Способ функционального преобразования напряжения любого вида в напряжение требуемого вида с функцией регулирования и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к электротехнике. Предложен способ функционального преобразования напряжения любого вида в напряжение требуемого вида с функцией регулирования. Способ позволяет получить на выходе напряжение по программируемой функции преобразования входного напряжения. Сущность изобретения заключается в том, что входное напряжение вида ϕ(х) выпрямляют, преобразовывают в переменное высокочастотное с двойной модуляцией, амплитудной по функции ϕ(х) и широтно-импульсной по функции преобразования f(х) в напряжение вида Y₁=ϕ(х)·f(х), выпрямляют, фильтруют и преобразовывают по функции γ(х) в напряжение требуемого вида Y=|ϕ(х)·f(х)|·γ(х) на выходе. Изобретение может быть использовано в системах вторичного электропитания, в силовых модуляторах систем автоматики и радиотехнической аппаратуры, низковольтного и высоковольтного электропривода. Технический результат - повышение качества выходного напряжения. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для регулирования и стабилизации напряжения в электросетях 0,4-10 кВ, в системах вторичного электропитания, в силовых модуляторах систем автоматики и радиотехнической аппаратуры, низковольтного и высоковольтного электропривода.

Известен способ преобразования постоянного напряжения в переменное синусоидальное [1] заключающийся в том, что постоянное напряжение на входе преобразовывают в промежуточное переменное высокой частоты необходимого уровня, затем демодулируют и фильтруют на выходе. Форма выходного напряжения обеспечивается управлением демодулятором по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по закону функции построения с частотой входного преобразователя.

Недостатком данного способа является то, что демодулятор находится под воздействием импульсного напряжения с крутыми фронтами нарастания, что затрудняет практическую реализацию в области средних напряжений и невыполнимо в области высоких напряжений (6-10 кВ и более). Снижение скорости нарастания напряжения на демодуляторе потребует уменьшения частоты преобразования, и как следствие - снижение точности формирования выходного напряжения и увеличение габаритов (массы), снижение КПД.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ преобразования переменного напряжения [2], основанный на выпрямлении напряжения низкой частоты, его фильтрации, преобразовании в переменное напряжение высокой частоты с ШИМ или амплитудной модуляцией, трансформации, выпрямлении напряжения высокой частоты синхронно с модулирующим сигналом и последующей фильтрации.

Недостатком данного способа является то, что импульсное напряжение нa^! управляемом выпрямителе затрудняет практическую реализацию в области средних напряжений и невыполнимо в области высоких напряжений (6-10 кВ и более). Снижение скорости нарастания напряжения на выпрямителе требует уменьшения частоты преобразования, и как следствие - снижение точности формирования выходного напряжения и увеличение габаритов (массы), снижение КПД.

Известен преобразователь переменного напряжения [3], где регулирование выходного напряжения осуществляется изменением фазы включения однооперационного тиристора.

Недостатками тиристорных регуляторов является низкое качество выходного напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное [4], который содержит трансформатор с основной и дополнительной первичными обмотками и вторичной обмоткой, первый и второй входные выводы, первый и второй резонансные преобразователи, включенные между первым входным выводом основной и дополнительной обмотками трансформатора соответственно, выпрямитель, фильтр, инвертор и блок управления.

Недостатком данного регулируемого преобразователя переменного напряжения является искажение формы синусоидального выходного напряжения, так как регулирование выходного напряжения осуществляется путем изменения длительности протекания переменного тока в первичной дополнительной обмотке трансформатора.

Задачей изобретения является функциональное преобразование напряжения любого вида в напряжение требуемого вида с функцией регулирования, что позволит повысить точность формирования выходного напряжения за счет двойной модуляцией - амплитудной и ШИМ, расширить диапазон регулирования выходного напряжения, улучшить массогабаритные показатели, а также выполнить программируемое функциональное преобразование входного напряжения (U_вх), изменяющегося по закону ϕ(х), в выходное напряжение вида

Y=|ϕ(х)·f(x)|·γ(х)

где ϕ(х) - входное напряжение;

f(x) - функция преобразования ШИМ-модулятора;

γ(х)=±1 - функция, определяющая порядок следования положительных и отрицательных импульсов (полупериодов) выходного напряжения.

Поставленная задача решается с помощью способа функционального преобразования напряжения любого вида в напряжение требуемого вида с функцией регулирования, основанного на выпрямлении напряжения низкой частоты, преобразовании в переменное напряжение высокой частоты по принципу ШИМ, трансформации, выпрямлении напряжения высокой частоты и последующей фильтрации, причем не сглаженное после выпрямления напряжение преобразовывают в переменное высокочастотное с двойной модуляцией, амплитудной по функции ϕ(х) и широтно-импульсной по функции преобразования f(х), в напряжение вида Y₁=ϕ(х)·f(x), выпрямляют, фильтруют и преобразовывают по функции γ(х) в напряжение требуемого вида Y=|ϕ(х)·f(x)|·γ(x) на выходе.

