Способ формирования квазисинусоидального напряжения

 

О П И (. А Н И Е

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ИТИЛЬСТВУ

Союз Соаетскик

Социалистических

Реепублик

< >716123

В Г7 (б1) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 1701.77 (21) 2442568/24-07 (51)М. Кл с присоединением заявки ¹

Н 02,И 7/48

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий (23) Приоритет— (53) УД (621. 31 4. 27 (088.8) Опубликовано 15.02.80. Бюллетень № б

Дата опубликования описания 1 50280 (72) Авторы изобретения

l0.М.Калниболотский, A.È.Ñoëîäîâíèê и A.Â.Áóäåííûé

/ (7! ) Заявитель.

Киевский ордена Ленина политехнический институт имени

50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (54 ) СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ КВАЗИСИНУСОИДАЛЬНОРО

НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразователь ной технике и может быть использовано в системах электропитания и Ь электроприводе для получения переменного напряжения квазисинусоидальной формы.

Известны способы получения квазисинусоидального напряжения с промежуточным повышением частоты, заключающиеся в демодуляции результирующего высокочастотного напряжения, получаемого путем алгебраического суммирования выходных высокочастотных напряжений двух резонансных инверторов, работающих на незначительно отличаю- 15 щихся частотах, или путем переключе- -. ния первичных обмоток выходного трансформатора инвертора (1) и (2).

В первом случае выходное напряже- 20 ние обладает высоким коэффициентом гармоник, что приводит к увеличению массогабаритных показателей эа счет дополнительных сглаживающих или резонансных фильтров. Кроме того, 25 при аппаратурной реализации указанного способа, наличие в инверторах резонансных контуров, рассчитанных на половину мощности в нагрузке, также ухуднает массо-габаритные 30 йокаэатели преобразователя. Во втором случае при аппаратурной реализации способа наличие защитных дио-дов вызывает сужение диапазона возможных нагрузок устройства, сводя его по существу к нагрузкам чисто активного вида.

Известен также способ формирования квазисинусоидального выходного напряжения, заключающийся в демодуляции амплитудно-модулированного напряжения, полученного путем переключения вторичных обмоток выходного трансформатора преобразователя (3).

Для Формирования и ступенчатого кваэисинусоидального напряжения с оптимальными параметрами (при этом в отпайках содержится различное число витков), необходимо п отпаек и 2п+4 или 2„ ключей (в зависимостии от схемы прбмежуточного высокочастотного инвертора) . При этом соотношение частоты выходного напряжения Е и промежуточной рабочей частоты инвертора В»в равно

Зых 2 „ инв

При применении этого способа для

Построения схем преобразования с

716123 низкой и инфранизкой частотой необходимо увеличивать соотношения несущей и выходной частоты, чтобы обеспечить приемлемую рабочую частоту выходного трансформатора инвертора, а следовательно, и значительно увеличивать число отпаек и число вторчиных коммутатбров, что усложняет схемную реализацию преобразователя. Поэтому для схемной реализации преобразователя низкой и инфранизкой частоты по такому способу применяют для формирования каждого уровня, модулированного напряжения две отпайки с равным числом витков и соответствующими коммутаторами, повышая кратность соотношения частот и получая возможность сколь угодно долго работать на каком-либо уровне выходной частоты. В результате ухудшаются массо-габаритные показатели преобразователя. Щ

Кроме того, в выходном низкочастотном напряжении преобразователя имеются провалы напряжения до нуля при переходе от одного уровня напряжения к другому, что ухудшает 75, коэффициент гармоник.

Целью изобретения является упрощение реализации преобразователя с одновременным улучшением качества квазиеинусоидального напряжения.

