Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальной формы

 

Союз Советских

Социапистических

Республик

ОПИСЛНИИ

ИЗОБРЕТЕН Ия

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 >917286 (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 22. 12. 80 (21) 3220371/24-07 с присоединениеат заявки № (23) Приоритет (51)M. Кл.

Н 02 М 7/537

Геоударотаанный комитат

СССР

Опубликовано 30.03.82 ° Бюллетень №

Дата опубликования описания 30. 03.82 но делам изобретений и открытий (53) ÂK 621.

° 314.57 (088.8) (72) Авторы изобретения . ф к

С

В.В. Сазонов и В.Т. Барабаш (71) Заявитель

Куйбышевский институт инженеров железнодор транспорта

/ (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В ПЕРЕМЕННОЕ СИНУСОИДАЛЬНОЙ ФОРМЫ

Изобретение относится к электротехнике, а более конкретно к преобразователям постоянного напряжения в переменное, Такие преобразователи широко применяются в электроприводе для питания датчиков и других устройств автоматики и телемеханики.

Известны полупроводниковые преобразователи постоянного напряжения в переменное напряжение синусоидальной формы, в которых формирование выходного напряжения осуществляется путем двухполярной широтно-импульсной модуляции. Для таких преобразователей характерно высокое качество выходного напряжения (низкий коэффициент гармоник) после фильтрации, относительно высокий КПД, простота построения силовых каскадов и управления ими.

Иирокое распространение получили преобразователи, у которых модуляция производится по синусоидальному закону Г1 .

Известны преобразователи с двухполярной модуляцией, работающие по принципу полуслежения и слежения за опорным (эталонным) сигналом. В преобразователе с полуслежением устройство управления состоит из источника опорного синусоидального напряжения, генератора тактовой частоты, интегратора-сумматора и двух пороговых- элементов, совместно с генератором так1О товой частоты управляю 1их работой выходного инвертора СП .

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является преобразователь, содержащий выходной

15 инвертор, согласующий .каскад и схему управления, включающую в себя источник опорного напряжения, пороговый элемент и интегратор, вход кото20 рого подключен к последовательно соединенным источнику опорного напряжения и обмотке обратной связи выходного трансформатора инвертора, а выход — к входу порогового элементат.33.

3 91728

Недостатком известного преобразователя является трудность обеспечения глубины модуляции, что не по: зволяет получить оптимальные фильтоы. Кроме того, не обеспечивается высокая стабильность выходного на" пряжения при переменной нагрузке .

Цель изобретения - улучшение мас согабаритных характеристик и повышение КПД путем стабилизации часто- 1р ты и увеличения глубины модуляции.

Указанная цель достигается тем, что в схему управления преобразователя введен дополнительный интегратор напряжения, вход этого интегра-. 1g тора подключен к обмотке выходного трансформатора, выход — к второму входу порогового элемента, параллельно конденсатору интегратора включен транзисторнь|й ключ, на третий . щ вход порогового элеМента через диод подключен один конец дополнительной обмотки трансформатора, другой конец которой подсоединен к точке соединения источника опорного напряжения и 25 обмотке обратной связи трансформатора согласно с последней, параллельно

О входу порогового элемента, связанному с выходом основного Интегратора, подключен другой транзисторный ключ, ЗВ при этом к управляющим входам указанных транзисторных ключей подключены противофазно обмотки выходного трансформатора.

На фиг. 1 приведена схема преобра- э зователя; на фиг. 2 — диаграммы, поясняющие работу схемы.

Преобразователь состоит из.силового инвертора и схемы управления. Инвертор выполнен по двухтактной схеме 4g с выводом средней точки и содержит выходной трансформатор 1 и транзисторные ключи 2 и 3. Однако инвертор может быть выполнен и по любой другой схеме. Инвертор подключен к входным 4 выводам источника питания.