Способ функционального преобразования напряжения любого вида в напряжение требуемого вида с функцией регулирования реализуется с помощью устройства функционального преобразования напряжения любого вида в напряжение требуемого вида с функцией управления, содержащего высокочастотный преобразователь, выход которого соединен со входом выпрямителя, а управляющие входы подключены к соответствующим выходам блока управления, выход выпрямителя подключен ко входу сглаживающего фильтра, а выход сглаживающего фильтра к цепи питания выходного инвертора, а на входе устройства включен выпрямитель, выход которого соединен с цепью питания высокочастотного преобразователя.

На фиг.1 показана структурная схема предложенного преобразователя; на фиг.2 - диаграммы напряжений, поясняющие работу преобразователя на примере преобразования синусоидального напряжения.

Функциональный преобразователь напряжения любого вида (фиг.1) содержит блок управления 1, один из входов которого подключен к входному напряжению (U_вх), к входному напряжению подключен выпрямитель 2, выход которого соединен цепью питания высокочастотного преобразователем 3, входы управления которого подключены к соответствующим выходам блока управления 1, к выходу высокочастотного преобразователя 3 подключен трансформатор 4, а к выходу трансформатора 4 выпрямитель 5, выход которого через сглаживающий фильтр 6 подключен к цепи питания выходного инвертора 7, выход последнего соединен с выходными выводами преобразователя 3 и по цепи обратной связи и сигналам управления - с блоком управления 1.

Способ функционального преобразования напряжения любого вида в напряжение требуемого вида с функцией регулирования реализуется с помощью устройства следующим образом.

Входное напряжение U_вх поступает на вход выпрямителя 2 и блок управления 1, который реализован на базе микроконтроллера, имеющего в своем составе блок программного управления, широтно-импульсный модулятор, аналого-цифровой преобразователь. С выхода выпрямителя 2 напряжение U_вых1 поступает в цепь питания высокочастотного преобразователя 3. На выходе блока управления 1 формируются ШИМ-модулированные, импульсы синхронизации U_yпp1 U_yпp2 высокочастотного преобразователя 3, период которых определяет частоту преобразования преобразователя 3, а закон модуляции по функции f(х) осуществляется программно. На выходе высокочастотного преобразователя 3 напряжение изменяется по функции Y₁=ϕ(х)·f(x). С выхода преобразователя 3 напряжение преобразуется с помощью трансформатора 4 до нужного уровня U_вых2 и поступает на вход выпрямителя 5. После выпрямления напряжение U_вых3 поступает на вход сглаживающего фильтра 6, дроссель которого работает в режиме непрерывного тока, что обеспечивает непрерывность тока в пределах полупериода частоты синхронизации высокочастотного преобразователя 3. С выхода сглаживающего фильтра 6 напряжение U_вых4 поступает в цепь питания выходного инвертора 7. Ключи выходного инвертора 7 переключаются по сигналам управления _yпp3 в соответствии с функцией управления γ(х), определяя полярность выходного напряжения, и формируют выходное напряжение U_вых5 требуемого вида по функции Y=|ϕ(х)·f(x)|·γ(х).

Стабильность и точность формирования выходного напряжения обеспечивается по цепи отрицательной обратной связи с выхода выходного инвертора 6 на первый вход блока управления 1. Синхронизация работы функционального преобразователя осуществляется от входного напряжения U_вх по другому входу блока управления 1.

Источники информации

1. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 376 с., с. 196, рис. 5.9а, б.

2. Патент России №2172055 С2, 10.08.2001. Способ преобразования напряжения. Кузмичев Н.П.

3. Патент России №2085014 С1, 20.07.97. Преобразователь переменного напряжения. В.В.Маслаев.

4. А.с. СССР №1728948 А1. Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное. А.И.Маркович, А.А.Иванов, Р.А.Полянский.

Формула изобретения

1. Способ функционального преобразования напряжения любого вида в напряжение требуемого вида с функцией регулирования, основанного на выпрямлении напряжения низкой частоты, преобразовании в переменное напряжение высокой частоты с широтно-импульсной модуляцией, трансформации, выпрямлении напряжения высокой частоты и последующей фильтрации, отличающийся тем, что выпрямленное напряжение низкой частоты преобразуют в переменное напряжение высокой частоты вида Y₁=ϕ(х)·f(х), путем двойной модуляции: амплитудной, осуществляемой входным напряжением вида ϕ(х), и широтно-импульсной, осуществляемой программно по функции f(х), напряжение, полученное после фильтрации, преобразуют по функции γ(х)=±1, определяющей порядок следования положительных и отрицательных импульсов выходного напряжения в напряжение требуемого вида Y=|ϕ(х)·f(х)|·γ(х) на выходе.

2. Устройство функционального преобразования напряжения любого вида в напряжение требуемого вида с функцией регулирования, содержащее высокочастотный преобразователь, управляющие входы которого где формируются ШИМ модулированные импульсы синхронизации, период которых определяет частоту преобразования, а закон модуляции осуществляется программно, подключены к соответствующим выходам блока управления, к выходу высокочастотного преобразования подключен трансформатор, к выходу которого подключен выпрямитель (5), а выход выпрямителя через сглаживающий фильтр к цепи питания выходного инвертора, отличающееся тем, что на входе устройства включен выпрямитель (2), выход которого соединен с цепью питания высокочастотного преобразователя, а ключи выходного инвертора переключаются в соответствии с функцией управления γ(х), определяющей полярность выходного напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2