Программируемый преобразователь переменного напряжения

 

Использование: в преобразовательных установках с квазисинусоидальным выходным напряжением для прецизионного низкоскоростного электропривода, используемого в механотронных станках, в лентопротяжных механизмах устройств автоматики, телеметрии и звукозаписи, обеспечивая во всех случаях высокое качество преобразованной электроэнергии, широкий диапазон регулирования частоты и хорошие массогабаритные показатели. Сущность изобретения: устройство содержит модулятор 1, амплитудный квантователь 8 и демодулятор 9. Быстродействующее широкодиапазонное регулирование и стабилизация выходного напряжения на программном уровне достигается за счет введения мостового инвертора 5, выпрямителя 2, накопительного конденсатора 7. 4 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано в преобразовательных установках с квазисинусоидальным выходным напряжением для прецизионного электропривода, для преобразования напряжений одной частоты в другую (как с понижением, так и повышением частоты), при построении источников вторичного электропитания, предназначенных для прецизионных частотно-управляемых, особенно низкоскоростных электроприводов, используемых в мехатронных станках, в лентопротяжных механизмах устройств автоматики, телеметрии и звукозаписи, обеспечивая во всех случаях высокое качество преобразованной электроэнергии, широкий диапазон регулирования частоты и хорошие массо-габаритные показатели.

Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное программируемой формы с блоком управления, содержащий последовательно соединенные модулятор, амплитудный квантователь, демодулятор с полностью управляемыми ключевыми элементами, а также блок управления [1].

К недостаткам известного преобразователя следует отнести возможность работы только от источника постоянного напряжения, что ограничивает функциональные возможности или требует наличия выпрямителя со сглаживающим фильтром и стабилизатора, а это ведет к увеличению массо-габаритных показателей преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является программируемый преобразователь напряжения произвольной формы в напряжение требуемой формы [2] , содержащий последовательно соединенные модулятор, амплитудный квантователь, демодулятор, выполненные на полностью управляемых ключевых элементах с двусторонней проводимостью, а также задатчик формы выходного напряжения, делитель, входной аналого-цифровой блок, генератор тактовой частоты и сумматор.

Недостатком указанного преобразователя является следующее. При питании от сети переменного тока в кривой выходного напряжения присутствуют провалы напряжения (при прохождении кривой питающего напряжения через ноль), что приводит к искажению формы выходного напряжения, т.е. ухудшению его качества (гармонического состава), что особенно заметно на низких и инфранизких частотах.

Указанные недостатки устраняются тем, что программируемый преобразователь переменного напряжения, содержащий модулятор и амплитудный квантователь, выполненный в виде последовательно соединенных по выходу силовых ячеек, каждая из которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух ключевых элементов с двусторонней проводимостью, работающих в противофазе, силовые выводы одного из которых образуют выходы ячеек, а также демодулятор, подключенный к выходу амплитудного квантователя, входной двуполярный аналого-цифровой блок, входом подключенный к входу модулятора, а выходом - к одному из входов сумматора, выход которого подключен к одному из информационных входов делителя, на второй информационный вход делителя подключен задатчик формы выходного напряжения, а к управляющему входу делителя - генератор тактовой частоты, который подключен также к управляющим входам модулятора и демодулятора, причем выход делителя поразрядно подключен к управляющим электродам ключевых элементов амплитудного квантователя, в него дополнительно введены мостовой инвертор, выпрямитель, накопительный конденсатор, фазоманипулятор, компаратор и однополярный аналого-цифровой блок, причем выпрямитель и мостовой инвертор соединены последовательно и между входными клеммами мостового инвертора подключен накопительный конденсатор, а входы выпрямителя и компаратора подключены к входу модулятора, выход компаратора - к управляющим входам однополярного аналого-цифрового блока и фазоманипулятора, а их информационные входы - соответственно к выходу выпрямителя и генератора тактовой частоты, выход однополярного аналого-цифрового блока подключен к второму входу сумматора, выход фазоманипулятора - к управляющему входу мостового инвертора, а выход модулятора и мостового инвертора соединены последовательно и подключены к входу демодулятора. В качестве накопительного конденсатора используется электрический аккумулятор.

На фиг. 1 представлена блок-схема программируемого преобразователя переменного напряжения; на фиг.2-3 - функциональные схемы соответственно задатчика формы выходного напряжения, и амплитудного квантователя; на фиг.4 - диаграммы напряжений, поясняющие работу программируемого преобразователя переменного напряжения.

