Способ прямого преобразования напряжения сетевого источника

Использование: в областях, связанных с преобразованием частоты и регулированием сетевого напряжения. Технический результат заключается в создании условий для уменьшения массогабаритных показателей трансформатора и возможности регулирования напряжения в широком диапазоне. Способ осуществляется переключением транзисторных ключей модулятора в первичных обмотках согласующего трансформатора в моменты времени, отыскание которых осуществляется по признаку равноинтегральных отклонений питающего сетевого напряжения с устранением в его составе низкочастотной составляющей с частотой сети. Указанный процесс прямого преобразования дополняется широтно-импульсным регулированием напряжения при поддержании постоянства тактовой частоты с периодом, равным первому такту, начиная с момента перехода сетевого напряжения через нуль, в условиях меняющейся длительности тактов модуляции. 2 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в областях, связанных с преобразованием частоты и регулированием сетевого напряжения, например в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока.

В последнее время внимание специалистов все больше привлекают способы прямого преобразования электроэнергии сетевых источников (см., например, S.Clemente, B.Pelly, R.Ruttonsha. “Универсальный источник питания с частотой 100 кГц на одном МОП ПТ”. Сб. Силовые полупроводниковые приборы. Пер. с англ. В.В.Токарева. Воронеж, 1995, с.135). Применение данных способов открывает новые возможности упрощения и повышения энергетических показателей преобразователей частоты за счет однократности преобразования и одновременного уменьшения массогабаритных показателей согласующих трансформаторов путем повышения в десятки и сотни раз частоты питания. Однако реализация прямого преобразования наталкивается на необходимость устранения в питающем напряжении трансформаторов низкочастотной сетевой составляющей без применения промежуточных выпрямителей и конденсаторов сглаживающих фильтров. Как показывают исследования, решение данной задачи возможно модуляционными методами на основе высокочастотного широтно-импульсного (ШИМ) регулирования сетевого напряжения, ведущего к выравниванию его интегральных отклонений на каждом такте модуляции (см. С.Н.Сидоров. “Алгоритмы управления двухоперационными вентилями в преобразователях с непосредственной связью”. //Электротехника. 2001, №5, с.6-11). Наиболее близкое решение задачи имеется в описании изобретения (см. Патент РФ №2110136 “Способ широтно-импульсного регулирования напряжения на выходе сетевого преобразователя”. / С.Н.Сидоров, Ю.Л.Шикин // Б.И., 1998, №12). Известный способ состоит в поочередном изменении полярности напряжения в первичных обмотках однофазного согласующего трансформатора с помощью ключевых элементов с частотой, превышающей частоту сети, и устранении в составе получаемого напряжения низкочастотной сетевой составляющей путем отыскания моментов переключении по признаку равенства интегральных отклонений абсолютных значений указанного напряжения в положительную и отрицательную стороны на каждом такте модуляции на основе вертикального принципа, предполагающего сравнение управляющего и опорного сигналов, причем последний получают на каждом тактовом интервале времени интегрированием с нуля указанных значений сетевого напряжения.

Таким образом, сущность известного решения состоит в поддержании постоянства вольт-секундных площадей под кривой однофазного сетевого напряжения на его полупериоде в течение каждого такта модуляции. В условиях меняющейся по синусоидальному закону огибающей импульсного напряжения постоянство его среднетактовых значений достигается соответствующим изменением длительности импульсов, когда наибольшую длительность имеет каждый первый, а наименьшую - каждый последний импульс на интервале, равном четверти периода сети. При этом полагается, что начало первого импульса напряжения совпадает с моментом перехода сетевого напряжения через нулевое значение. Данные переключения ведут к устранению низкочастотных (сетевых) составляющих в напряжении и токе обмоток, обеспечивая тем самым симметричное перемагничивание сердечника трансформатора с высокой частотой, что в конечном итоге является условием уменьшения его массогабаритных показателей.