Это достигается тем, что по пред ложенному способу, состоящему в амплитудно-импульсной модуляции 2-го рода высокочастотного напряжения по заданному -квазисинусоидальному 35 закону и последующей демодуляции результирующего промодулированного напряжения, формируют напряжение прямоугольной формы типа меандр частотой, в 2 раз превышает часИ тоту квазисинусоидального напряжения, расщепляют его íà и разност ных прямоугольной формы напряжений с отношением частот предыдущего и последующего напряжений равным двум, которые затем между собой 45 перемножают и получают систему напряжений из 2" (n=2,3,4...) модулированных сигналов. Причем в данную систему напряжений входят только те сигналы, у которых число пере- 50 ходов на периоде низкочастотного квазисинусоидального напряжения от одного уровня напряжения к другому, деленное на два, равно нечетному числу (1,3,7,9...), каждым из у полученных 2" модулирующих сигналов осуществляют амплитудно-импульсную модуляцию 2-го рода одного иэ

2 И-2 числа сформированных высокочастотных напряжений, причем амплитуду каждого высокочастотного напряжения ®О задают как аглебраическую сумму средних эа полупериод значений синусоидальной частотой кваэисинусоидального йапряжения функции, определенных на интервалах в которых соответ-. ствующий модулирующий сигнал из системы 2" - сигналов имеет постоянГ ое значение, и взятых со знаком, соответствующим знаку этого модулирующего сигнала на данном интервале.

Упомянутое результирующее промодулированноЕ напряжение получают путем алгебраического суммирования промодулированных укаэанным образом 2 " высокочастотных напряжений так, что после демодуляции квазисинусоидальное многоступенчатой формы напряжение имеет 4 " различных уровней напряжения.

На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя для осуществления предложенного способа формирования кваэисинусоидального напряжения с использованием ряда Уолша; на фиг.2эпюры выходных напряжений преобразователя.

Генератор 1 генерирует прямоугольное напряжение частотой, в 2 и раз превышающей частоту низкочастотного выходного кваэисинусоидального напряжения, в данном случае n=4. Напряжение, снимаемое с блока 1, поступает на вход и -разрядного двоичного счетчика 2, снимается и (в данном случае 4)прямоугольных разночастотных напряжений с отношением частот последующего и предыдущего напряжения равным двум, которые подаются на вход блока перемножения 3.

В блоке 3 осущеСтвляется формирование функций, входящих в аппроксимирующий ряд Уолша. Поскольку в данном ряде содержится только 2 " функций, у которых число переходов от одного уровня напряжения к другому, деленное на два, называемого частотой следования функций Уолша, равно йечетному числу, для случая n=4 содержится 4 функции Уолща с частотами следования соответственно равными 1,3,5,7. При этом аппроксимирующий ряд Уолша для этого, случая равен: ег

f(t)= Е.а„ иаЕ(1,Ы=МИ21L$4=30 (Ььы исйИ )1=о

-гь,ьаюоИ««- а,ьиаВ Н«-5Дтаг(««), где

<„. = ) еи) чае (,1)д

Учитывая, что составляющая WaI (5,t) из этого аппроксимирующего ряда Уолша меньше основной гармоники WaI (1,t) больше чем на-порядок, ею можно пренебречь без существенного изменения ошибки аппроксимации.

На фиг.2 приведены эпюры выходных напряжений, снимаемых с блока 3

Б — U, соответствующих функциям Уолша с частотами следования

1,3,7. Формирование функций аппроксимирующего ряда Уолша в блоке 3

716123 осуществляется по следующему правилу. Напряжения, снимаемые с выходов п разрядов двоичного счетчика перемножают между собой, причем для формирования функции Уолша с i но мером выбирают напряжения, снимаемые 5 с соответствующих разрядов двоичного счетчика для которых в п-разряд1 ном двоичном разложении номера

i присутствует единица. Пля рассматриваемого примера в формировании функции WaI (l,t) = WaI (1000, t) участвует только напряжение, снимаемое с четвеотого разряда двоичного счетчика WaI (1, t) =WaI (1000, t)

= U4. . В формировании функции

WaI (7, t) =WaI (1110, t) участвуют напряжения, снимаемые с Выходов четвертого, третьего и второго разрядов WaI(7,t) =WaI(1110,t)

= П4, U, U<, и наконец, в формироваиии функции WaI (l l, t) = Wa L(1 10 1, t) 20 . участвуют напряжения, снимаемые с первого, третьего и четвертого разрядов двоичного счетчика Wa1 (11, t) ,= Wa1 (1101, t) = U Ug Ug.

