Преобразователь постоянного напряжения в многоступенчатое переменное

 

ОП ИСАНИЕ

И 306РЕТЕ Н ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Сове гскнх

Соцнепнстнческнх

Республик

< 855900 (61) Дополнительное к авт. сеид-ву (22) Заявлено 09,07.79 (21) 2793747/24-07 (51)М. Кл.

Н 02 М 7/515 с присоединением заявки РЙ—

Гесударстевииый кенитет

СССР (23 ) П рноритет

IIo делан изобретений и открытий

Опубликовано 15.08.81. Бюллетень J% З0

Дата опубликования описания 15.08.81 (53) УДК 621.314. .572 (088.8) (72) Авторы изобретения

10. A. Мордвинов и С. И. Королев ., Ф

Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (71) Заявитель (541 11РЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В МНОГО(. ТУПЕНЧАТОЕ ПЕРЕМЕННОЕ

Изобретение относится к преобразовательной технике, а именно к преобразователям постоян ного напряжения в переменное, и может быть использовано в качестве вторичных источников питания переменного тока.

Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий задающий генератор, фаэоl сдвигающее устройство, два инвертора, выходной фильтр и формирователь сигнала рассогласования. Задающий генератор формирует напря. жение прямоугольной формы и определяет ра- 1@

6с ую частоту и фазу одного из инверторов.

Цепи управления другого инвертора соединены с фазосдвигающим устройством, которое формирует прямоугольное напряжение той же частоты, что и эадаюгций генератор, сдвинутое по фа-1 эе на угол, пропорциональный сигналу указанного формирователя. На вход фильтра подается суммарное напряжение двух инверторов с регулируемым фазовым сдвигом. На выходе фильтра напряжение имеет синусоидальную форму и поступает на нагрузку и на схему сравнения. Если его амплитуда превышает опорное напряжение, то сигнал поступает на одновибратор, а фильтр нижних частот выделяет постоян

I ную составляющую, величина которой и определяет фазовый сдвиг между двумя инверторамн (1).

Недостатком данного устройства является низкое качество электроэнергии в переходных режимах (сброс или наброс нагрузки), когда из-эа наличия большого фильтра нижних частот в первоначальный момент замкнутая системз ведет себя как разомкнутая. Кроме того, в процессе регулирования (стабилизации) выходного напряжения изменяется фаза выходного напряжения.

Известен также статический преобразователь, содержащий инвертор повышенной частоты с выходным трансформатором, отводы вторичной обмотки которого подключены к тирнсторному циклоконвертору, задающий генератор, распределитель импульсов, кольцевую пересчетную схему и делитель частоты. Задающий генератор формирует напряжение прямоугольной формы, которое поступает на управляющие электролы тиристоров инвертора и на делитель частоты, на выходе которого формируется прямоугогтье 5

3 855 ное напряжение частоты в К раз ниже рабочей частоты задающего генератора. Выход делителя частоты соединен с кольцевой пересчетной схе мой, на выходе которой формируется нескольК0 импульсов напряжения, распределенных во времени. Сигналы с кольцевой пересчетной схемы и задающего генератора поступают на распределитель импульсов, выходы которого соединены с управляющими электродами тиристоров циклоконвертора (2).

Недостатком этого преобразователя является то, что в нем не предусматривается регулирование величины выходного напряжения.

Известен преобразователь, содержащий высокочастотный инвертор, подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого вместе с отводами через ключи подключена к выходным выводам преобразователя (3).

Недостатком такого устройства является несколько пониженный КНД иэ-эа того, что в любой момент времени в выходной цепи включено последовательно два ключа.

Наиболее близким к изобретению техническим решением является преобразователь постоянного напряжения в миогоступе тчатое леременное, содержащий основной и вспомогательный инверторы с выходными трансформаторами, вторичные обмотки которых выполнены с отводами, управляемые ключи с двухсторонней проводимостью, одними концами подключенные к отводам вторичной обмотки трансфор матора основного инвертора, 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, При этом концы вторичной обмотки трансформатора основного инвертора и ее отводы подключены к другим концам соответствующих ключей с двухсторонней проводимостью (4) .

Данный преобразователь эффективно применяется при узком диапазоне регулирования величины выходного напряжения ер - „. 11< 2 — 3.

