Преобразователь энергии электрического тока

 

Использование: в управляемых преобразователях энергии постоянного тока в энергию переменного тока для электроприводов с частотно-токовым управлением. Сущность: преобразователь энергии электрического тока содержит ключевой преобразователь напряжения с обратной связью по току. Питание нагрузки осуществляется через сглаживающий дроссель, нагрузка зашунтирована конденсатором. Емкость конденсатора выбирается из условия где L_д и L_н индуктивности нагрузки и сглаживающего дросселя; ω_o несущая частота выходного напряжения инвертора. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к управляемым преобразователям энергии постоянного тока в энергию переменного тока и может быть использовано в электроприводах переменного тока с частотно-токовым управлением.

Известен управляемый преобразователь энергии [1] содержащий инвертор напряжения, питающий вход которого соединен с источником постоянного напряжения, а выходная цепь через сглаживающий дроссель с нагрузкой, элемент сравнения, опорный вход которого соединен с задатчиком управляющего сигнала преобразователя энергии, сигнальный вход с датчиком выходного сигнала преобразователя энергии, а выход с входом формирователя сигналов управления инвертором напряжения. Выходным сигналом преобразователя энергии является ток в нагрузке, который формируется в соответствии с управляющим сигналом преобразователя энергии. В нагрузке преобразователя энергии вырабатывается пилообразный ток, который может быть представлен в виде полезной и паразитной составляющих. Полезная составляющая тока строго соответствует задаваемому управляющему сигналу преобразователя энергии, а паразитная составляющая, являющаяся знакопеременной периодической величиной, выступает в качестве погрешности формирования тока в нагрузке.

Недостатком такого преобразователя энергии является невысокая точность формирования выходного сигнала, вызванная наличием паразитной составляющей в его выходном сигнале.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является управляемый преобразователь энергии [2] содержащий инвертор напряжения, питающий вход которого соединен с источником постоянного напряжения а выходная цепь через сглаживающий дроссель с нагрузкой, элемент сравнения, опорный вход которого соединен с задатчиком управляющего сигнала преобразователя энергии, сигнальный вход с датчиком выходного сигнала преобразователя энергии, а выход с входом формирователя сигналов управления инвертором напряжения, а также конденсатор, который соединен параллельно с нагрузкой. Выходным сигналом преобразователя энергии является напряжение на нагрузке, которое формируется в соответствии с синусоидальным управляющим сигналом.

В известном устройстве на выходе инвертора напряжения образуется периодическая последовательность знакопеременных импульсов с широтно-импульсной модуляцией синусоидальным напряжением. При этом несущая частота выходного напряжения инвертора напряжения значительно превышает частоту заданного синусоидального управляющего сигнала преобразоватея энергии. Выходное напряжение инвертора поступает через сглаживающий дроссель на нагрузку, параллельно которой подключен конденсатор. Выходное напряжение инвертора может быть представлено в виде полезной и паразитной составляющих. Полезная составляющая имеет синусоидальную форму, соответствующую заданному управляющему сигналу преобразователя энергии. Она проходит через сглаживающий дроссель на нагрузку. Паразитная составляющая шунтируется конденсатором и гасится сглаживающим дросселем. Она, ответвляясь, минует нагрузку. За счет этого может быть существенно повышена точность формирования выходного сигнала преобразователя энергии.

Недостатком этого преобразователя энергии является невозможность добиться устойчивой работы и высокой точности формирования выходного сигнала при различных нагрузках.

Когда нагрузка носит индуктивный характер, примером которой может быть обмотка управляемого двигателя, то преобразователь энергии оказывается неработоспособным, если индуктивность нагрузки L_н< (1) где L_о индуктивность сглаживающего дросселя.

С емкость конденсатора; ω_о несущая частота выходного напряжения инвертора.

Это объясняется тем, что в данном случае нагрузка преобразователя энергии оказывает отрицательное влияние на его работу. Конденсатор практически теряет способность шунтировать паразитную составляющую выходного напряжения инвертора, и она, еще более усиленная, проходит на нагрузку.

Напряжение на нагрузке в комплексной форме равно (jω) (jω) (2) где (jω) (jω) напряжение на нагрузке при отсутствии конденсатора; (jω) выходное напряжение инвертора.

Поскольку доминирующей гармоникой паразитной составляющей выходного напряжения инвертора является гармоника с несущей частотой ω_о и она вносит наибольшие искажения, то анализ точности работы преобразователя энергии можно свести к оценке влияния этой гармоники на напряжение на нагрузке.