Схема уяравления содержит источник 4 опорного напряжения синусоидальной формы, интегратор 5, дополнительный интегратор 6 и пороговый элемент 7. Интеграторы выполнены на базе интегральных операционных усилителей с емкостной обратной связью, хотя .возможно применение любых интеграторов напряжения, напРимеР Резистивно-емкостных цепочек. Одна клемма источника опорного напряжения подключена к общей шине схемы управля

6 4 ния,другая - к общей точке согласно включенных обмоток 8 и 9 выходного трансформатора 1. Вторым концом обмотка 9 подключена к входу интегратора 5, а обмотка 8 через диод 10к входу порогового элемента 7. Число витков обмотки 8 и 9 одинаково. Выход интегратора 5 через резистор 11 подключен на вход порогового элемента 7, который через транзистор 12 подключен к общей шине схемы управления. Управляющий вход транзистора l2 подключен к обмотке 13 трансформатора. К входу дополнительного интегратора 5 подключена обмотка 14 трансформатора 1. Параллельно конденсатору дополнительного интегратора 6 подключен разряжающий транзистор 15, управляющий вход которого подключен к обмотке 16 трансформатора l. Обмотки 13 и 16 подключены к базам соответствующих транзисторов противофазно. Выход дополнительного интегратора 6 подключен к входу порогового элемента (ПЭ), в качестве которого использован операционный усилитель с положительной обратной связью, об- ладающий релейной характеристикой с гистерезисом (вид характеристики приведен на фиг. 2а ). .Один порог срабатывания (Uq q ) равен нулю, другой (0>!)p< ) отличен от нуля. Выход ПЭ подключен к согласующему каскаду 17, который согласует по мощности и полярности выход порогового элемента и управляющие входы транзисторов 2 и 3.

Преобразователь работает следую-, щим образом.

Когда открыт транзистор 2 и закрыт транзистор 3 инвертора (интервал t4), разряжающий транзистор 15 заперт напряжением на обмотке 16, происходит интегрирование напряжения (положительного) обмотки 14., приложенного к входу дополнительного интегратора 6. Выходное напряжение дополнительного интегратора 6 изменяется в соответствии с выражением

t и„.„(s) =. -к„ f к„(и „-ди )at,!i)

В где 54 - коэффициент передачи дополнительного интегратора 6;

K=M4 /\(р - коэффициент трансформации;

:+ Uoo)dt+Uug (t4), (7) 5 9172

Ч - число витков первичных обмоток трансформатора 1;

Ч4 - число витков обмотки 14;

5 д0 - падение напряжения на силовых транзисторах и первичной обмотке инвертора.

Кривая изменения напряжения Uu» »в при 0»o = const показана на фиг. 26 .

Вход порогового элемента, подключенный к интегратору 5, в течение интервала t4, зашунтирован открытым транзистором 12. Поэтому на порого- 15 вом элементе воздействуют отрицательное напряжение Ои1 и положительное напряжение, приложенное через диод

10 и равное алгебраической сумме напряжения на обмотке 8 (04) и опор- zo ного напряжения (О« ). Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы напряжение на обмотке 8 по величине всегда было больше опорного напряжения (/О((> /Ооп/); В этом случае 25 величина (О» л- 0«) в интервале t4 положительна при любой полярности О()(»

Величина напряжения 04 определяется выражением !

u„= к,(u„- u,), 30 где K =W /Wo - коэффициент трансформации;

W - число витков обмоток 8 и 9 трансформатора.

Пока выполняется условие

SS

luau ° 0ozl > lUu 1 пороговый элемент находится в состоянии, соответствующем верхней ветви характеристики (фиг. 2а). Положительное напряжение на выходе поро- 40 гового элемента через согласующий каскад поддерживает открытым транзистор 2 и закрытым - транзистор 3 инвертора.

На входе интегратора 5 в течение интервала t» действует отрицательное напряжение, равное разности напряжения на обмотке 9 (также 0 ) и напряжения 0()(1 . Выходное напряжение этого интегратора изменяется по закону .

Uuu(t) = 5а J (Kg(Uu - bUu)

- u,„jdt + u„ (0), . (2) где S - коэффициент переда.- чи интегратора 5; .

u„„O)=u„„ t=0) - значение u„ в начале интервала tq, 86 е

Диграмма изменения напряжения. Uyg показана на фиг. 2 Д.

