Однофазный преобразователь с многофазной шим

 

Преобразователь содержит m основных пар ключевых элементов (3, 8) и электромагнитный узел, включающий m расположенных на магнитопроводах(20-22) первичных обмоток (17-19), соединенных в звезду. В состав блока управления преобразователем входят задатчик частоты и многофазный модулятор ширины импульсов. Преобразователь снабжен дополнительной парой последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов (i. 2). Магнигопроводы (20-22) выполнены магнитонесвязанными и снабженными вторичными обмотками (23-25). 1 з п ф-лы 4 ил

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

1823113 А1 (я)я Н 02 М 7/48

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4936399/07 (22) 16.05.91 (46) 23.06.93. Бюл. М 23 (71) Московский текстильный институт им.

А.Н.Косыгина и Московский энергетический институт (72) Г.С.Мыцык, А.В.Чесноков и В.В.Михеев (56) Моин В.С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М,: Энергоиэдат.

1986, с.376.

А.с. СССР Q 381144, Н 02 М 7/48, 1973. (54) ОДНОФАЗНЫЙ ПРЕОбРАЗОВАТЕЛЬ

С МНОГОФАЗНОЙ ШИМ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания различного назначения, преимущественно для преобразования постоянного напряжения в высокочастотное, квазисинусоидальное.

Целью изобретения являются повышение качества выходного напряжения за счет снижения его искажений, расширение области использования за счет отказа от применения специального источника со средней точкой. а также расширение функциональных воэможностей, за счет обеспечения воэможности широтно-импульсного регулирования выходного напряжения.

Для достижения поставленной цели, предлагаемый однофазный преобразователь с многофазной ШИМ, как и известный, содержит m основных пар последовательно (57) Преобразователь содержит m основных пар ключевых элементов (3, 8) и электромагнитный узел, включающий m расположенных на магнитопроводах (20 — 22) первичных обмоток (17-19), соединенных в "звезду". В состав блока управления преобразователем входят задатчик частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, Преобразователь снабжен дополнительной парой последовательно вклю енных между шинами питания ключевых элементов (1, 2). Магнитопроводь (20-22) выполнены магнитонесвяэанными и снабженными вторичными обмотками (23 — 25), 1 э.п. ф-лы. 4 ил. включенных между шинами питания ключевых элементов, зашунтированных обратными диодами, Электромагнитный узел преобразователя включает m расположенных на магнитопроводах первичных обмоток, соединенных в m-фазную "звезду" и подключенных своими концами к точкам соединения упомянутых основных пар ключевых элементов. Блок управления преобразователем включает в себя задатчик выходной частоты преобразователя и последовательно связанные между собой задатчик несущей или кратной ей частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, подключенный парафазными выходами ф и tP2 к соответствующим входам вышеупомянутых ключевых элементов. Упомянутые сигналы последовательно сдвинуты между собой на несущей или кратной ей частоте LLIVIM на угол 2 m /m, где m = 2. В

1823113 отличие от известного. предложенный преобразователь снабжен дополнительной парой последовательно включенных между шинами питания ключевых элементов, эашунтированных обратными диодами, точка соединения которых подключена к нулевой точке упомянутой "звезды" первичных обмоток. Магнитопроводы выполнены магнитонесвяэанными и снабжены последовательно соединенными вторичными обмотками, свободные концы которых подключены к выходным выводам преобразователя. Задатчик выходной частоты выполнен с парафаэными выходами Q1, Q1, связанными с управляющими входами соответствующих ключевых элементов дополнительной пары.

