Устройство преобразования напряжения постоянного тока в напряжение требуемого вида и частоты

 

Предложен способ преобразования напряжения постоянного тока в напряжение требуемого вида, частоты и устройство для его реализации. Способ позволяет получить на выходе напряжение требуемого (программируемого) вида улучшенной формы и расширить диапазон выходных напряжений и мощности. Сущность изобретения заключается в том, что постоянное напряжение преобразовывается в высокочастотное переменное, выпрямляется, сглаживается и выходным инвертором преобразовывается в напряжение требуемого вида. При формировании синусоидального напряжения (как частный случай) силовые ключи выходного инвертора переключаются в моменты перехода тока через ноль, что позволяет использовать низкочастотные однооперационные полупроводниковые приборы, допускающие последовательно-параллельное включение, и реализовать частотно-регулируемый электропривод с рабочими напряжениями 6 кВ и более. Изобретение может быть использовано в системах вторичного электропитания, в силовых модуляторах систем автоматики и радиотехнической аппаратуры, низковольтного и высоковольтного электропривода. Технический результат - повышение кпд. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано 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., стр.196, рис.5.9 в, г], заключающийся в том, что постоянное напряжение на входе преобразовывают в промежуточное импульсное (однополярные импульсы в пределах полупериода выходного напряжения) напряжение высокой частоты необходимого уровня, затем демодулируют и фильтруют на выходе. Форма выходного напряжения обеспечивается синхронным управлением входного преобразователя и демодулятора по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по закону функции построения.

Недостатками данного способа являются:

- технические трудности в трансформировании однополярного импульсного напряжения высокой частоты в пределах полупериода выходного напряжения (значительное подмагничивание магнитопровода трансформатора), что требует изготовления трансформатора с зазором и, как следствие, увеличение габаритов (массы), потерь, значительное ограничение мощности;

импульсное напряжение на демодуляторе 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 постоянного напряжения в переменное синусоидальное [1., стр.196, рис.5.9 а, б], 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.

Известен преобразователь постоянного напряжения заданной формы [2], содержащий задающий генератор, связанный с управляющими переходами ключевых транзисторов N широтно-импульсных преобразователей, по входу соединенных параллельно, по выходу - последовательно, а выход последних через демодулятор и узел обратной связи подключен к одному из входов элемента сравнения, три нуль-органа, источник воспроизводимого канала.

Однако известный преобразователь характеризуется недостаточной точностью формирования выходного напряжения, ограниченным диапазоном выходного напряжения и повышенными потерями в широтно-импульсных преобразователях и демодуляторе.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является преобразователь с переменным выходным напряжением ступенчатой формы [3], который содержит блок управления, выходы которого соединены с управляющими входами двух управляемых источников переменного напряжения. На выходе каждого из этих источников включены выпрямители. Выходы выпрямителей соединены согласно последовательно и подключены к цепи питания выходного инвертора, выход которого соединен с выходными выводами преобразователя.

Недостатками устройства являются ограниченный диапазон, низкие точность формирования и стабильность выходного напряжения, невозможность формирования напряжения требуемого вида, дополнительные потери в выпрямителях, включенных последовательно.

Задачей изобретения является преобразование напряжения постоянного тока в напряжение требуемого вида - переменное асимметричное, синусоидальное, пульсирующее или постоянное (положительной или отрицательной полярности).

Техническим результатом является:

- расширение функциональных возможностей (увеличение диапазона выходных напряжений, увеличение мощности);

- повышение точности формирования выходного напряжения;

- повышение кпд.

Поставленная задача решается с помощью способа преобразования напряжения постоянного тока в напряжение требуемого вида и частоты, основанного на преобразовании постоянного напряжения в переменное высокочастотное по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) по функции напряжения требуемого вида и частоты, а затем преобразовывают в однополярное, фильтруют и демодулируют в напряжение требуемого вида и частоты.

