Преобразователь постоянного напряжения в однофазное переменное с амплитудно-импульсной модуляцией

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (ii> 997204

Союз Советских

Социалистических

Республик

)ф Я (61) Дополнительное к авт. свид-ву(22) Заявлено 170281 (2t) 3248379/24-07 с присоединением заявки № (23) Приоритет

1И } М. Кл.з

Н 02 М 7/515

Государственный комитет

СССР но делам изобретений и открытий.

РМ УАК 621. 314.

° 572(088 ° 8) Опубликовано 1502.83. Бюллетень ¹ б

Дата опубликования описания 150283

Э. Н. Гречко, Д.С. Вертелецкцй, В;Е. Пав

О.И. Фирсов и В.В. ГолубеВ с

i -,-, —,, / ю

В е

Институт электродинамики AH Украийской QCP -:

М (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В ОДНОФАЗНОЕ ПЕРЕМЕННОЕ С АМПЛИТУДНОИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в регулируемых вторичных источниках питания с синусоидальным выходом.

Известны автономные инверторы с амплитудно-импульсной модуляцией кри-вой выходного напряжения. В схеме . Солтерса к первичной обмотке трансформатора подсоединен параллельный инвертор, а три вторичных обмотки трансформатора подключаются в соответствующей последовательности к нагрузке с помошью трех пар встречнопараллельио включенных тиристоров.

В данном случае трансформатор работает на более высокой частоте по сравнению с выходнот, что позволяет испольэовать трансформатор с меньщим весом и габаритами g1).

Однако схема Солтерса не позволяет производить независимое от параметров активно-индуктивной нагрузки амплитудно-импульсное регулированче напряжения, что значительно сужает область ее применения.

Известен инвертор, который содержит однофазный мбстовой инвертор с подвентильной коммутацией, к выходу которого подключен трансформатор с секционированной вторичной обмоткой, каждый из промежуточных выводов которой соединен с выходными зажимами преобразователя через пары встречно-параллельно включенных ти-. ристоров коммутатора, и имеет датчики тока в силовой цепи. Когда из-за активно-индуктивного характера нагрузки задерживается выключение какоголибо тиристора коммутатора, под воздействием датчиков тока схема управления вырабатывает импульсы на включение следующего тиристора коммутатора, который выключает предтдущий тиристор и создает другой путь току самоиндукции нагрузки $2).

Недостатком такого инвертора яв-. ляется то, что расщирение диапазона работы на активно-индуктивиую нагрузку достигается за счет обратных связей силовых цепей инвертора с системой управления. Это увеличивает сложность системы управления и снижает надежность работы устройства в целом, ухудщается помехозащищенность из-за связи системы управления с током нагрузки.

Наиболее близким к предлагаемому является преобраэователь постоянного напряжения в переменное, который со3

997204 что в преобразователь постоянного напряжения в однофазное переменйое с амплитудно-импульсной модуляцией, содержащий однофазный иннертор, выходом подключенный к перничной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена с промежуточными отводами, один из которых связан с первым выходным вынодом преобразователя, к остальным промежуточным отводам вторичной обмотки и к ее концам разноименными электродами подключены по дна тиристора

65 держит однофазный мостовой инвертор,. выходом подключенный к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого выполнена с отводами, причем один промежуточный отвод, связан с первым выходным выводом преобразователя, остальные промежуточные отводы вторичной обмотки и ее концы через встречно-параллельно включенные тиристоры коммутатора связаны с вторым выходным выводом преобразователя, а также тиристорный блок принудительной коммутации, выходные выводы которого через разделительные вентили связаны с силовыми электродами тириаторов коммутатора, t5 и блок управления. С помощью блока принудительной коммутации в течение половины каждой полуволны выходного напряжения осуществляется принудительное выключение предыдущей пары тиристоров по окончании формирования каждого импульса напряжения, при этом ток самоиндукции нагрузки замыкается на конденсатор блока принудительной коммутации, а затем в последующее время переводится на следующую пару тиристоров $3 ), Недостатком такого преобразователя. янляетая наличие гальванической связи через блок принудительной коммутации входных и выходных цепей преоб раэователя несмотря на наличие промежуточного трансформатора. Это ограничивает функциональные возможности преобразователя для случая составного включения с другими аналогичными преобразователями при наличии только одного источника питания. Кроме того, замыкание тока самоиндукции нагрузки при каждой коммутации на конденсатор блока принудительной ком- И мутации приводит к накоплению избыточной энергии на коммутирующем конденсаторе в функции тока нагрузки что может привести к раскачке напряжения, а также к искажениям напряжения на нагрузке во время. выключения: тиристора коммутатора.