С увеличением диапазона регулирования возрастает величина высоких гармонических составляющих в выходном напряжении. Например, при ерег „„о„= 1,0 (ступенчатая модуляция напряжения) и при количестве подинтервалов в каждом тактовом интервале К = 1 (худший вариант) амплитуда одиннадцатой и тринадцатой гармоник (количество тактовых интервалов

i = 6) равна соответственно 0,0909 U, H 0,0769 U, где UI — амплитуда первой гармоники. При и

e = 2 (отношение амплитуд регулируемоРег.+a>

ro и нерегулируемого напряжения у = 0,33) максимальное значение одиннадцатой и тринад10

l5

55 цатой гармоник увеличивается приблизительно до 0,22 О, и 0,18 0 „ что приводит к необ; ходимости увеличения мощности выходного фильтра. С увеличением ер „„(увеличивается

y) соответственно увеличивается и мощность выходного фильтра, что приводит к ухудшению динамических свойств преобразователя. В случае отсутствия выходного фильтра увеличение диапазона регулирования выходного напряжения приводит к ухудц)ению качества электрической энергии. Анализируя особенности рассматриваемой структуры преобразователя, приходим к выводу, что максимальное напряжение, прикладываемое к ключевым элементам, находится в режиме почти максимальной вольтоотбав. ки и с увеличением диапазона регулирования е г,„,з„эта величина резко возрастает. Например, напряжение первой гармоники U, = 315 В, е,„= 6 (у = 0,715). В режиме максимальной вольтодобавки укаэанное напряжение формируется от основного — 184 В, а от вспомогательного — 131 В. В режиме максимальной вопьтоотбавки (напряжение на входе ловысилось примерно в шесть раз) указанные напряжения повысились тоже в шесть раэ, а мгновенное максимальное значение напряжения определяется только напряжением основного инвертора, т,е. 184 х 6 = 1104 В. Если учитывать особенности построения схемы преобразователя (к крайним тиристорам прикладывается

ILBoHHoc напряжение), то практическая реапизация таких преобразователей встречает затруднения, вследствие чего необходима разработка структур преобразователей, обеспечиваннцих снижение напряжения, прикладываемого к ключевым элементам демодулятора, при широком диапазоне изменения напряжения питания. Таким образом, недостатком данного решения при большом диапазоне изменения напряжения питания является низкое качество электрической энергии и ограниченная область применения.

1lem изобретения — повышение качества электрической энергии за счет уменыцения коэффициента гармоник при регулировании величины выходного напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что в известном преобразователе постоянного напряжения в многоступенчатое переменное, содержащем основной и р вспомогательных инверторов с выходными трансформаторами, однотипные вторичные обмотки которых соединены последовательно, управляемые ключи с двухсторонней проводимостью, одни концы которых подключены ко вторичным обмоткам трансформаторов, а другие — к выходным выводам преобразователя, и схему управления, связанную с цепями управления ключей и указанными выводами число витков Wz () ) однотипных вто ричных обмоток выходных трансформаторов

5 85590 вспомогательных инверторов выбирают из соотношения где j=1,2,3,....Д

М/,(.1)- число витков первичной обмотки трансформатора j-ro вспомогательного инвертора, е „, „— максимальный диапазон регулирег.юа рования первой гармоники ступенчатого напряжения.

На фиг, 1 представлены схемы регулируемого по напряжению преобразователя; на фиг. 2 — 1 диаграммы напряжений на отдельных его элементах.

Преобразователь с многоступенчатой формой выходного напряжения на фиг. 1 содержит основной 1 и и вспомогательных 2 — 4 инверторов эр с вь|ходными трансформаторами 5 — 8, однотипные вторичные обмотки 9 — 20 которых соединены последовательно. ключи с двухсторонней проводимостью, выполненные на тиристорах

2l — 32, одни концы которых подключены ко вторичным обмоткам трансформаторов, а другие — к выходным выводам 33 — 34 преобразователя, и схему 35 управления, связанную с цепями управления ключей и укаэанными выводами (33 и 34). Число витков W-.()) однотипных вторичных обмоток 12 — 20 выходных трансформаторов вспомогательных инверторов выбирают из соотношения.

