Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное многоступенчатой формы

 

ОП ИСАНИЕ изоБЕитЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союэ Советских

Социалистических

Республик

< 752694 (6I ) Дополиительиое к авт. свид-ву (22) Заявлено 10.07.78 (21) 2641898/24-07 (51)М. Кл.

Н 02 М 7/515 с присоединением заявки ¹

Государственный комитет

СССР (23) Приоритет по делан изобретений н открытий

Опубликовано 30 07.80. Бюллетень №28 (53 ) УД К 621. 314., 57 2 (088.8 ) Дата опубликования описания 31.07.80 (72) Авторы изобретения

Ю. А. Мордвинов и С. И. Королев

Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлект оники (7I) Заявитель (54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ МНОГОСТУПЕНЧА ТОЙ ФОРМ Ы

Изобретение относится к преобразова тельной технике и может быть использовано в системах электропитания для получения стабилизированного напряжения синусоидальной формы низкой частоты.

Известен преобразователь постоянного

5 напряжения, содержащий задающий генератор, фазосдвигаюшее устройство, два инвертора, выходной фильтр и формирователь сигнала рассогласования. Задающий rel0 . нератор формирует напряжение прямоуголь ной формы и определяет рабочую частоту и фазу одного из инверторов. Цепи управления другого инвертора соединены с фазосдвигаюшим устройством, которое форми-, рует прямоугольное напряжение той же частоты, что и задающий генератор, но сдвинутое по фазе на угол,пропорциональный сигналу указанного фор мирователя

На вход фильтра подается суммарное напряжение двух инверторов с регулируемым углом сдвига. На выходе фильтра напряжение имеет синусоидальную форму и поступает на нагрузку и на схему срав2 нения. Если его амплитуда превышает опорное напряжение, то сигнал поступает на одновибратор, а фильтр нижних частот выделяет постоянную составляющую этих импульсов, величина которой и определяет зовый сдвиг между двумя инверторами

1».

Недостатком данного преобразователя является низкое качество электрической энергии в переходных режимах, что обусловлено наличием фильтра низших частот, и изменение фазы выходного напряжения в процессе регулирования (стабилизацни).

Известен также преобразователь, содержащий инвертор повышенной частоты с выходным трансформатором, отводы вто ричной обмотки которого подключены к встречно-параллельно включенным вентилям циклоконвертора, задающий генератор, распределитель импульсов, кольцевую пересчетную схему и делитель частоты. Задающий генератор формирует напряжение прямоугольной формы, которое поступает на

Ф правляюшие электроды тиристоров инвер3 75269 тора и на делитель частоты, на выходе которого формируется прямоугольное напряжение частоты в К раз ниже рабочей частоты задающего генератора. Выход доителя частоты соединен с . кольцевой пересчетной схемой, на выходе которой формируется несколько импульсов напряЬ жения, распределенных во. времени. Затем: сигналы с кольцевой пересчетной схемы и задающего генератора поступают на рас-1р пределитель импульсов, выходы которого соединены с управляющими электродами тиристоров циклоконвертора j2).

Недостатком данного преобразователя является то, что в нем не предусмотрено, регулирование величины выходного напряжения.. Наиболее близким по технической сушности является стабилизированный статический преобразователь с синусоидельным выходным напряжением, состоящий из двух элементарных преобразователей, выходы которых соединены последовательно. При этом каждый элементарный преобразователь содержит инвертор повышенной частоты с выходным трансформатором, отводы втор ичной об мотки которого подключены: к встречно-параллельно включенным тиристорам циклоконвертора (НПЧ), системы управления каждым элементарным преобразователем, фазосдвигающее устройство и блок обратной связи. На выходе каждого элементарного преобразователя формируется многоступенчатое напряжение, фазовый сдвиг одного из которых по отношению к другому регулируешься при помоши фазосдвигающего устройства. Значение напряжения будет зависеть от фазового сдвига между двумя указанными преобра40 зователями и будет максимальное, когда фазовый сдвиг еА= О.. Стабилизация выходного напряжения осушествляется фазовым способом за счет использования зам-, томатического регулиро 45 вания по отклонению. В связи с этим и предусмотрено введение блока обратной связи, подключенного к выходу стабилизированного преобразователя, Сигнал с выхода обратной связи поступает в фазо50 сдвигающее устройство, которое и определяет фазовый сдвиг между напряжениями двух элементарных преобразователей 3 .

При формировании напряжения низкой частоты в блоке обратной связи величина сглаживающего фильтра (обычно R-С)

:. должна обладать большой постоянной для хороша о сглаживания переменного вы римаенного напряжения. Это обусловлено

4 4 тем, что сравнение выходного напряжения и напряжения уставки осушествляется на постоянном токе. Это приводит к тому, что при резком сбросе нагрузки напряжение на выходе преобразователя имеет боль шую величину перерегулирования, а при набросе нагрузки наблюдается провал выходного напряжения. Это обусловлено тем, что в первоначальный момент времени

:замкнутая система ведет себя как разом-. кнутая иэ-за большой постоянной времени фильтра, входящего в блок обратной связи.