Вариант выполнения вышеупомянутого многофазного модулятора ширины импульсов содержит m генераторов пилообразного напряжения и компараторов, два делителя частоты, два регистра сдвига на угол 2 a /m, m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол

2 x /m на несущей или кратной ей частоте, узел синхронизации, содержащий m элементов 2И и элемент m ИЛИ, трехфазный регистр сдвига сигнала выходной частоты и

m формирователей противотактных сигналов ф и ф, выходные выводы которых использованы как выходы многофазного модулятора ширины импульсов. к входу которого подключены входы делителей частоты, выходами подсоединенные к входам двух упомянутых регистров сдвига на угол

2 л/m, соответствующие выходы первого из которых подключены к входам m генераторов пилообразного напряжения и m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов. Остальные их входы подсоединены к соответствующим выходам второго регистра сдвига на угол 2 л/m. Регистры сдвига выполнены в виде двух формирователей узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2 ИЯИ, выходом соединенного с тактовым входом RST триггера с парафазными выходами Fi, Еь один из установочных входов каждого из которых соединен с выходом узла синхронизации, в качестве которого использован выход упомянутого элемента е ИЛИ, входы которого соединены с выходэми mэлементов 2 И,,своими входами образующими входы узла синхронизации, подключенные соответственно к входу одного иэ в упомянутых элементов 2

ИЛИ. Выход узла синхронизации подклю5

25

55 чен также к входу трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты, первый канал которого использован как вышеупомянутый эадатчик выходной частоты преобразователя. Выходы каждого иэ m генераторов пилообразного напряжения подключены к одному из входов компараторов с парафазными выходами Яь Si, другие входы которых объединены и подключены к источнику управляющего сигнала. Выходы

Яь Si компараторов подключены к соответствующим входам m формирователей противотактных сигналов ф, ф, к другим входам которых подключены выходы 0>, Qz, Оз упомянутого трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты и выходы

F(, Fi, RST-триггеров. Каждый из m формирователей противотактных сигналов ф, ф выполнен обеспечивающим внутренние связи между указанными элементами и формирование этих сигналов в соответствии с логическим выражением

9 =- 0г Fi Si + 0э Fi Si + Ь %, где i =- 1,2...m.

Целью изобретения является повышение качества выходного напряжения и расширение области использования за счет обеспечения согласования уровней входного и выходного напряжений, а также обеспечения широтно-импульсного регулирования выходного напряжения, На фиг,1 — принципиальная схема силовой части преобразователя (пример реализации при m =- 3); на фиг.2 — временные диаграммы сигналов Q>, ф, tjiz, Q и форма выходного напряжения преобразователя при различных значениях угла регулирования:а=0(а) и а W 0(а, б); на фиг.3 — принципиальная схема устройства для управления преобразователем; на фиг.4— временные диаграммы, поясняющие принцип формирования сигналов управления ключевыми элементами преобразователя, Преобразователь, принципиальная схема силовой части которого представлена на фиг.1, содержит m+1 полумост силовых транзисторных ключей 1-8 (на фиг.1 m = 3), эашунтированных диодами 9-16 обратного тока. К точкам соединения m полумостов транзисторных ключей 3-8 подключены m первичных обмоток 17-19 m двухобмоточных трансформаторов 20-22. Свободные концы первичных обмоток 17 — 19 всех трансформаторов объединены и подключены к точке соединения дополнительных транзисторных ключей 1-2. Вторичные обмотки

1823113 20-25 соединены последовательно, согласно и образуют свободными концами выходные выводы преобразователя.

Принципиальная схема блока управления преобразователем приведена на фиг.3.

Он содержит задатчик частоты 26, подключенный к входу многофаэного модулятора

27 ширины импульсов. Варианты выполнения многофазного модулятора 27 ширины импульсов могут быть различны, но во всех случаях он должен обеспечивать формирование m пар противотактных сигналов управления ф иф, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 л /m (где

m h 2) на несущей или кратной ей частоте модуляции.