Программируемый преобразователь переменного напряжения (фиг.1) содержит модулятор 1, выполненный по схеме мостового инвертора на полностью управляемых ключевых элементах с двусторонней проводимостью, с выходным трансформатором, причем вход модулятора является входом преобразователя. На вход последнего подключены также выпрямитель 2, входной двуполярный аналого-цифровой блок 3 и компаратор 4. К выходу выпрямителя 2 подключен мостовой инвертор 5 и однополярный аналого-цифровой блок 6, а между входными клеммами мостового инвертора 5 подключен накопительный конденсатор 7.

Выходные обмотки мостового инвертора 5 и модулятора 1 соединены последовательно и подключены к входу амплитудного квантователя 8, а его выход - к входу демодулятора 9, выход которого является выходом программного преобразователя переменного напряжения. Выходы однополярного и входного аналого-цифровых блоков 6 и 3 подключены к входу сумматора 10, выход генератора 11 тактовой частоты - к управляющим входам модулятора 1, демодулятора 9, делителя 12 и к информационному входу фазоманипулятора 13.

Выход задатчика 14 формы выходного напряжения подключен к одному из входов делителя 12, на второй вход которого подключен выход сумматора 10. Выход делителя 12 поразрядно подключен к управляющим электродам силовых ячеек амплитудного квантователя. На управляющие входы однополярного аналого-цифрового блока 6 и фазоманипулятора 13 подключен выход компаратора 4, а выход фазоманипулятора - к управляющим электродам мостового инвертора 5. Задатчик 14 формы выходного напряжения содержит последовательно соединенные управляемый генератор 15, двоичный циклический счетчик 16 и блок 17 памяти. Причем выход двоичного циклического счетчика 16 подключен к адресному входу блока памяти 17, а его выходная шина данных является выходом задатчика формы выходного напряжения.

Амплитудный квантователь 8 (фиг. 3) выполнен в виде высокочастотного трансформатора, во вторичной обмотке которого последовательно включены силовые ячейки, выполненные на полностью управляемых ключевых элементах с двусторонней проводимостью К_1М,К_2М. Причем отношение количества витков обмоток W₁, W₂,...W_М последовательно включенных силовых ячеек составляет 1,2,4,..., т.е. весовые коэффициенты двоичного кода.

Программируемый преобразователь работает следующим образом. Входное переменное напряжение поступает на вход модулятора 1 и выпрямителя 2. На модуляторе 1, выполненном, например, по мостовой схеме инвертора на полностью управляемых ключевых элементах с двусторонней проводимостью, с выходным высокочастотным трансформатором, входное синусоидальное напряжение модулируется с промежуточной высокой частотой f_пр, задаваемой генератором тактовой частоты 11. Так как на выходе выпрямителя 2 подключен накопительный конденсатор 7, то мостовой инвертор 5 питается от выпрямленного напряжения U_в. Причем мостовой инвертор 5 переходит из режима короткого замыкания (к. з. ) нагрузки в режим инвертора по сигналу, поступающему с компаратора 4 в моменты времени, когда амплитуда входного переменного напряжения приближается к нулю.

В это время фазоманипулятор 13 меняет фазу сигналов переключения таким образом, что одновременно переключаются ключевые элементы в диагонали мостового инвертора 5 (режим инвертора) и на его выходе формируется высокочастотное импульсное напряжение U_М с частотой f_пр, причем в момент времени, когда амплитуда входного напряжения возрастает (в не зависимости от полярности) до определенного значения (задается компаратором 4), фазоманипулятор изменяет фазу сигналов переключения таким образом, что поочередно переключаются верхние и нижние ключевые элементы мостового инвертора 5 (режим к. з. нагрузки) и на его выходе отсутствует напряжение.

Таким образом в моменты времени, когда амплитуда входного напряжения незначительна (по модулю), на входе амплитудного квантователя 8 вследствие последовательного соединения вторичных обмоток выходных трансформаторов модулятора 1 и мостового инвертора 5, формируется суммарное импульсное напряжение U = U_М + +U_И, частота и фаза которых совпадает, так как она задается частотой f_пр генератора 11 тактовой частоты.

Основную часть периода, когда амплитуда входного напряжения превышает порог срабатывания компаратора 4, мостовой инвертор 5 работает в режиме к. з. нагрузки и на вход амплитудного квантователя 8 поступает только импульсное напряжение U_М, так как вторичная обмотка мостового инвертора закорочена и U = U_М + 0 = U_М.

В амплитудном квантователе 8 происходит формирование импульсного напряжения U_АК, выделив огибающую которого на демодуляторе 9, получим соответствующую форму и частоту выходного напряжения, задаваемого формирователем 14 формы выходного напряжения.