Цель изобретения — повышение функциональной надежности преобразоватеJisr путем снижения перенапряжений на Я} его элементах.

Поставленная цель достигается тем, коммутатора, противоположные одноименные электроды которых объединены в анодные и катодные точки соответственно, блок принудительной коммутации с коммутирующими тиристором и первым конденсатором с тремя парами разделительных вентилей и с коммутирующими дросселями, а также блок управления, выполненный в виде последовательно связанных между собой задающего генератора, регулятора длительности импульеов с элементами унравляемой задержки, и-ка нального распределителя импульсов, входом подключенного к задающему генератору, логического узла управления" тиристорами коммутатора и тйристорами блока принудительной коммутации, включающего в себя логические эле° менты 2И,и связанной с задающим генератором и регулятором длительности импульсов схемы управления тиристорами инвертора, н его блок принудительной коммутации введены дополнительный тиристор и второй коммутирующий конденсатор, первые две пары разделительных вентилей соединены в схему коммутирующего моста, выводы переменного тока которого подключены к выходным выводам преобра- зователя, а ныводы постоянного тока зашунтированы .цепочкой из последова . тельно включенных двух коммутирующихдросселей и дополнительного тиристора, между упомянутыми анодными и катодными точками тиристоров коммутатора подключена третья пара двух последовательно соединенных вентилей, точкой соединения подключенная к одному выходному выводу преобразователя, и вторая цепочка из двух других коммутирующих дросселей и коммутирующего тиристора, первый и второй коммутирующие конденсаторы включены соответственно между анодами и катодами коммутирующего и дополнительного тиристоров, логический узел управления тиристорамн блока принудительной коммутации снабжен двумя дополнительными логическими эле ментами 2И, выход которых связан соответственно с дополнительным и коммутирующим тиристорами, причем первый вход первого дополнительного логического элемента 2И через элемент управляемой задержки, а второй вход непосредственно подключены к выходу регулятора длительности импульсов и к одним входам логических элементов 2И логического узла управления тиристорами коммутатора, первый вход второго дополнительного логического элемента 2И через второй элемент управляемой задержки также подключен к выходу регулятора длительности импульсов, второй его вход через введенный логический элемент

997204

ИЛИ подсоединен к соответствующим входам распределителя импульсов.

На фиг. 1 и 2 приведена схема силовой части преобразователя постоянн ого напряжения в переменное и блока управления, на фиг. 3 — временные диаграммы работы устройства.

Силовая схема преобразователя содержит подключенный к зажимам 1 и 2 источника питания однофазный мостовой инвертор 3, собранный на пол.ностью управляемых тиристорах 4 — 7 . и диодах моста обратного тока 4 — 7., с Р а также промежуточный трансформатор

8, подключенный к выходу инвертора нервичной обмоткой и имеющий !5 секционированную вторичную обмотку, один из отводов 9 которой соединен с одним из выводов 10 преобразователя, а к остальным отводам 11, 12 .и 13 для случая формирования трехступен- 20 чатого выходного напряжения подключе- . ны три пары тиристоров 14-15, 16-17, 18-19 коммутатора, катоды и аноды которых объединены соответственно в общие точки 20 и 21, три пары раз- 25 делительных вентилей, причем первые две паДы 22-25 образуют двуплечевой коммутирующий мост 26, к зажимам по переменному току которого подключены первый 10 -и второй 27 выходные выво- 30 ды преобразователя, третья пара разделительных вентилей 28-29 подключена к общим точкам 20 и 21 объединения катодов и анодов тиристоров коммутатора, блок принудительной коммутации, который содержит силовой 30 и коммутирующий 31 тиристоры, между одноименными электродами которых включены коммутирующие конденсаторы .