Представленный на фиг.3 вариант многофазного модулятора 27 ширины импульсов, при формировании сигналов управления фиф ключами 3-8преобразователя реализует принцип квазиоднополосной модуляции. В его состав входят два делителя частоты 28, 29, входы которых объединены и образуют вход многофазного модулятора 27 ширины импульсов, Выходы делителей частоты 28, 29 подключены по входам двух регистров сдвига 30, 31 на угол

2 л /m (для случая m - 3 этот угол равен

2 л/3, при этом регистры сдвига 30, 31 могут быть выполнены по кольцевой схеме на трех

J-К триггерах 32 — 34). Выходы qi, 4г, оз и qi, qz, оз регистров сдвига 30, 31 подключены к входам m формирователей 35-37 модулированных по длительности импульсных сигналов, сдвинутых между собой на угол 2 л/m на несущей частоте. Каждый из них выполнен в виде пары идентичных формирователей 38. 39 (40-43) узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента

2 ИЛИ 44 (45, 46). Выход последнего подключен к тактовому входу RST-триггера 47 (48, 49). Формирователи 38-43 узких импульсов могут быть выполнены, например, в виде последовательно соединенных элементов HE 50 и 2 И 51. Выход элемента НЕ

50 через конденсатор 52 подключен также к общей точке преобразователя, а второй вход элемента 2 И 51 подключен к входу элемента НЕ 50.

Для обеспечения синфазности работы отдельных узлов многофазного модулятора

27 ширины импульсов, он снабжен узлом синхронизации 53. В его состав входят m элементов 2 И 54-56, входами подключенных по входам элементов 2 ИЛИ 44 — 46, а выходами — к входам элемента ИЛИ 57. Одноименные установочные R и $ входы RSTтриггеров 47 — 49 объединены и подключены

55 к общей точке преобразователя и к выходу узла синхронизации 53, образованному выходом элемента m ИЛИ 57. Выход узла синхронизации 53 подключен также к входу трехканального регистра 58 сдвига сигналов выходной частоты, выполненного на трех J — К-триггерах 59-61, включенных по пересчетной схеме с перекрестной связью, аналогично регистрам сдвига 30, 31. Выходы одного иэ последних (обычно, более низкочастотного — на фиг.3 это регистр сдвига

31) подключают также к входам m цепочек из последовательно соединенных генератора пилообразного напряжения 62 — 64 и компаратора 65-67, вторые входы которых объединяют и подключают к источнику управляющего сигнала U у. Компараторы 6567 выполнены с парафаэными выходами $ь

Яь которые вместе с парафазными выходами FI, Fl формирователей 35-37 модулированных сигналов, сдвинутых между собой на угол 2 л/m на несущей частоте и выходами

О>. Qz, Оз трехканального регистра 58 сдвига сигналов выходной частоты, подключены к соответствующим входам m формирователей 68-70 противотактных сигналов ф, ф .

Связи между входами упомянутых формирователей 68-70 и их выходами обеспечивают формирование сигналов tPi ф в соответствии с логическим выражением ф, = Q2FiSi+ QaFiSi+ QiSi. где 1= 1.2,...m.

Для реализации этого логического выражения может быть использовано два элемента 3 И 71, 72 (73 — 76). один элемент 2 И

77 (78. 79) и один элемент 3 ИЛИ 80 (81, 82), а для получения сигнала ф — элемент НЕ 83 (84, 85). Выходы, ф, ф, элементов 3

ИЛИ 80 — 82, ф . ф . Q элементов НЕ 8385, а также выходы О>, Q> триггера 59 являются выходами блока управления преобразователем, которые связаны (через блок усиления и гальванической развязки уп-. равляющих сигналов, на фиг.1, 3 не показан) с соответствующими уп равляющими входами силовых транзисторных ключей 1 — 8.

Принцип действия преобразователя дополнительно поясняется временными диаграммами, приведенными на фиг.2.

Транзисторы 1, 2 полумоста преобразователя переключаются по простейшему 180-градусному алгоритму на выходной частоте (см.

