/(1/((по тра55 ванической развязки, подают на управляющие входы дополнительных ключей 1, 2.

Формирование сигналов 1/(1, ф1; Я, ф управления ключами 3-6 производится при помощи формирователей 44, 45.

Варианты выполнения формирователей

44. 45 могут быть различны, На фиг, 2 припецеидальному закону. Принцип действия этого устройства дополнительно поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг. 3. Задатчик частоты 17

5 осуществляет синхронизацию работы отдельных узлов устройства. Импульсный сигнал 017 (см.фиг.3) поступает на входы двух делителей, частоты 19, 20, коэффициенты деления N(o, Иго которых отличаются на еди10 ницу (wa фиг.3 временные диаграммы соответствуют случаю Nig = 3, Nzo = 4). На выходах формирователей 25 — 28 узких импульсов будут сформированы импульсные сигналы вида Огэ — Uzs равных частот, сдви15 нутые по фазе на угол л относительно друг друга, Для этого формирователи 25 — 28 узких импульсов осуществляют формирование сигналов по переднему и заднему фронтам сигналов 021 и Uzz с выходов т20 триггеров 21 и 22, Полученные импульсные последовательности попарно складывают при помощи элементов 2ИЛИ 29, 30 и сравнивают при помощи элементов 2И 37. 38.

Последовательности импульсов Ого, Озр по25 ступают на тактовые входы RST-триггеров

31, 32, которые изменяют свое состояние с приходом каждого очередного импульса.

Для придания определенности состоянию

RST-триггеров 31, 32, один иэ установочных

30 входов (на фиг. 2 — $-вход) подключен к выходу узла синхронизации 36.

В результате каждый из указанных RSTтриггеров 31, 32 будет выставлен в нулевое состояние с приходом очередного импульса

35 последовательности Озв. На выходах этих триггеров 31, 32 будет сформированы парафазные последовательности F1, F1, Fz, Fz, модулированных по длительности импульсов (см. 031, Озг на фиг,3). Последователь40 ность импульсов 036 с выхода узла синхронизации 36 поступает также на вход трехканального регистра 40, обеспечивая противотактйые переключения!К-триггеров

41 — 43 с выходной частотой преобразова45 ния. Сдвиг по фазе между парафазными импульсами С(1, Q(...Qç.Оз составляет при этом

60 эл.градусов (см. 041 — 04з на фиг. 3). Как уже указывалось, дополнительные ключи 1, 2 должнй переключаться в противофазе, с

50 частотой равной выходной частоте преобразователя. Для этого сигналы Q1, Q1 после усиления и обеспечения необходимой галь)793523

10 веден вариант, выполненный на элементах

2И и 2ИЛИ 46, 47 и НЕ 48, 49. Связи между их входами и выходами Qz Оз трехканального регистра 40 и выходами F>, F>; Fa, Fz

RST-триггеров 31, 32 выполнены таким образом, что на входах формирователей 44, 45 импульсов управления будут получены последовательности управляющих сигналов, определяемые выражениями: — на выходе элемента 2И-2ИЛИ 46— ф1 = О2 Fi + Р1Оз, (см, 0ле на фиг.3); — соответственно, на выходе элемента

НЕ 48 — сигнала ф1; — на выходе элемента 2И-2ИЛИ 37—

Q = О1 Е2+ Оз Рг (см. U47 на фиг,3) и на выходе элемента НЕ 49 — сигнал Я.

Разработанный блокуправления преобразователем позволил осуществить формирование синфазных(по основной гармонике выходного напряжения) сигналов управления /в, ф и ф, j2 ключами 3-6 преобразователя, но сдвинутых по фазе на несущей частоте Ш И М на угол 2 л/m. Встречное включение обмоток 14, 15, расположенных на разных стержнях общего магнитопровода, обеспечивает взаимную компенсацию определенных массивов высших гармоник выходных напряжений каналов преобразователя (между точкой 13 и точками соединения ключей 3, 4 и 5, 6 соответственно).

Предложенный преобразователь с многофазной ШИМ может найти применение при создании централизованных источников вторичного электропитания, обладающих улучшенным качеством преобразованной электроэнергии. Уменьшение массо-габаритных показателей устройства за счет уменьшения соответствующих показателей его выходного фильтра позволяет использовать преобразователь в системах электроснабжения, например, автономных объектов различного назначения.

Формула изобретения

1. Преобразователь с многофазной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), содержащий m основных пар последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов, зашунтированных обратными диодами, причем точки соединения ключевых элементов пар через m обмоток, расположенных на стержнях m-стержневого магнитопровода, подключены к одному выходному выводу преобразователя, а также блок управления ключами, включающий в себя задатчик выходной частоты преобразователяя и последовательно связанные между собой задатчик несущей или кратной ее частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, выходами подключенный к уп5

55 равляющим входам соответствующих ключевых элементов и обеспечивающий формирование m пар противотактных сигналов ф, ф, последовательно сдвинутых между собой на несущей или кратной ей частоте

ШИМ на угол 2 к/m, где m 2, о т и и ч а юшийся тем, что, с целью повышения качества выходного напряжения за счет снижения его искажений и расширения области использования за счет отказа от применения специального источника питания со средней точкой, он снабжен дополни-. тельной парой последовательно включенных между шинами питания и зашунтированных обратными диодами ключей, точка соединения которых образует второй выходной вывод преобразователя, а задатчик выходной частоты преобразователя выполнен с парафазными выходами Q> и

Q1, которые связаны с управляющими входами соответствующих ключей дополнительной пары.

2. Преобразователь по и, 1, о т л и ч а юшийся тем, что, многофазный модулятор ширины импульсов выполнен содержащим два делителя частоты с коэффициентами деления, отличающимися на единицу, два регистра сдвига на угол 2 л /m, m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 л/m на несущей или кратной ей частоте, узел синхронизации, выполненный содержащим m элементов 2И и элемент m ИЛИ, трехфазный регистр сдвига сигналов выходной частоты и m формирователей противотактных сигналов ф и ф, выходными выводами образующих выходы многофазного модулятора ширины импульсов, вход которого образован объединенными между собой входами, делителей частоты, выход которых подсоединены к входам упомянутых регистров сдвига на угол 2 л/m, их парафазные выходы подключены попарно к входам m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 к/m на несущей или кратной ей частоте, каждый из которых выполнен в виде двух формирователей узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом RST- . триггера с парафазными выходами Рь Fi, к входам каждого из элементов 2ИЛИ подсоединены входы одного из элементов 2И узла синхронизации, которые своими выходами подключены к входам элемента m ИЛИ, выход которого подсоединен к одному из установочных входов упомянутых RST-триггеров и

1793523 ф = О2) ) + ОЗР) ° и х

Фиг.I к входу трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты, первый канал с выходами Q> и 01 которого использован как задатчик выходной частоты преобразователя, а выходы Qz и Оз второго и третьего каналов этого регистра и выходы Fi, F) RSTтриггеров подключены к соответствующим входам m формирователей противотактных сигналов ф, ф, каждый из которых выполнен обеспечивающим внутренние связи между указанными элементами и формирование этих сигналов в соответствии с логическим

5 выражением

1793523

LI i7

4is ь СЗ

4 ;р 26

П, гю

Йо

4 36

Кн (г)

0 ()

O«(g, a(5

44(Ю а„,(H) . i>&i) Фиг.3

Составитель Г.М ы цык

Техред М.Моргентал

Корректор Т;Палий

Редактор С,Кулакова

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

Заказ 509 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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