32 и ЗЗк при этом силовой иристор 40 подключен через коммутирующие дроссели 34 и 35 к точкам 20 и 21 объеди" нения анодов и катодов тиристоров коммутатора, а коммутирующий тиристор подсоединен через коммутирующие дроссели 36 и 37 к общим точкам объеди- 45 нения катодов и анодов разделительных вентилей коммутирующего моста 26.

Блок управления преобразователя содержит последовательно включенные задающий генератор 38, первый эле- -50 мент 39 задержки, регулятор 40 ддительности импульсов, второй элемент

41:задержки, и-канальный распределитель 42 импульсов, подключенный к выходу задающего генератора, 55 связанную с задающим генератором

38 и регулятором длительности импульсов схему управления инвертором

"43Ä которая собрана на двух триггерах 44 и 45 и четырех схемах 2И 60

46-49, логический узел управления тиристорами коммутатора, собранный на двухвходовых схемах 50-59, логический узел управления блоком принудительной коммутации, который состоит из двух логических элементов 2И

60 и 61, которые через усилительнораэвязывающие каскады управляют соответственно силовым 30 и коммутирующим 31 тиристорами блока принудительной коммутации, элемент 62 задержки и логический элемент ИЛИ 63. Усилительно-раэвязывающие каскады блока управления преобразователем на схеме не приведены, однако возле стрелок указаны номера тиристоров преобразователя, для которых формиру- ется соответствующий сигнал управления.

Силовая схема. преобразователя работает следующим образом.

Однофазный мостовой инвертор 3 на первичной обмотке трансформатора 8 формирует двухполярные импульсы напряжения регулируемой длительности

03, приведенные на фиг. Зт, где указан порядок включения силовых тнрксторов 4-7 инвертора. Во время формирования нулевых напряжений попеременно включены либо анодная пара

5 и 6, либо катодная пара 5 и 7 тиристоров. Этим достигается с помощью указанных тиристоров и диодов 4 -. 6 моста обратного тока закорачивание трансформатора 8 по первичной обмотке независимо от направления тока в цепи нагрузки. Энергия, запасаемая в . нагрузке, рассеивается в самой нагрузке.

Ступенчатое напряжение на выходных зажимах преобразователя формируется с помощью тиристорного коммутатора, собранного на тиристорах 14—

19. Порядок следования импульсов на включение тиристоров коммутатора .црк веден на фиг. 3 c,ï,р,с и на кривой выходного напряжения преобразователя (фиг. Зф). Дяя формирования трехступенчатого выходного напряжения независимо от параметров ниэкокосинусной актнвноиндуктивной нагрузки применена принудительная коьмутация тиристоров 14-19 коммутатора в первой половине каждого полупериода выходного напряжения. Импульсы управления, следующие на коммутирующий и силовой тиристоры блока принудительной коммутации, приведены соответственно на фиг. 3 л, н. В течение времени и -t< включены (фиг. Зф,н) одновременно тиристоры 14,15 и 30. Это приводит к подключению второго вывода 27 преобразователя к отводу 11 вторичной обмотки трансформатора8 и формированию на нагрузке первого импульса напряжения. Напряжением,. формируемым на выводах 27 и 10 преобразователя через диодный коммутирующий мост 26, коммутирующие дроссели 34-37 и силовой тиристор 30, заряжаются коммутирующие конденсаторы 32 и 33 в указанной на фиг. 1