Кроме того, для целей регулирования используется два элементарных преобразователя, содержащих по одному циклоко +вертору. Это приводит к увеличени|о в два раза количества вентилей циклоконвертора, а значит массы и габаритов, хотя и классность их при этом в два раза уменьшается по сравненио с нерегулируемым статическим преобразователем (масса и габариты тиристоров не зависят от их классности). Кроме того, в процессе регулирования загрузки одного и того же тиристора при постоянной нагрузке существенно изменяется. Например, при работе элементарных преобразо вателей HB активную нагрузку для обеспе чения диапазона регулирования Еое„=2 нужно изменять фазовый угол 2 с от 0 до 120, Это приводит к тому, что при

25=*1200 один элементарный преобразователь будет работать на эквивалентную нагрузку со 4 =0,5 (d, ** 20 /2=60о) индуктивного характера, а другой на нагрузку со М „=0,5 емкостного харак4 тера. Величина среднего значения тока, протекаюшего через любой т -ый вентиль циклоконвертора, зависит от со6 Ч", Так, например, для вентилей формирующих первую ступень напряжения (m = 1), нагрузки при coo 9» =0 и с э „=0,5 отличаются в 3 раза (количество тактовых интервалов 1 6, подынтервалов К=2), а при К=.З - в 4 раза. Кроме того, для управления рассматриваемым преобразователем нужна сложная схема управления, включаюшая в себя две кольцевые пересчетные схемы, жестко синхронизируемые между собой.

Недостатком данного преобразователя является низкое качество электрической

I / энергии в переходных режимах, значительная масса и габариты устройства.

Известен преобразователь, использую- ший специиальный измерительный органдемодулятор, безынерционно преобразук»

5 7526 щий переменное напряжение в постоянное (без пульсаций) 41.

Белью изобретения является упрощение устройств, уменьшение нх массы и габаритов и улучшение качества преобразованной электроэнергии.

Поставленная пель достигается тем, что в известном стабилизированноМ преобразователе, содержащем основной и вспомогательный инверторы с выходи, ми 16 трансформаторами, вторичные обмотки которых выполнены с отводами, к почи с двухсторонней проводимостью, одними концами подключенные к отводам вторичной . обмотки трансформатора основного инвер- и тора с заданным соотношением чисел витков, а также блок управления, включающий в себя первую систему управления основным инвертором и упомянутыми ключами и вторую систему управления вспомога- щ тельным инвертором, управляющими входа ми связанную с выходом преобразователя и с первой системой управления, концы вторичной обмотки трансформатора вспомогательного инвертора- и ее отводы, числом 25 равные числу отводов вторичной обмотки трансформатора основного инвертора и выполненные с тем же соотношением чисел витков, подключены к другим концам соответствующих ключей с двухсторонней З@ проводимостью.

На фиг, 1 представлена схема стабишьзированного статического преобразователя,. на фиг. 2 — диаграммы напряжений на отдельных элементах схемы, 35

Преобразователь содержит основной нерегулируемый инвертор 1 с первой системой 2 управления, состоящей из задающего генератора 3 и кольцевой пересчетной схемы 4, выходной трансформатор 5 с отводами 6-12 вторичной обмотки, ключи 13-18 с двухсторонней проводимостью, образующие циклоконвертор, выходной фильтр 19, блок 20 обратной связи, вспо- 45 могательный регулируемый инвертор 21, со второй системой 22 управления и с выходным трансформатором 23 с отводами

24-30 вторичной обмотки, а также демодулятор 31.

Рассмотрим работу преобразователя (фиг. 1) при формировании трехступенчатого напряжения с количеством подыинтервалов ь каж (ом тактовом интервале Х2 (фиг.2).

Задающий генератор 3 схемы 2 управления формирует прямоугольный сигнал 32, который поступает на управляющие электроды ключей и тиристоров основного инвертора..

Такое же по форме и частоте напряжение .

94 6 формируется на вторичной обмотке сило вого,трансформатора 5. При помощи кольцевой пересчетной схемы 4 получают последовательность прямоугольных импульсов, которые поступают на соответствующие управляющие электроды ключей 13-18, соединенных с отводами 6-8, 10-12, 2426, 28-30 вторичных обмоток трансформаторов основного и вспомогательного инвертора. На вторичной обмотке трансформатора, вспомогательного ннвертора формируется прямоугольное напряжение ЗЗ, 34 с регулируемой скважностью (используется двухсторонняя модуляция), что достигается за счет определенного управления ключами инвертора 21 при помощи системы 22 управления. В момент времеаа, (фиг. 2) импульс управления цс ступает на управляющий вход ключа 15, и суммарное напряжение частей обмоток

8 и 9 и 26-27 прикладывается к нагрузке. При этом напряжение части обмотки

26-27 может быть с обеими знаками (как вычитаться — 35, так и суммироваться — 36). В момент времени t4 включают ключ 16 (15 выключается) и к нагрузке подключают части обмоток 9-10 и 27-28. Очевидно, что обмотки 8-9 и