Use (Q ) на фиг.2). Остальные транзисторы

3-8 переключаются в противотакте, с коэффициентом заполнения, модулируемым на

1823113 выходной частоте по определенному закону (синусоидальному, трапецеидальному и пр.). Импульсные управляющие сигналы ф, ф,... ф при этом должны быть сформированы совпадающими по фазе на выход5 ной частоте и сдвинутыми на угол 2 /m на несущей частоте модуляции (см. Usa-Uss (ф — ф ) на фиг,2а). В результате, напряжения на первичных обмотках 17 — 19 трансформаторов 20 — 22 будут иметь форму сигнала с однополярной ШИМ по выбранному закону. Основные гармоники этих напряжений совпадают по фазе, а некоторые из высших гармоник находятся в противофазе и взаимно компенсируются при последовательном согласном соединении вторичных обмоток 23-25. Для обеспечения широтноимпульсного регулирования (ШИР) выходного напряжения, сигналы ф, ф 20 дополнительно модулируют по линейному закону, причем введение регулировочных пауз и импульсов осуществляют на несущей частоте модуляции со сдвигом на угол 2 a/m на несущей или кратной ей частоте (см. за- 25 штрихованные зоны в сигналах Оаз-Оа (ф — ф1 на фиг.2а). В зависимости от глуСины модуляции (относительной величины регулировочной паузы a) форма выходного напряжения изменяется. Так при а <л/1п, выходное напряжение имеет m ступечей (см. фиг.2а} при л/гп а <2л/л — (m — 1) ступень (см. фиг.2б) 1т,д.При (m --1)л/m ==а.; вы35 ходное напряжение приобретает одноступенчатую форму с нулевой паузой.

На примере устройства для управления преобразователем приведенного на фиг.3, поясним использование принципа квазиоднополосной модуляции для формирования сигналов управления ф и ф с ШИМ по тра50

55 пецеидальному закону и многофазного (или многозонного) ШИР. Высокочастотный импульсный сигнал с выхода задатчика частоты 26 поступает на входы двух делителей частоты 28, 29, коэффициенты деления Nzs, N29 которых выбирают таким образом, чтобы их отношение представлялось отношением двух соседних членов натурального ряда ЧИСЕЛ N2S/N29- а/а ч=1, дв а — ЛЮбОЕ целое число (например,.на фиг.4, а - 3). Регистры сдвига 30, 31 ° на тактовые входы которых поступают разночастотные последовательности импульсов Uzs, 029, осуществляют их разделение по m каналам, причем каждая последовательность полученных импульсов р1, о2, цз и ср, g2, цз сдвинута относительно других на угол 2 л /m (см, 031 - {gl, ц2, Q3 ) на фиг.4) на своей частоте. После выделения импульсов ОзаU43 синхронных, например, с передним фронтом упомянутых последовательностей

Озо, Usl их складывают попарно с помощью элементов 2 ИЛИ 44 — 46 и подают на тактовые входы RST-триггеров 47-49, которые изменяют свое состояние с приходом каждого очередного импульса (cM. 04т (Fl)U49 (F3) на фиг.4). Для придания определенности состоянию триггеров 47 — 49, в качестве которых использованы, например, триггеры типа RST, один из установочных входов(на фиг.3 S-вход) подключен к выходу узла синхронизации 53. Последний осуществляет попарное сравнение последовательностей раэночастотных узких импульсов Оза-04з и выделение последовательности Оут, возникающей при совпадении импульсов только в одном иэ m формирователей 35 — 37. Частота последовательности импульсов Usz в шесть раз выше выходной частоты преобразователя. В результате, каждый иэ упомянутых RST-триггеров 47-49 будет выставлен в определенное состояние шесть раз за период, что дополнительно повышает надежность работы устройства, Эта же последовательность импульсов Usz, поданная на вход трехканального регисrpa >8, обеспечивает гротивотактные переключени.. трех J — К-триггеров 59 — 61 с выходной часто1сй преобразования, Сдвиг по фазе между парафаэными импульсами QI, 01, ..., Gs, Йз составляет 60 эл.градусов (см. Usg (ЯI) 061 1С .з) на фиг.4). Как ужеуказывалось, дополнительные ключи 1 — 2 переключаются в противофазе, с частотой равной выходной частоте преобразователя. Для этого, на управляющие входы ключей 1, 2 подают сигналы Ql, 01 (после соответствующего усиления и необходимой гальванической развязки). Сигналы Озо (или Оз1 — в зависи5 мости от тога, иа какой частоте осуществляется ШИР выходного напряжения) поступают также на входы генераторов пилообразного напряжения 62-64, обеспечивающих формирование ITI последовательностей пилообразных сигналов, имеющих одинаковую амплитуду и сдвинутых между собой на угол 21т /m на несущей частоте модуляции. Эти сигналы поступают на один иэ входов соответствующего компаратора 65-67, на вторые входы которых подают управляющий сигнал U 2