997204 полярности напряжения. В момент времени t< одновременно инвертор 3 заканчивает формирование положительного напряжения на первичной обмотке трансформатора за счет выключения тиристора 7 и включения тиристора 6, также снимаются импульсы управления с тиристоров 14, 15 и 30 и подается импульс включения на коммутирующий тиристор 31. Включение тиристора приводит к закорачиванию ® диодного моста 26 по выходу и, тем самым к закорачиванию нагрузки на себя на интервале времени t< - -й

Формирования нулевого напряжения инвертором 3. Включение тиристора 31 >5 приводит к колебательному перезаряду коммутирующих конденсаторов 32 и

33 через тиристор 31, коммутирующие дроссели 34 и 35 и разделительные вентили 29 и 28 и, соответственно, 2О к принудительному выключению тицистора 30 в первую половину колебательного разряда от исходного напряжения на конденсаторах 32 и, 33 до нуля и к принудительному запиранию ти- 25 ристоров коммутатора во вторую половину колебательного перезаряда конденсаторов до противоположной полярности напряжения. В момент времени

,» инвертор 3 переключается с нуле- ЭО вого напряжения на отрицательное и одновременно включаются тиристоры 16 и 17 коммутатора. Это приводит к дозаряду коммутирущих конденсаторов 32 и 33 через тиристор 31, коммутирующие дроссели 34 и 35 в противоположной указанной на чертеже полярности до напряжения, снимаемого с отвода 12 вторичной обмотки трансформатора

8. Спустя время дозаряда конденсаторов (фиг. Зн,п) включается силовой тиристор 30, что приводит к принудительному запиранию коммутирующего тиристора 31, подключению второго зажима преобразователя 27 к отводу

12 вторичной обмотки трансформатора

8 и к формированию второго импульса напряжения на нагрузке на интервале времени t<- . Напряжением, формируемым на выводах 27 и 10 преобразователя через диодный коммутирующий 50 мост 26, коммутирующие проссели 3437 и силовой тиристор 30, коммутирующие конденсаторы перезаряжаются до укаэанной на фиг, 1 полярности напряжения. Аналогично происходит выклю- 55 чение тиристоров 16 и 17 коммутатора по окончанию формирования второго импульса напряжения на нагрузке и подключение к выводу преобразователя третьей отпайки 13 трансформатора Я. 6О

Во время формирования второй половины каждой полуволны ступенчатого напряжения на нагрузке из-за отстающего по фазе тока активно-индуктивной нагрузки происходит естествен- 65 ная коммутация тиристоров коммутатора, поэтому импульсы управления на коммутирующий тиристор не подаются (фиг. Зл, ф) и следуют только на один иэ тиристоров коммутатора и силовой тиристор блока коммутации.

Блок управления (фиг. 2 ) работает следующим образом.

Задающий генератор 38, регулируемый по частоте, формирует последовательность импульсов, которая поступает на и- канальный распределитель

42 импульсов, через первый элемент

39 задержки на регулятор 40 длительности импульсов. На выходе регулятора 49 длительности установлен второй элемент 41 задержки. Сигналы элементов 38-41 (фиг. За, в, г, д) поступают на схему управления однофаэным состовым инвертором 43. Триггеры 44 и 45 схемы управления управляют через схемы 46, 47 и 48, 49 силовыми тиристорами инвертора 3.

Сдвиг по фазе между сигналами триггеров 44 и 45 (фиг. Зб, е)определяется регулятором 40 длительности импуль сов ° Сигналы с первого и второго элементов 39 и,41 задержки используются для создания необходимого времени восстановления управляющих свойств тиристоров 4-7, и, соответственно, их длительность задержки должна равняться времени восстановления применяемых тиристоров инвертора 3.

Управление тиристорами коммутатора происходит следующим образом.