Рассмотрим более подробно процесс формирования высокочастотного импульсного напряжения U_АК. Входное переменное напряжение поступает на вход компаратора 4 и входного двуполярного аналого-цифрового блока 3, где мгновенное значение амплитуды преобразуется в двоичный код U_вх^*, который поступает на один из входов сумматора 10. Второй вход сумматора 10 подключен к выходу однополярного аналого-цифрового блока 6, который начинает работать при поступлении на его управляющий вход "разрешение счета" сигнала при срабатывании компаратора 4 (амплитуда входного напряжения ниже порога срабатывания компаратора).

Таким образом на выходе сумматора 10 формируется двоичный код U = U_вх^* + U_в^* в моменты времени, когда входное напряжение амплитудного квантователя U = U_М + + U_И (соответствует режиму инвертор) и U = U_вх^* + 0 = U_вх^* в момент времени, когда U = U_М + 0 = U_М (соответствует режиму к.з. нагрузки и мостового инвертора 5). Выходной код сумматора 10 U , соответствующий величине амплитуды импульсного напряжения U на входе амплитудного квантователя 8, поступает на один из входов делителя 12, на второй вход которого поступает код U_эт^* из формирователя 14 формы выходного напряжения. Последовательная выборка дискретных значений U_эт.i^*, записанных в блок памяти 17, обеспечивает требуемую форму выходного напряжения U_вых, т.е. форма U_вых аппроксимирована последовательностью U_эт.i^*. Причем последовательность значений U_эт^*можно менять путем перезаписи значений U_эт.i^* в блоке памяти 17.

Таким образом можно осуществлять оптимизацию выходного напряжения в процессе работы программируемого преобразователя переменного напряжения. Выборка значений из задатчика формы выходного напряжения осуществляется следующим образом. Циклический двоичный счетчик 16 (фиг.2) последовательно опрашивает адреса блока памяти 17, по которым записана последовательность значений U_эт^*, определяющих форму выходного напряжения U_вых, а скорость опроса блока памяти 17 и, следовательно, частота выходного напряжения U_вых определяется частотой управляемого генератора 15, выход которого подключен к счетному входу циклического двоичного счетчика 16.

Следовательно, изменяя частоту управляемого генератора 15, можно изменять в широких пределах частоту выходного напряжения U_выхпреобразователя без ухудшения качества (в том числе и программно). Количество импульсов в цикле счетчикa 16 определяется количеством дискретных значений U_эт^*, задающих форму выходного напряжения на полупериоде. Таким образом, на входы делителя 12 поступают текущий двоичный код U ^* из сумматора 10 и текущее значение из блока 17 памяти. В результате деления на выходе делителя 12 в каждом такте частоты f_пр формируется управляющий код, соответствующий требуемой коммутационной функции: K^*_i = (1) где U_эт.i^* - текущее значение аппроксимированного напряжения; U _Σi^* - текущее значение сумматора 10.

Управляющий код К^* поступает на управляющие электроды ключей К₁₁...К_1М и К₂₁...К_2М силовых ячеек амплитудного квантователя 8 (фиг.3). В результате происходит изменение коэффициента трансформации, что и обеспечивает формирование в каждом такте частоты f_пр заданной амплитуды. А так как в каждом такте значение управляющего кода K_i^* меняется, то в результате последовательного опроса блока памяти 17 получают высокочастотное импульсное напряжение U_АК, огибающая которого соответствует требуемой форме и частоте выходного напряжения U_выхпреобразователя.

Выделение огибающей (т.е. формирование U_вых) происходит на демодуляторе 9. Синхронизация работы модулятора 1, мостового инвертора 5 и амплитудного квантователя 8 осуществляется подачей на управляющий вход делителя 12 импульсов с генератора 11 тактовой частоты. Мостовой инвертор 5 потребляет входной ток, незначительную часть (до 5%) полупериода питающего напряжения в режиме инвертор, следовательно, накопительный конденсатор 7 должен иметь электрическую емкость, которая обеспечит разряд конденсатора в период потребления тока мостовым инвертором 5 в 2 раза, что не приведет к снижению качества выходного напряжения программируемого инвертора переменного напряжения, так как однополярный аналого-цифровой блок 6 отслеживает падение напряжения на накопительном конденсаторе 7.