of еспечивающий изменение относительной длительности сигналов Sl-Яз и инверсных им сигналов Sl-S;I от 0 до 1.

1823113

Формирование сигналов 1!1, Й 1!1 ф1, 1 2... ф управления ключами 3-8 производится с помощью формирователей 68—

70. Варианты их исполнения могут быть различны, однако связи между их входами и выходами должны быть такими, чтобы получить последовательности управляющих сигналов, определяемые выражениями

10 ф = ОвЕ1$1+ ОзЕ131+ 0131; на выходе элемента 3 ИЛИ 80: ф = 02Р151+ ОзЕ131+ 01S1(cM. Ово а фиг.4) на выходе элемента КЕ 83: сигнал ф1; на выходе элемента 3 ИЛИ 81: г ф =- 02F2S2 + 03F2S2 + 01S2

20 на выходе элемента НЕ 84: сигнал фг, на выходе элемента 3 ИЛИ 82:

Q = 02Гз з+ 0эРзЗз+ 018з на выходе элемента НЕ 85: сигнал уэ, Некоторые из промежуточных последовател -носгей импульсов, полученных при 30 формиров;..нии сигнала ф (Ово) приведены на фиг.4 (см. От1, От2, О4, Разрабо1анный преобразователь с блоком управления позволяет осуществлять так называемую многофазную широтно-импульсную модуляцию и многофазное широт но-импульсное регулирование выходного напряжения, Особым образом выполненный вариант блока управления и силовой части преобразователя (последовательное соединение вторичных обмоток 23-25 трансформаторов 20-22), обеспечивают взаимную компенсацию (устранение) определенных массивов высших гармоник, 45

Таким образом, преобразователь обеспечивает преобразование постоянного напряжения в однофа зное квазисинусоидальное напряжение, обладающее улучшенным спектральным составом, При повышенном значении частоты выходного напряжения, преобразователь становится особенно эффективным иэ-за существенного уменьшения массо-габарит- 55 ных показателей, за счет уменьшения соответствующих показателей его выходного фильтра.

Формула изобретения

1. Однофазный преобразователь с многофаэной ШИМ, содержащий m основных пар последова1ельно включенных между шинами питания ключевых элементов, зашунтированных обратными диодами, и электромагнитный узел, включающий m расположенных на магнитопроводах первичных обмоток, соединенных в m-фазную звезду и подключенных своими концами к точкам соединения упомянутых основных пар ключевых элементов, блок управления, включающий в себя задатчик выходной частоты преобразователя и последовательно связан ые между собой задатчик несущей или кра гной ей частоты и многофазный модулятор ширины импульсов, подключенный парафазными выходами ф, ф к соответствующим входам упомянутых ключевых элементов, причем сигналы ф, ф последова1ельно сдвинуты между собой на несущей или кратной ей частоте ШИМ на угол 2:. !п1, гдеm 2,отличающийся тем . о, с цегью повышения качества выхол.. ог...апояжения преобразователя за

c«e, с .; н.1я его искажений и расширения ф,. —:::циональных возможностей за счет обе .«,: »ния соп асования уровней входного и ь):ход",Ого напряжения, он снабжен до полнительной парой поciiåäовательнс вк .о e: ны:: между шинами питания ключев -, ломе "гoeв. заш. нтированных обратными п,-г. i,,ü ìi1, гочк; "..îåäèíåíèÿ которых под лк.чена к нулевой точке упомянутой звезпч п -.рвичных обмоток, упомянутые м, гн и опроноды выполнены магнитонесвязанп-. ли и снабжены вторичными обмотками, которые между собой последовательно соединены K свободными концами подключень к выходным выводам преобразователя.:ада1чик выходной часготы блока упрп .ен»-; выполнен с парафазными выход;.л,:., . ;, связанными с управляющими акоп-;,и соответствующих ключевых элеменгоь,сг;олнительной пары.