Управление процессами переключении предполагает задание интервалов повторяемости - так называемых тактов модуляции, которые могут быть постоянной или переменной длительности. Независимо от этого длительность первого импульса на каждом полупериоде сети, в связи с наименьшими значениями синусоидальной огибающей, предлагается выбирать максимальной, равной длительности всего такта. Для поддержания постоянства интегральных отклонений напряжения при максимально возможной частоте модуляции длительность такта предлагается отыскивать, исходя из равенства вольт-секундных площадей первого и последнего за четверть периода сети импульсов напряжения, принимая длительность последнего импульса минимальной, равной собственному времени срабатывания ключевых элементов. При осуществлении ШИМ-регулирования указанную длительность импульса следует увеличить, умножив на коэффициент, равный диапазону регулирования напряжения в обмотках согласующего трансформатора.

Это регулирование предлагается осуществлять на основе вертикального принципа с помощью двух управляющих сигналов. В случае, если ШИМ-регулирование осуществляется с постоянной тактовой частотой, период тактовой частоты предлагается принять равному длительности первого такта на полупериоде сетевого напряжения, который отыскивается как интервал времени от перехода сетевого напряжения через нулевое значение до момента равенства опорного и первого управляющего сигнала. В этом случае формирование передних фронтов импульсов напряжения с одновременным обнулением опорного сигнала предлагается осуществлять в равноотстоящие друг от друга тактовые моменты времени, а формирование задних фронтов импульсов осуществлять в моменты равенства этого же опорного сигнала со вторым управляющим сигналом, причем в процессе регулирования уровень первого указанного сигнала необходимо сохранять неизменным, а уровень второго изменять в пределах от нуля до уровня первого.

Однако следует иметь ввиду, что регулирование при постоянной частоте модуляции ведет к существенному недоиспользованию однофазного сетевого источника по напряжению, так как в результате выравнивания вольт-секундных площадей большую часть тактовых интервалов занимают нулевые паузы. По этой причине регулирование напряжения в широком диапазоне с достаточно высокой тактовой частотой становится невозможным. Для преодоления указанного противоречия предлагается регулирование напряжения осуществлять в условиях циклически меняющейся в течение каждого полупериода сети длительности тактовых интервалов, в результате того, что формирование переднего фронта каждого очередного импульса напряжения с одновременным сбросом опорного сигнала на нуль совмещают с моментом равенства опорного и первого управляющего сигналов, а формирование заднего фронта импульса осуществляют в моменты равенства опорного сигнала со вторым управляющим сигналом, причем в процессе регулирования напряжения уровень первого сигнала также сохраняют неизменным, а уровень второго изменяют в пределах от нуля до уровня первого.

На фиг.1 в качестве примера приведена одна из возможных схем прямого преобразования электроэнергии однофазного сетевого источника, а на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие ее работу с максимальным напряжением при постоянной тактовой частоте модуляции 1 кГц; на фиг.3 представлен расчетный график зависимости этой частоты от требуемой величины диапазона регулирования напряжения предлагаемым способом; на фиг.4 для сравнения представлен аналогичный график при регулировании с меняющейся длительностью тактовых интервалов; на фиг.5, 6 - полученные компьютерным моделированием временные диаграммы, иллюстрирующие процесс прямого преобразования при ШИМ-регулировании с меняющейся длительностью тактовых интервалов.

Устройство для прямого преобразования энергии однофазного сетевого источника, изображенное на фиг.1, выполнено по известной схеме двухтактного импульсного преобразователя переменного напряжения в постоянное напряжение (АС/ДС). Содержит согласующий трансформатор 1 и модулятор напряжения первичных обмоток, выполненный на транзисторных ключах переменного тока 2, 3, 4. Основным элементом цепей управления служит широтно-импульсный модулятор в составе с источником опорного сигнала U_оп в виде интегратора 5, входом подключенного к сетевому источнику питания, а выходом - к узлу сравнения 6 управляющих сигналов U_y1, U_y2 с опорным сигналом, выход которого подключен ко входу формирователя 7 управляющих импульсов для транзисторных ключей. Основное отличие данной схемы состоит в том, что ее подключение к питающей сети ~220 В осуществляется напрямую без промежуточных звеньев выпрямления и сглаживания сетевого напряжения. Порядок переключений транзисторов в двухтактных схемах известен и состоит в поочередном включении транзисторных пар 2, 3 и 3, 4, чередующемся, в случае работы с нулевыми паузами, с выключением транзистора 3 и одновременным включением транзисторов 2, 4, шунтирующих нагрузку на указанных интервалах нулевых пауз.