Рассмотрим работу преобразователя при формировании выходного напряжения с количест35 вом тактовых интервалов i = 6 и количеством подинтервалов в каждом тактовом интервале

К = 2. Рабочая частота инверторов превышает выходную в i ° К раз (в данном случае в двенадцать раз). Напряжение 36, формируемое основиым инвертором, представлено на фиг. 2, а каждый вспомогательный инвертор с зави симости от входного напряжения формирует напряжение 37, длительность которого изменяется (фиг. 2). В результате на нагрузку может поступить напряжение 38 и 39 (режим вольтоотбавки), или напряжение с вольтодобавкой (не показано). Законы 40 — 51 управления тиристорами при коэффициенте мощности потребителя Cos p 1;0 представлены на фиг. 2 (тиристору 21 соответствует закон 40 управления, тиристору 22 — закон 41 и т.д.). Регулирование выходного напряжения осуществляется при помощи р вспомогательных инверторов (в данном случае р 3), причем в любой момент времени изменяется напряжение по длительности только одного элементарного инвертора. При максимальном напряжении питания (нагрузка постоянная и на выходе полдерживает0 6 ся постоянное напряжение) напряжения однотипных вторичных обмоток 12 — 20 суммируют. ся и вычитаются из соответствующих напряжений обмоток 9 — l l, При снижении напряжения питания начинает изменяться длительность напряжения первого вспомогательного инвертора 2, который переходит в режим регулируемой вольтоотбавки, входит второй вспомогательный инвертор и т.д. Мгновенное значение напряжения, прикладываемое к тиристорам, достигает максимальной величины в режиме почти максимальной вольтоотбавки (д = 0 +

+ напряжение 38 на фиг. 2).При предлагаемом законе распределения напряжений вторичных обмоток согласующих трансформаторов вспомогательных инверторов во всех режимах максимальной вольтоотбавки (в данном случае в трех режимах) указанные напряжения равны между собой. Кроме того, максимальные амплитуды высших гармонических составляющих по зонам тоже одинаковые, что в кОнечном итоге приводит к улучшению качества электрической энергии на выходе преобразователя.

Если же применять одинаковые трансформа торы вспомогательных инверторов, т.е, все трансформаторы и напряжение их вторичных обмоток равны, то максимальное напряжение, прнкладываемое к тиристорам, находится в режиме первой почти максимальной вольтоотбавки (P = 0 + ), в режиме второй и третьей почти максимальной вольтоотбавки указанные величины напряжений снижаются..

Реализация предлагаемого изобретения обеспечивает по зонам неизменное максимальное напряжение, прикладываемое к ключевым элементам демодулятора, и неизменные максимальные амплитуды высших гармонических составляющих.

Таким образом, предлагаемое изобретение в отличие от известного обеспечивает улучшенное качество электрической энергии на нагрузке и расширяет функциональные возможности подобных структур статических преобразователей.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в многоступенчатое переменное, содержащий основной и д вспомогательных инверторов с выходными трансформаторами, однотипные вторичные обмотки которых соединены последовательно, управляемые ключи с двухсторонней проводимостью, одни концы которых подключены ко вторичным обмоткам трансформаторов, а другие — к выходным выводам преобразователя, и схему управления, связанную с цепями управления ключей и упомянутыми выволами,отличающиися тем,что,с целью улучшения качества электрической энергии эа счет уменьшения коэффициента гармоник при регулировании величины выходного напряжения и расширения функциональных возможностей, количество витков W ()) однотипных вторичных обмоток выходных трансфор маторов вспомогательных инверторов выбирают иэ соотношения

® 0 и яц g) % ()) ЯГ. ОУ

-у F

j=1,2.,3,...д;

W> () — количество витков первичной обмотки трансформатора j-го вспомогательного инвертора;

900 8 ер г „„„„— максимальный диапазон регулирования первой гармоники выходного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР N 315167, кл. 6 05 F 1/10, 1970.

2, Авторское свидетельство СССР по заявке N 2525693/07, кл. Н 02 М 7/515, 1978. о

3. Авторское свидетельство СССР по заявке

И 2691081/07, кл. Н 02 М 7/48, Н 02 M 7/515, 05.12.78.

4. Авторское свидетельство СССР по заявке

N 264! 808/07, кл. Н 02 М 7/48, Н 02 М 7/5 1 5, 10,07.78 (прототип).

: 855900

Составитель Г. Мыцык

Редактор Л. Тюрина Техред M. Kourrypa Корректор С. Корниенко

Заказ б960/81 Тираж 730 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Фклиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектнаи, 4