9-10, 26-27 и 27-28 одинаковые, так как они формируют напряжение одного тактового интервала, Число подынтервалов (К=2) может вы-. бираться любой величиной, а соотношение амплитуд части обмоток 8-9 и 26-27, 7-9 и 25-.27, 6-9 и 24-27 зависит от диапазона регулирования Е рег.-Оюа /О

Так, например, при Е. а,- — = 2 напряжения указанных частей обмоток находятся в соотношении 1: О, ЗЗ. При формировании вь ходного напряжения во второй тактовый. интервал (t<... t д ) поочередно включа.— ют ключи 14 и 17 и т. д. Таким образом, при максимальном напряжении питания инвертор 21 формирует напряжение 33 без нулевой паузы и его величина вычитается из напряжения нерегулируемого инвертора. При снижении напряжения питания (или ином возмущающем воздействии) за счет. замктнутой системы стабилизапии осуществляется уменьшением длительнооти импульса до нуля (режим вольтовычитания). При дальнейшем снижении входного напряжения длительность импульса регулируемого инвертора начинает изменяться от нуля и до максимальной величины (режим вольтодобавки) и суммируется с напряжением основного инвертора. При та-1 ком построении преобразователя фаза вы4 8 ко меньше, чем в известном (при Я ре =

=2, < =6, К=2, Р, =1), максимальный коэффициент искажения синусоидальности К рассматриваемого преобразователя 5,29,, а у прототипа 7,3%. Кроме этого неоЬходимо отметить, что схема управления предлагаемого преобразователя значительно проще схемы управления известного.

Формула изобретения

Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в переменное мно-: гоступенчатой формы, содержащий основной и вспомогательный инверторы с выходными трансформаторами, вторичные обмотки которых выполнены с отводами, ключи с двухсторонней проводимостью, одними концами подключенные к отводам вторичной обмотки трансформатора осно ного инвертора с заданным соотношением чисел витков, а .также блок управления, включающий в себя первую систему управления основным инвертором и упомянутыми ключами и вторую систему управления вспомогательным инвертором управляющими входами связанную с выходом преобразователя и с первой системой управления, отличающийся тем, что, с целью упрощения, уменьшения массы и габаритов и улучшения качества преобразован- . ной электроэнергии, концы вторичной обмотки трансформатора вспомогательного инвертора и ее отводы, числом равные числу отводов вторичной обмотки трансформатора основного инвертора и выполненные с тем же соотношением чисел витков, подключены к другим концам соответствующих ключей с двухсторонней проводимоотыо, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторскор свидетельство СССР № 315167, кл. G 05 Р 1/10, 1967.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке Ка 2525693/07, кл. Н 02 М

7/515, 1977.

3, Непосредственные преобразователи частоты. Киев, изд-е общества "Знание, 1977, с. 32.

4. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2576286/07, Н 02 М 7/515)

197 8.

° 7 75269 ходного напряжения в процессе регулирования остается неизменной, что является необходимым условием для питания определенного рода нагрузок.

К отводам 24, 25,26,28,29,30 и 9 подключен демодулятор (фиг, 1), на выходе которого формируется постоянное на-. пряжение 37. На вход демодулятора (относительно отвода 9) поступает ступенчатое напряжение нерегулируемого инвертора, О которое, например, при помощи выпрямителей выпрямляется (38) иприпомоши делителей транзисторов, управляемых с выхода кольцевойпересчетнойсхемы,преобразуется в постоянное. Сигнал на выходе демодулятора пропорционален мгновенному значению выходного многоступенчатого напряжения нерегу- лируемого инвертора и учитывает внешнюю характеристцку преобразователя и колебание напряжения питания. Таким образом, резкое изменение напряжения питания или нагрузки (в переходных режимах) приводит к мгновенному изменению сигнала на выходе демодулятора, в схеме кото рого отсутствуют реактивные элементы, и мгновенному изменению длительности импульса напряженйя дополнительного инвертора. Дополнительная стабилизация выходного напряжения преобразователя в статическом режиме достигается эа счет использования главной обратной связи.

Такое построение преобразователя позволяет уменьшить величину перерегулирования (провала) выходного напряжения в переходных режимах и уменьшить длитель ность переходного процесса. Кроме того, в предлагаемой схеме используется один циклоконвертор, а значит по сравнению с прототипом уменьшается в 2 раза количество тиристоров, их масса и габариты. 4а

При этом величина тока через - ый вентиль в процессе стабилизации выходного напряжения при постоянной нагрузке остается неизменной, что еше дает выиграш в установленной мощности, массе и габа- 4 ритов циклоконвертора. Величина габарич ной мощности трансформаторов предлагаемого устройства такая же как и прототи па и определяется двумя крайними режимами (напряжение питания минимальное и максимальное, нагрузка активная). Из анализа процессов установлено, что относительная мощность выходного фильтра

Р » в предлагаемом устройстве несколь