Работу данного преобразователя с постоянной тактовой частотой модуляции f=1 кГц иллюстрируют полученные компьютерным моделированием на фиг.2 диаграммы напряжения в обмотках трансформатора U_w, а также управляющих U_y1, U_y2 и опорного U_оп сигналов. Последний получен интегрированием с нуля абсолютных значений сетевого напряжения на каждом такте. Диаграммы построены для случая работы с максимальным напряжением при U_y1=U_y2 в предположении, что время переключения транзистора равно t_n=1.5 мкс, а требуемый диапазон регулирования напряжения D=100. В этом случае минимальная длительность указанного последнего импульса, располагающегося в середине полуволны сетевого напряжения, может быть принята равной t_мин=Dt_n, а длительность такта модуляции Т определится из равенства вольт-секундных площадей первого и последнего за четверть периода сетевого напряжения импульсов

откуда получаем период

(2)

и частоту модуляции f=1/T=1000 Гц, где w=314 c^-1 - круговая частота сети. Полагается, что длительность такта зависит от уровня первого управляющего сигнала U_y1, отыскивается как промежуток времени от начала полуволны сетевого напряжения до точки встречи U_y1 с опорным сигналом и в процессе регулирования сохраняется неизменной. В связи с минимальными значениями огибающей сетевого напряжения длительность первого за полупериод сети импульса напряжения принимается равной всему такту. Полученная кривая напряжения на фиг.2 характеризуется практически полным отсутствием в ее составе низкочастотной составляющей с частотой 50 Гц. Гармонический анализ показывает, что действующее значение этой составляющей по отношению к действующему значению напряжения сети не превышает 4%. Вместе с тем видно, что выравнивание вольт-секундных площадей импульсов, в связи с наличием нулевых пауз, ведет к недоиспользованию напряжения сетевого источника. Отношение максимального действующего значения этого напряжения к действующему напряжению сети в случае U_y1=U_y2 не превышает 45%. При увеличении частоты модуляции значение этого показателя снижается и, например, при f=2000 Гц составляет 33%, в то время как содержание низкочастотной составляющей возростает до 5%. Построенный с помощью (2) на фиг.3 график зависимости f(D) свидетельствует, что рассмотренный способ ШИМ-регулирования не позволяет получить приемлемых для уменьшения массогабаритов трансформатора значений частоты модуляции и не обеспечивает возможность регулирования напряжения в широком диапазоне.

Недостатки предлагаемого способа удается устранить, совмещая начало не только первого, но каждого такта модуляции с моментом равенства опорного и первого управляющего сигналов. В эти же моменты времени предлагается формировать передние фронты очередных импульсов напряжения, а также сбрасывать опорный сигнал и сразу же начинать его формирование с нуля для текущего такта. Формирование задних фронтов импульсов по-прежнему следует производить в моменты равенства опорного и второго управляющего сигналов. В результате, как видно из диаграмм фиг.5, кривая импульсного напряжения U_w в случае U_y1=U_y2 не будет имеет нулевых пауз, в связи с чем использование сетевого напряжения достигает 100%, а относительное содержание низкочастотной составляющей по-прежнему остается на низком уровне, составляя для указанной кривой 3.1%. Видно, что выравнивание вольт-секундных площадей импульсов в данном случае происходит с одновременным автоматическим изменением длительности тактовых интервалов, а именно: по мере приближения к вершине сетевой синусоиды эта частота увеличивается, а вблизи перехода этой синусоиды через нуль - уменьшается. Полагая, что минимальная длительность импульса равна t_мин=Dt_n, определим количество тактов модуляции за полупериод сетевого напряжения, поделив его суммарную вольт-секундную площадь на площадь одного импульса