Когда при t t4 напряжение Оа(1 достигается,по абсолютной величине значения (Uu» + Uon ), т.е. наступает. равенство

Cu<(t<) + u«(t„))+ Uu4 (t< )

= Uaopq = О,. (3)

ПЭ срабатывает, запирает транзистор 2 и отпирает транзистор 3, происходит . смена полярности напряжений на всех обмотках трансформатора 1 и на нагрузке 4 (фиг. 2,j). Формирование интервала t закончено, начинается интервал t .

Из соотношений (1) и (3) имеем

t»

5< ) K»(Uu -аЬа)ЬС

Π— Kg(Uu - LUo) + 0«(tg) (4)

Напряжение на выходе интегратора 5 в конце интервала t< равно

+,»

Ugg(„) = Sg J ЕК,0„- д0,) 0 - U,„Ädt + Uuz(0) (5)

После переключения схемы транзистор 15 отпирается и разряжает конденсатор дополнительного интегратора 6, на выходе последнего устанавли-: вается нулевое напряжение. Диод 10 запирается разностью напряжений О» и О« . Транзистор 12 также запирает« ся и выход интегратора 5 подключается на вход порогового элемента, На. входе интегратора 5 действует сумма напряжений О< и Uon, эта сумма положительна, так как 10 <1 0 10()()(1 .

Выходное напряжение интегратора 5 ! (изменяется согласно выражению нн (а) = 52 / (Ка (нн - ана) + Л

+ u,Î1dt + UU2(t4)

Когда это напряжение достигается значения Upon, ПЭ срабатывает, запирает транзистор 3 и отпирает транзистор 2 инвертора. Формирование интервала tZ закончено.

Далее описанный процесс циклически повторяется.

В конце интервала t

4а» 2

0»(t„+«) =.- 0 г(0п- î) + ь.л

917286 (8) 7

Поскольку 0()g (й»»-й ) =Ups„(0)

-0щ р то из выражений (5) и (7) имеем

6» ,) (.

= 5 (К (0„-<0,) + 0,)dt, где Т = й» »- и - период модуляции.

Среднее значение выходного напря" жения преобразователя за период модуляции Т равно л 4ы),(.ц . = — t f (Un - aU<)dt

T т

/ (u, - au.)d 3, () »

20 где К5=Ч /И - коэффициент трансфор" мации;

W5,- число витков выходной обмотки трансформато ра.

Преобразовав выражение (8) +л

J!u -

1 +,, т

КЯ,/ 0оп dt »- Uan d t = «К,) Uan dt о ь К2() и подставив левую часть полученного З5 уравнения в (9), получим

Кь

06ыъ(.ар = К 0 пар., (1p)

1 г 40 где Uon - — — — f 0(,п dt - среднее знаТ () ное напряжение имеет постоянную величину, т.е. обратная связь по выходному напряжению отсутствует, Кроме того, на величину выходного напряжения не влияют падения напряжения на силовых транзисторах инвертора и на первичных обмотках трансформатора, учтенные параметром aUO, Если же организовать контур обрат-. ной связи и воздействовать на величину Uon в функции отклонения 0ьых от номинального значения, то стабильность преобразователя значительно повысится. Следует отметить, что на стабильность выходного напряжения не влияет изменение параметров схемы управления, в частности интеграторов и порогового элемента.

Поскольку 04ы),ру не зависит от величины 0ц, то в предлагаемом преобразователе форма выходного напряжения мало зависит от уровня и формы пульсаций напряжения питания. Это особенно важно, если преобразователь питается от выпрямителя с большими пульсациями напряжения или от источника с высоким уровнем помех.

Период модуляции Т приближенно можно определить следующим образом.

Если положить, что 0(л = const, в течение Т величина опорного напряжения в момент времени 2 = tq мало отличается от его среднего значения за период модуляции Uon (t ) Uan,с(ъ,, то из выражения ((»)получим

Ka(U - А00)+ Unn× (11)

При тех. we допущенных из (5) имеем

KZ.(0т - 0 ) - 0on. ð. () т =е», чение опорного напряжения за период модуляции, .Из последнего выражения видно, что среднее за период модуляции значение выходного напряжения преобразователя пропорционально среднему значению опорного напряжения. Поскольку Uon изменяется по синусоудальному закону (фиг. 2,3 ), то и

50 среднее за интервал Т значение выходного напряжения изменяется по синусоидальному закону (фиг. 2о, пунктир).