Согласно выражению (2) амплитуда гармоники с несущей частотой ω_о в напряжении на нагрузке равна (ω_o)= U_но(ω_o) Из этого выражения следует, что когда ¹ гармоника с несущей частотой ω_о, еще более усиленная, проходит на нагрузку. Это имеет место, когда индуктивность нагрузки соответствует неравенству (1).

Изобретение направлено на расширение области применения.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в преобразователе энергии, содержащем инвертор напряжения, питающий вход которого соединен с источником постоянного напряжения, а выходная цепь соединена через сглаживающий дроссель с нагрузкой, элемент сравнения, соединенный с опорным входом с задатчиком управляющего сигнала преобразователя, сигнальным входом с датчиком выходного сигнала преобразователя, а выходом с входом формирователя сигналов управления инвертором напряжения, и конденсатор, соединенный с нагрузкой параллельно, конденсатор выполнен с емкостью С, удовлетворяющей условию C > + (3) Промышленное применение изобретения позволяет расширить область применения преобразователя энергии за счет использования конденсатора с емкостью, величина которой выбирается с учетом индуктивности нагрузки. Кроме того, при обеспечении требуемой точности формирования выходного сигнала преобразователя энергии представляется возможным путем соотвествующего выбора емкости С и индуктивности L_д уменьшить габариты наиболее громоздких элементов преобразователя энергии: конденсатора и сглаживающего дросселя.

На чертеже представлена схема преобразователя энергии для регулирования тока в нагрузке.

Преобразователь энергии содержит элемент 1 сравнения, опорный вход которого соединен с задатчиком 2 управляющего сигнала преобразователя энергии, инвертор 3 напряжения, питающий вход которого соединен с источником 4 постоянного напряжения, возбуждающий вход через формирователь 5 сигналов управления с выходом элемента 1 сравнения, а выходная цепь через сглаживающий дроссель 6 и датчик 7 тока с нагрузкой 8, и конденсатор 9, который соединен параллельно с нагрузкой и емкость которого удовлетворяет условию (3).

Преобразователь энергии работает следующим образом.

Общей нагрузкой инвертора 3 напряжения являются последовательно соединенные сглаживающий дроссель 6 и нагрузка 8, параллельно котоpой подключен конденсатор 9.

Сопротивление общей нагрузки без учета активных составляющих в комплексной форме равно (jω) jω (L_н+ L_д)·K(ω) где K(ω)
Общая нагрузка имеет индуктивный характер, когда К(ω) > 0.

Эквивалентная индуктивность общей нагрузки
L_экв К( ω)(L_н + L _д).

При использовании формирователя 5 сигналов управления, построенного на основе релейного гистерезисного элемента, в общей нагрузке вырабатывается пульсирующий ток, который попеременно нарастает и спадает, отклоняясь от тока задания на величину Δ i, определяемую шириной петли гистерезиса релейного элемента. Частота пульсаций тока без учета противоЭДС нагрузки 8 равна
ω_o= где U напряжение питания инвертора 3;
Δ i амплитуда пульсаций тока в общей нагрузке.

На выходе инвертора 3 формируется напряжение, представляющее собой периодическую последовательность импульсов с широтно-импульсной модуляцией, несущая частота которого равна частоте пульсаций тока в общей нагрузке.

Ток, протекающий по нагрузке 8, в комплексной форме равен
(jω) (jω) (4) где (jω) (jω) ток в нагрузке 8 при отсутствии конденсатора 9;
(jω) выходное напряжение инвертора 3.

Доминирующий гармоникой паразитной составляющей тока в нагрузке 8 является гармоника с несущей частотой ω_о. Согласно выражению (4) ее амплитуда
I_н()I_но(ω_o)
Из анализа этого выражения следует, что подключение конденсатора 9 параллельно нагрузке 8 дает положительный эффект, только когда конденсатор 9 выполнен с емкостью, величина которого удовлетворяет условию (3).

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА, содержащий инвертор напряжения, питающий вход которого соединен с источником постоянного напряжения, а выходная цепь соединена через сглаживающий дроссель с нагрузкой, элемент сравнения, соединенный опорным входом с задатчиком управляющего сигнала указанного преобразователя, сигнальным входом с датчиком выходного сигнала указанного преобразователя, а выходом с входом формирователя сигналов управления инвертором напряжения, конденсатор, соединенный с нагрузкой параллельно, отличающийся тем, что конденсатор выполнен с емкостью C, удовлетворяющей условию

где L_д индуктивность сглаживающего дросселя;
L_н индуктивность нагрузки;
ω_o несущая частота выходного напряжения инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1