а затем, составив пропорцию вида

50 (Гц) - 1;

f_cp (Гц) - n,

получим выражение для средней за период сети частоты модуляции

(4)

Подстановка в данное выражение ранее использованных значений t_n=l,5 мкс, D=100 дает, в качестве примера, значение средней частоты f_cp=4,25 кГц. С помощью формулы (4) на фиг.4 построен график зависимости f_cp(D), из которого видно, что предлагаемый способ позволяет повысить частоту питания трансформаторов до десятков и сотен кГц. Для этого достаточно снизить уровень первого управляющего сигнала. Одновременно с этим существенно расширяется диапазон регулирования напряжения, вплоть до значений D=500-700 и выше. Расчетный график f(D) на фиг.4 отражает основную тенденцию предлагаемого способа: чем ниже выбирается средняя частота модуляции, тем шире возможный диапазон регулирования напряжения, в составе которого отсутствует низкочастотная составляющая. Очевидно, что данная тенденция не находится в противоречии с условиями большинства известных технологических процессов. Диаграммы на фиг.6 наглядно иллюстрируют возможность такого регулирования изменением уровня второго управляющего сигнала U_y2<U_y1.

1. Способ прямого преобразования напряжения сетевого источника, основывающийся на широтно-импульсном регулировании напряжения путем изменения полярности напряжения в первичных обмотках сетевого согласующего трансформатора с помощью ключевых элементов с частотой, превышающей частоту сети, и устранении в составе получаемого напряжения низкочастотной сетевой составляющей без применения промежуточных звеньев выпрямления и сглаживания напряжения, путем отыскания моментов переключении по признаку равенства интегральных отклонений абсолютных значений указанного напряжения в положительную и отрицательную стороны на каждом такте модуляции на основе вертикального принципа, предполагающего сравнение управляющих и опорного сигналов, причем последний получают на каждом тактовом интервале времени интегрированием с нулевого начального значения указанных значений сетевого напряжения, отличающийся тем, что длительность каждого первого импульса напряжения на полупериоде сети, начало которого совпадает с моментом перехода сетевого напряжения через нуль, принимают равной длительности всего первого такта, длительность которого отыскивают исходя из равенства вольт-секундных площадей указанного первого и последнего импульсов за четверть периода сети, в то время как длительность последнего принимают равной или большей времени срабатывания ключевых элементов в обмотках трансформатора.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что широтно-импульсное регулирование напряжения в обмотках трансформатора осуществляют при постоянной тактовой частоте модуляции с периодом, равным длительности первого такта, который определяют как интервал времени с момента перехода сетевого напряжения через нуль до момента равенства опорного и первого управляющего сигналов, при этом формирование передних фронтов импульсов напряжения и периодический сброс опорного сигнала на нуль осуществляют в равноотстоящие тактовые моменты времени, а формирование задних фронтов импульсов осуществляют в моменты равенства опорного сигнала со вторым управляющим сигналом, причем в процессе регулирования уровень указанного первого сигнала сохраняют неизменным, а уровень второго изменяют в пределах от нуля до уровня первого.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что широтно-импульсное регулирование напряжения в обмотках трансформатора осуществляют в условиях циклически меняющейся в течение каждого полупериода сети длительности тактовых интервалов в результате того, что формирование переднего фронта каждого очередного импульса напряжения и сброс на нуль опорного сигнала совмещают с моментом равенства опорного и первого управляющего сигналов, а формирование заднего фронта импульса осуществляют в моменты равенства опорного сигнала со вторым управляющим сигналом, причем в процессе регулирования уровень первого указанного сигнала сохраняют неизменным, а уровень второго изменяют в пределах от нуля до уровня первого.