Из выражения (10) также видно, что выходное напряжение не зависит

55 от величины напряжения питания, бла: годаря чему обеспечивается стабилизация Ug „ даже в случае, если опор

С учетом (11) выражение для примет вид

К2. (00."600) Uon cV ъ Рзр2&7 (13) Тогда из (11)и (13) получим

Т = t» + »

2Ка. (,14) 4 К»

Таким образом, период модуляции определяется только параметром схемы и не зависит ни от опорного, ни от входного напряжения. Это является существенным преимуществом изобретения, поскольку представляется возможным использовать для выделения основной и подавления высших гармоник выходного напряжения оптимальный фильтр.

9 91

Работа преобразователя обеспечивается в широком диапазоне параметров всех элементов. Единственным ограничением является указанное выше условие: К (0П -дЦ,)) ) 0О11(. Одна.ко, если величина 0сп близка к величине Kg(0v - д0 ), то схема работает нормально и все полученные соот-. ношения выполняются. Это позволяет довести амплитуду опорного напряжения до значения, мало отличающегося от К2(0в . - ь0 ). Диапазон изме-. нения интервалов t<,, и t< в процессе формирования синусоиды в этом случае близок к периоду модуляции Т, что видно из выражений (11) и (13), и принципиально может быть достугнут теоретический предел глубины моду™ пяции. Это позволяет максимально использовать по мощности выходной каскад и получить высокий КПД преобразования.

Таким образом, предлагаемый преобразователь практически не отличаясь по сложности. от известного (обе схемы имеют одинаковое количество функциональных элементов), лишен главных его недостатков. В нем обеспечивается постоянство частоты модуляции и максимально возможная глубина модуляции. Это, в свою очередь, позволяет значительно улучшить массогабаритные показатели преобразователя за счет оптимизации выходного фильтра и повысить КПД. Кроме того, в предлагаемом преобразователе обеспечивается хорошее воспроизведение на выходе формы опорного напряжения и не представляет сложность введения отрицательной обратной связи непосредственно по напряжению на нагрузке, если последняя подключейа к инвертору через фильтр.

Формула-изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в. переменное синусоидальной

7286 10 формы, содержащий выходной инвертор, согласующий каскад и схему управле" ния, выполненную на источнике опорного напряжения, пороговом элементе и интеграторе, вход которого подключен к последовательно соединенным источнику опорного напряжения и обмотке обратной связи выходного транс" форматора инвертора, а выход - к вхо1О ду порогового элемента, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных характеристик и повышения КПД путем стабилизации частоты и увеличения глубины

1З модуляции, в схему управления введен дополнительный интегратор напряжения, вход этого интегратора подключен к обмотке выходного трансформатора, выход - к второму входу порогового эле2о мента, параллельно конденсатору ин- тегратора включен транзисторный ключ, на третий вход порогового элемента че.рез диод подключен один конец дополнительной обмотки трансформатора, 25 другой конец которой согласно с обмоткой обратной связи подключен к точке ее соединения с источником опорного "напряжения, параллельно входу порогового элемента, связанному с вызд ходом основного интегратора, подключен другой транзисторный ключ, при этом к управляющим входам указанных транзисторных ключей подключены противофазно обмотки выходного трансформатора.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Сборник "Проблемы преобразовательной техники"..К., "Наукова думка", 1979, вып. 5, с. 175.

2. Сборник "Устройства преобразовательной техники". К., 1970, вып.4, с. 113-125 °

3. Патент США N 3710229, кл. Н 02 М 1/12, 1973

917286. %юр

Составитель Н. Цишевская

Техред 3. Фанта Корректор М. Шароши

Редактор А. Мотыль

Т.ираж 7.19 Подписное

ВНИИПЙ Государственного комитета СССР . по делам изобретений и открытий.

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

Заказ 1900/74 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4