Схемы 2И 50-59 логического узла управления тиристорами коммутатора подключены первыми входами к распределителю 42 импульсов, а вторыми входами — к выходу регулятора длительности импульсов..Сигналы с выхода схем 2И 50-59, согласно программе распределения импульсов, через усилительно-развязывающие каскады поступают на тиристоры 14-19 коммутатора (фиг. 3о, п, р, с ). !

Логический блок управления блоком принудительной коммутации импульсы на управление коммутирующим тиристором вырабатывает на выходе логического элемента 2И 61 в моменты времени, когда иэ-за активно-индуктивного характера нагрузки может произой-. ти вырождение нулевой полки выходного напряжения и срыв работы преобразователя, т. е. в конце первого, второго, шестого и седьмого тактовых интервалов. Выходные зажимы укаэанных каналов распределителя 42 через логический элемент ИЛИ 63, а также выход второго элемента 41 .задержки подключены к входу логического элемента 2И 61, который вырабатывает импульсы управления (Фиг. Зд ) коммутирующим тиристором, включение которого приводит к принудительному выключению

997204

10 всех тиристоров коммутатора и закорачиванию выводов преобразователя.

Для управления силовым тиристором блока коммутации логический элемент

2И 60 вырабатывает сигнал под воздействием выходного сигнала регулятора 40 длительности импульсов, однако укороченный по переднему фронту на время задержки, определяемое элементом 62 задержки 1, фиг, Зм, и ), что необходимо для проведения предварительного заряда коммутирующих конденсаторов.

В качестве инвертора может быть использована однофазная схема с.нулевым выводом, который Формирует пря-.. моугольное выходное напряжение (меандр). Поэтому в инверторе в этом случае используется только анодная пара тиристоров 4 и 6, подключенная анодами к зажиму 1 источника .питания, а катодами — к крайним отводам первичной обмотки трансформатора 8, кото рый, в свою очередь, снабжен промежуточным отводом для:подключения к зажиму 2 источника питания.

Дая реализации амплитудно-импульс ного регулирования величины выходного напряжения, а именно для соз-. дания на каждом тактовом интервале регулируемых по длительности нулевых полок используется коммутирующий тиристор 31 и диодный коммутирующий мост 26.

В блоке управления преобразователем при этом изменений практически вносится очень мало. Так, для управления инзертором в -схеме управления нквертором используются элементы, связанные только с задающим генератором, а именно триггер 44 и две— схемы 2И 46 и 47,,выходные сигналы которых служат для попеременного управления тиристорами инвертора с нулевым выводом.

Для выработки сигналов управления на включение коммутирующего ти. ристора на каждом тактовом интервале используется сигнал с выхода второго элемента 41 задержки.

Такое построение силовой схемы и блока управления преобразователя применительно к трехступенчатому напряжению можно распространить ка любое число формируемых -ступеней напряжения на нагрузке.

Основные отрицательные особенности предложенного тиристорного преоб" разователя с амплитудно-импульсной модуляцией кривой выходного напряжения от указанного в качестве прототипа заключаются в том, что исклю- чена гальваническая связь между входными и выходными цепями преобразователя, что расширяет функциональные воэможности преобразователя для случая составного включения с други59

Преобразователь постоянного за пряжения в однофазное переменное с амплитудно-импульсной модуляцией, содержащий однофазный инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке траиформатора, вторичная обмотка которого выполнекас промежуточны- . ми отводами, один из которых связан с первым выходом преобразователя, к остальным промежуточным отводам вторичной обмотки и к ее концам раз-. ноименными электродами подключены по два тиристора коммутатора, противоположные одноименные электроды кото:рых объединены в анодные и катодные точки соответственно, блок принудительной коммутации с коммутирующими тиристором и первым конденсатором с ии преобразователяии при наличии только одного источника питания. В предложенном преобразователе достоинством является использование общего блока принудительной коммутации для всех ткристоров коммутатора.