Способ преобразования напряжения постоянного тока в напряжение требуемого вида и частоты реализуется с помощью устройства преобразования напряжения постоянного тока в напряжение требуемого вида и частоты, содержащего выходной инвертор, преобразователь постоянного напряжения в переменное, выход которого соединен со входом выпрямителя, а управляющие входы подключены к соответствующим выходам блока управления, выход выпрямителя подключен ко входу сглаживающего фильтра, выход которого соединен с цепью питания выходного инвертора, входы управления которого подключены к блоку управления, а выход по цепи обратной связи соединен с блоком управления.

На фиг.1 представлена структурная схема устройства преобразования постоянного напряжения в напряжение требуемого вида и частоты, а на фиг.2 - временные диаграммы напряжений, поясняющие его работу.

Преобразователь (фиг.1) содержит блок управления 1, выходы которого соединены с управляющими входами двухтактного преобразователя напряжения 2. На выходе двухтактного преобразователя напряжения 2 включен выпрямитель 3. Выход выпрямителя 3 подключен ко входу сглаживающего фильтра 4, выход которого подключен к цепи питания выходного инвертора 5, выход последнего соединен с выходными выводами преобразователя и по цепи обратной связи с блоком управления 1.

Способ реализуется с помощью устройства следующим образом.

Блок управления 1 представляет собой микроконтроллер, имеющий в своем составе блок программного управления, широтно-импульсные модуляторы, аналого-цифровой преобразователь. На выходе блока управления 1 формируются модулированные по ширине импульсы синхронизации U_упр1, U_упр2 двухтактного преобразователя 2, период которых определяет частоту преобразования преобразователя 2, а закон модулирования - вид выходного напряжения (фиг.2 - U) осуществляется программно. С выхода преобразователя 2 выходное двухполярное напряжение U_вых1 поступает на вход выпрямителя 3. После выпрямления напряжение U_вых2 поступает на вход сглаживающего фильтра 4, дроссель которого работает в режиме непрерывного тока, что обеспечивает непрерывность тока в пределах полупериода частоты синхронизации двухтактного преобразователя 2. На выходе сглаживающего фильтра 4 однополярное напряжение U_вых3 приобретает форму в соответствии с законом модуляции. С выхода сглаживающего фильтра 4 напряжение поступает в цепь питания выходного инвертора 5. Ключи выходного инвертора 5 переключаются по сигналам управления U_упр3 в моменты времени, когда ток равен нулю, определяя полярность выходного напряжения, и формируют выходное напряжение U_вых4.

Таким образом, переключение силовых ключей в моменты времени, когда ток равен нулю, исключает динамические потери, что повышает кпд преобразователя в целом, а также позволяет использовать в качестве ключей выходного инвертора однооперационные полупроводниковые приборы, которые допускают параллельное и последовательное включение, а это позволяет расширить диапазон выходных напряжений и мощности. Стабильность и точность формирования выходного напряжения обеспечивается обратной связью.

Источники информации

1. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986, - 376 с.

2. А.с. № 847461 (СССР). Преобразователь постоянного напряжения заданной формы. В.А. Алексеев, А.С. Морозов, А.К. Мусолин.

3. А.с. № 1176431 (СССР). Преобразователь с выходным переменным напряжением ступенчатой формы. В.Ф. Ожиганов, Г.Н. Бахмач, Д.М. Кузнецов.

Формула изобретения

Устройство преобразования напряжения постоянного тока в напряжение требуемого вида, частоты, содержащее выходной инвертор, преобразователь постоянного напряжения в переменное, выход которого соединен со входом выпрямителя, а управляющие входы подключены к соответствующим выходам блока управления, а цепь питания выходного инвертора подключена к выходу выпрямителя, отличающееся тем, что в него дополнительно введен сглаживающий фильтр, вход которого соединен с выходом выпрямителя, а выход - с цепью питания выходного инвертора, входы управления которого подключены к блоку управления, а выход по цепи обратной связи соединен с блоком управления, причем блок управления представляет собой микроконтроллер, имеющий в своем составе блок программного управления, широтно-импульсные модуляторы, аналого-цифровой преобразователь.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2