Следовательно, падение напряжения на входе мостового инвертора 5, а также падение амплитуды импульсного напряжения U_И в режиме инвертор компенсируется изменением управляющего кода K_i^*. Так, при снижении напряжения U_в на входе мостового инвертора 5 уменьшается код U_в*, вырабатываемый однополярным аналого-цифровым блоком 6 и, как видно из выражения (1), управляющий код K_i* растет. Таким образом амплитудный квантователь 8 отрабатывает разряд накопительного конденсатора 7 в период работы мостового инвертора 5 в режиме инвертор. Накопительный конденсатор 7 дозарядится до исходного напряжения в следующем полупериоде входного напряжения (мостовой инвертор 5 не потребляет входной ток, так как работает в режиме к.з. нагрузки). Выпрямитель 2 и накопительный конденсатор 7 имеют небольшие массо-габаритные показатели, так как имеют малую установочную мощность и зависят от параметров выходного напряжения преобразователя. При использовании в качестве накопительного конденсатора 7 электрического аккумулятора выпрямитель 2 служит для его подзаряда. Количество последовательно включенных силовых ячеек и соотношение количества витков первичной и вторичных обмоток W₁,W₂,...W_М амплитудного квантователя 8 (фиг.3) зависит от требуемых параметров выходного напряжения программируемого преобразователя переменного напряжения. Время счета входного двуполярного аналого-цифрового блока 3 и однополярного аналого-цифрового блока 6 несоизмеримо мало по сравнению с периодом промежуточной частоты f_пр.

Рассмотрим работу программируемого преобразователя при питании от сети U_вх = =220 В, f_с = 50 Гц и преобразующем переменное синусоидальное напряжение в переменное псевдосинусоидальное высокого качества (коэффициент гармоник 1% ), более низкой частоты (фиг.4) с выходными параметрами: U_вых = 220 В, I_вых = 1 А.

Программируемый преобразователь переменного напряжения может работать и как повышающий частоту выходного напряжения. На вход модулятора 1 поступает синусоидальное входное напряжение U_вх, это же напряжение поступает на входы выпрямителя 2, компаратора 4 и входного двуполярного аналого-цифрового блока 3. На выходе выпрямителя 2, выполненного, например, по мостовой схеме подключен накопительный конденсатор 7, величина которого определяется выходным током нагрузки преобразователя и длительностью потребления мостовым инвертором 5 входного тока (которая определяется порогом срабатывания двуполярного компаратора 4). Выбираем величину накопительного конденсатора 7 С = 2000 мкF, при токе I_вых = 1 А и пороге срабатывания компаратора U_ср= = 22 В. Следовательно, на вход мостового инвертора 5 при его работе в режиме к. з. нагрузки поступает выпрямленное напряжение, величина которого приблизительно равна U_в =270 В. На выходе модулятора получаем импульсное напряжение U_М с частотой f_пр = 20 кГц (задается генератором тактовой частоты 11), огибающая которого повторяет входное напряжение преобразователя. В момент времени t₁ (фиг.4) срабатывает компаратор 4 (по достижении U_вх = =22 В) и по его команде фазоманипулятор 13 переводит мостовой инвертор 5 в режим инвертор и на выходе мостового инвертора 5 появляется импульсное напряжение U_И, частота и фаза которого совпадает с импульсным напряжением U_М.

В это время мостовой инвертор 5 потребляет входной ток и следовательно разряжается накопительный конденсатор 7, разряд которого прекратится в момент времени t₂, когда амплитуда входного напряжения достигнет значения U_вх = -22 В и по команде компаратора 4 фазоманипулятор 13 переведет мостовой инвертор 5 в режим к.з. нагрузки.

В следующий полупериод накопительный конденсатор 7 зарядится до исходного напряжения. Импульсные напряжения U_И и U_М в промежутке времени t₁-t₂ просуммируются и на вход амплитудного квантователя 8 поступит импульсное напряжение U = =U_М + U_И, а в промежутке t₂-t₃ - импульсное напряжение U = U_М, так как мостовой инвертор 5 работает в режиме "короткого замыкания нагрузки", т. е. первичная обмотка его выходного трансформатора закорочена и, следовательно, U_И = 0.

Таким образом на входе амплитудного квантователя 8 отсутствуют провалы напряжения. Импульсное напряжение U подвергаeтся квантованию по уровню в каждом полупериоде частоты f_пр на амплитудном квантователе 8, где формируется импульсное напряжение с огибающей синусоидальной формы и требуемой частоты, которая задается частотой управляемого генератора 15, т.е. скоростью опроса блока памяти 17. Амплитудный квантователь 8 содержит во вторичной обмотке пять силовых ячеек, которые обеспечивают 63 варианта коэффициента трансформации.