Визвестном нреобразозателепринудительная коммутация тиристоров коммутатора может надежно осуществляться ли6о при нулевом напряжении на выходе

1Î инвертора, либо в случае, если величина напряжения источника питания, до которого заряжался коммутирующий конденсатор, больше величины Формируемых стунекчатых напряжений ка

15 нагрузке. В предлагаемом преобразова теле эти ограничения отсутствуют, так как коммутирующие конденсаторы заряжаются до величин ступенчатого напряжения на нагрузке, которые фор2р мкруются на данном тактовом интервале. Введенный в нреобразозатель бпок принудительной коммутации позволяет осуществлять принудительное выключение ткристоров коммутатора, а так25 же обладает важной особенностью по закорачивакию через диодный коммутирующий бюст нагрузки самой на; себя и, теи саьым, формированию нулевого.напряжения на нагрузке.

ЗО Это обстоятельство позволяет упростить ннвертор, используя на входе одкофазный инвертор с нулевым выводом, фориирующий на выходе нерегулируемое прямоугольное по Форме напряжение, а амплитудно-импульсное регулирование осуществлять включением на каждом тактовом интервале блока принудительной коммутации. В известном преобразователе в момент коммутации.на нагрузке появляются коммутационные перенапряжения, тогда как в предлагаемом оки отсутствуют, так как при включении коммутирующий тиристор закорачизает выходные выводы преобразователя.

45 формула изобретения

997204

12 тремя парами разделительных вентилей и с коммутирующими дросселями, а также блок управления, выполненный в виде последовательно связанных между собой задающего генератора, регулятора д ительности импульсов с 5 элементами управляемой задержки, и-канального распределителя импульсов входом подключенного к задающему генератору, логического узла управления тиристорами коммутатора и тиристорами блока принудительной коммута ции, включающего в себя логические элементы 2И, и связанной с задающим генератором и регулятором длительности импульсов схемы управле- . 1$ ния тиристорами инвертора., о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения функциональной надежности преобразователя путем снижения величины перенапряжений на его элементах, в его блок принудительной коммутации введены дополнительный тиристор и второй кбммутирующий конденсатор, первые две пары разделительных вентилей соединены в схему коммутирующего моста, выводы переменного тока которого подключены к выходным выводам преобраЗОвателя, а выводы постоянного тока эащунтированы цепочкой из последовательно включен- ЗО ных двух коммутирующих дросселей и дополнительного тиристора, между упомянутыми аноднймн н катодными точкамн тиристоров коьвюутатора подклю чена третья пара двух последовательно З5 соединенных вентилей, точкой соединения подключенная к одному выходному выводу преобразователя, и вторая цепочка из двух других коммутирующих дросселей и коммутирующего тиристора, первый и второй коммутирующие конденсаторы включены соответственно между анодами и катодами коммутирующего и дополнительного тиристоров, логический узел управления тиристорами блока принудительной коммутации- снабжен двумя дополнительными логическими элементами 2И, выход которых связан соответствеьно с дополнительным и коммутирующим тнристорами, причем первый вход первого дополнительного логического элемента 2И через элемент управляемой задержки, а второй вход непосредствен- но подключены к выходу регулятора длительности импульсов и к одним входам логических элементов 2И логического узла управления тиристорами коммутатора, первый вход второго дополнительного логического элемента 2И через второй элемент управляемой задержки. также подключен к выходу регулятора длительности импульсов, второй его вход через введенный логический элемент ИЛИ подсоединен к соответствующим входам распределителя импульсов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Французский патент 9 1281153, кл. Н 02 И, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 517133, кл. Н 02 P 13/18, 1977.

3. Авторское свидетельство СССР. по заявке 9 2625758/24-07, кл, Н 02 М 7/537, 1978.

997204 о

И у

0р

ФЮ..П П С1

41

45 м w 08

0)y

Ф

Ъй бР

0р

Ь

Ug

Составитель"Г. Мыцык

Техред Т.МаточкаРедактор Л. Алексеенко

Корректор Г. Решетник филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Заказ 955/75 Тираж 685 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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