2 П.к образователь по п.1. о т л и ч а ющ .: -. с —, тем, чго с целью расширения фун..:;.1ональнь.х возможностей за счет обег п - е ы;я широтно-импульсного регулирования выходного напряжения, упомянутый многофазный модулятор ширины импульсов выполнен содержащим rn генераторов пилсобрэзного напряжения и компаратг;ров дна дели,еля частоты, два ре, и ;р .дви<-а на .;ол 2л/m, m формирователь", ."модулированных по длительности имоу ьсных сигналов, последовательно

1323113

30 сдвинутых между собой ка угол 2л /m wa несущей или кратной ей частоте, узел синхронизации, содержащий m элементов 2 И и элемент в ИЛИ, трехфазный регистр сдвига сигнала выходной частоты и m формирователей противотактных сигналов ф, ф выходные выводы которых использованы как выходы многофазного модулятора ширины импульсов, к входу которого подключены входы делителей частоты, выходами подсоединенные к входам двух упомянутых регистров сдвига на угол 2л/m, соответствующие выходы первого из которых подключены к входам m генераторов пилообразного напряжения и m формирователей модулированных по длительности импульсных сигналов, последовательно сдвинутых между собой на угол 2 л/гп на несущей или кратной ей частоте, остальными входами подсоединенных к соответствующим выходам второго регистра сдвига на угол 2 zt /m, и выполненных в виде двух формирователей узких импульсов, выходами подключенных к входам элемента 2 ИЛИ, выход которого соединен с тактовым входом RST-триггеров с парафаэными выходами F1, F1, один из установочных входов каждого иэ которых соединен а выхс,;1зм узла синхронизации, в качестве которог. использован выход упомянуто о элемента гп

ИЛИ, входы которого соединены с выхода5

2О

25 ми m элементов 2 И, своими входами образующими входы узла синхронизации, подключенные соответственно к входу одного иэ m упомянутых элементов 2 ИЛИ, выход узла синхронизации подключен также к входу трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты, первый канал которого использован как упомянутый эадатчик выходной частоты преобразователя, выходы каждого из упомянутых m генераторов пилообразного напряжения подключены к одному иэ входов m компараторов с парафазными выходами 31, S1, другие входы которых объединены и подключены к источнику управляющего сигнала, а выходы St, Я1, 52. S2 подключены к соответствующим входам m формирователей противотактных сигналов ф, ф, к другим входам которых подключены выходы 01, 0, 0з трехканального регистра сдвига сигналов выходной частоты и выходы Fi, F1 RSl-триггеров, причем каждый из m формирователей противотактных сигналов $3, /1 выполнен обеспечивающим внутренние связи между указанными элементами и формирование этих сигналов в соответствии с логическим выражением

Я = 1-121 IS1+ 0зг151+ 01- >1, где 1 = 1,2,...п.. 7з

У/Л а

059 ()

Ú3 (Ю в 5 85 3

1823113

7 p/д

1823113

27

Фиг, 3

1823113

Угв

1 ( з г з 9

Фиг. 4

Редактор

Заказ 2185 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

Uqz (зг ЧО Ч2

4 ЧЧ

Ур а„(г,)

U98 (21

Ues(5)

U58 (Я) 40 Щ б/(Э)

Us>(i)

Ъ 1 гг

Сlуу

Use() 85 (Ю

Составитель Г.Мыцык

Техред М,Моргентал Корректор М.Самборская