В зависимости от требуемой величины выходного напряжения U_вых и подбирается диапазон изменения коэффициента трансформации. Для данного примера коэффициент трансформации импульсного трансформатора меняется ступенчато, в диапазоне от 1/8 до 8, что обеспечивает после выделения огибающей импульсного напряжения U_АК на демодуляторе 9, на выходе преобразователя переменного синусоидального напряжения U_вых с величиной действующего значения напряжения 220 В и частотой 25 Гц (при частоте задающего генератора 15, равной 25 Гц х x 360= 9 кГц). Причем U_вых имеет высокое качество напряжения (коэффициент гармоник 0,5% ) при 360 уровнях аппроксимации синусоидальной кривой, записанных в блок 17 памяти и стабильную частоту (не зависит от колебаний частоты питающего напряжения U_вх, задается стабильностью управляемого генератора 15), а также стабильное значение величины напряжения U_вых.

Данный программируемый преобразователь переменного напряжения позволяет регулировать частоту выходного напряжения U_вых в диапазоне от 1 кГц до инфранизкой частоты (доли герца), без ухудшения качества выходного напряжения и высокую стабильность частоты, при использовании в качестве управляемого генератора 15 интегрального генератора КР580ГФ24 с кварцевой стабилизацией и программного таймера типа КР580ВИ53, что позволяет регулировать частоту выходного напряжения на программном уровне.

В качестве входного двуполярного аналого-цифрового блока 3 и однополярного 6 используется быстродействующий АЦП типа К1107ПВ3А, который имеет время преобразования 20 нс и не требует внешнего устройства выборки-хранения. На их входе используются согласующие трансформаторы и делители. Накопительный конденсатор 7 типа К50-20-350 В, выпрямитель собран на диодах КД206Б. Фазоманипулятор реализован на интегральных схемах "Исключающее ИЛИ".

В качестве полностью управляемых ключевых элементов модулятора 1, мостового инвертора 5 и демодулятора 9, выполненного по мостовой схеме, а также амплитудного квантователя 8 используются полевые транзисторы 2П701А, которые имеют обратное напряжение U_си = 600 В, малое время переключения, ток стока I_с = 5 А и малые потери. В зависимости от мощности преобразователя транзисторы могут включаться параллельно.

Для гальванической развязки управляющих цепей силовых транзисторов используют быстродействующие оптроны 30Д130А. В качестве сердечника высокочастотных трансформаторов модулятора 1 и мостового инвертора 5, а также амплитудного квантователя 8 используется феррит марки М2000НМ1, который обеспечивает работу трансформатора на высокой частоте (до 100 кГц). Размеры и тип ферритового сердечника, а также количество витков в обмотках трансформаторов определяются частотой промежуточного высокочастотного преобразователя и величинами питающего и выходного напряжений, а также мощностью программируемого преобразователя переменного напряжения.

Все перечисленные цифровые блоки, а также счетчик и элементарные логические схемы реализованы на базе интегральных серии К555 и КР580. В качестве блока памяти 17 используются перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства серии К573РФ6. В случае работы преобразователя переменного напряжения с управляющей микроЭВМ можно использовать оперативные запоминающие устройства серии К565РУ5, при этом можно менять форму и частоту выходного напряжения программно в реальном масштабе времени.

Формула изобретения

ПРОГРАММИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий модулятор и амплитудный квантователь, который выполнен в виде последовательно соединенных по выходу силовых ячеек, каждая из которых представляет собой замкнутую цепь из последовательно включенных обмотки трансформатора и двух противофазных ключевых элементов с двусторонней проводимостью, силовые выводы одного из которых образуют выходы ячеек, а также демодулятор, подключенный к выходу амплитудного квантователя, входной двуполярный аналого-цифровой блок, входом подключенный к входу модулятора, а выходом - к одному из входов сумматора, выход которого подключен к одному из информационных входов делителя, ко второму информационному входу делителя подключен задатчик формы выходного напряжения, а к управляющему входу делителя - генератор тактовой частоты, который подключен также к управляющим входам модулятора и демодулятора, причем выход делителя поразрядно подключен к управляющим электродам ключевых элементов амплитудного квантователя, отличающийся тем, что в него дополнительно введены мостовой инвертор, выпрямитель, накопительный конденсатор, фазоманипулятор, компаратор и однополярный аналого-цифровой блок, причем выпрямитель и мостовой инвертор соединены последовательно и между входными выводами мостового инвертора подключен накопительный конденсатор, а входы выпрямителя и компаратора подключены к входу модулятора, выход компаратора подключен к управляющим входам однополярного аналого-цифрового блока и фазоманипулятора, а их информационные входы подключены соответственно к выходу выпрямителя и генератора тактовой частоты, выход однополярного аналого-цифрового блока подключен к второму входу сумматора, выход фазоманипулятора - к управляющему входу мостового инвертора, а выходы модулятора и мостового инвертора соединены последовательно и подключены к входу амплитудного квантователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4