Йапряжения, снимаемые c выхода блока 2$

3 подаются на блок управления 4.

Блок управления 4 формирует высокочастотные управляющие напряжения, изменяющие фазу на 180 в соответствии с моментами,изменения знака Щ функции аппроксимирующего ряда

Уолша, которые поступают на блок силовых ключей 5. Усиленный по мощности сигнал с блока силовых ключей

5 подается на блок весовых коэффициентов 6, задающий амплитуды напряжений, пропорциональные соответствующим весовым коэффициентам, функций аппроксимирующего ряда Уолша. Поскольку функции Уолша принимают только два фиксирован «ых значения- 4О плюс и минус единицу, определение весовых коэффициентов аппроксимирующего ряда сводится к. вычислению средних значений низкочастотной, синусоидальной, апйроксимируемой 45 функции на интервалах постоянства данных функций Уогыа и затем — к суммированию этих значений с учетом знаков аппроксимирующих функций

Уолша на данных интервалах. 50 ср о где А р - среднеквадратическая ошибка ср аппроксимации;

f (t) — аппрокоимируемая функция;

К - Const в этом случае достигается и минимум коэффициента гармоник. Кроме того, ряд Уолша является быстро сходящимся.

Например, для n=5 выражение для аппроксимирующего ряда Уолша имеет следующий вид

7(t) = М11 2В ft = (О 6355жси ()-25 6 Зчс (7 t)

- (9,5 ис С(Н,4)-5,2чЧс СОЪ,t>-6,Swan(

Г

В результате суммирования напряжений формируется восьмиступенчатое квазисинусоидальное напряжение, однако восьмиступенчатое напряжение получается уже при суммировании первых пяти функций данного аппроксирующего ряда . С увеличением числа ступеней в квазисинусоидальном выходном напряжении число составляющих аппроксимирующего ряда Уолша, необходи.»мх для формирования данного напрн:кения, растет незначительно.

Выходы блока весовых коэффициентов б подключены ко входам сумматора 7, в котором осуществляется алгебраическОе суммирование ВысокО» частотных напряжений, модулированйых по фазе в соответствии с изменением знака функций Уолша. Роль блока силовых ключей 5, весовых коэффициентов б и сумматора 7 могут выполнять силовые высокочастотные инверторы с 6О трансформаторными выходами. Последовательным соединением вторичных обмоток трансформаторов осуществляют алгебраическое суммирование, а эа счет различных коэффициентов трансфор- 65 мации производится выбор необходимых амплитуД выходных напряжений.

На фиг.2 показаны эпюры напряжеНий UI, — U6 высокочастотных инвертоторов и форма суммарного напряжения

П7 . Выделение квазисинусоидального напряжения U 8 осуществляется с помощью демодулятора 8, подключенного к выходу сумматора 7.

Выбор в качестве базисной системы функций Уолша обусловлен тем, что система состоит из йабора прямоугольных импульсов различной длительности и постоянной амплитуды колебаний, которая удовлетворяет всем требованиям теории о наилучшей аппроксимации в смысле среднеквадратического. Если функция разлагается в ортогональный ряд, весовые коэффициенты которого определяются с помощью выражения

Ь, a,.= уу(ИЧ„. (t)a<, где f (t) - аппроксимируемая Функция1

Ч„(М - функция из базисной ортогональной системы, (а,Ь) отрезок определения функции f(t), на котором аппроксимация рядом правомерна, каждая частная сумма разложения являет-. ся наилучшей аппроксимацией в смысле среднеквадратического, и этот благоприятный случай единственный. Поскольку между коэффициентом гармоник и среднеквадратической ошибкой аппроксимации существует взаимно однозначное соотвествие, а именно 716123

Предложенный способ Формирования квазисинусоидального низкочастотного сигйала не накладывает никакйх ограничений на соотношение выходного напряжения и промежуточной. рабочей частоты. 5

В зависимости от выбора схемы высокжастотйых инверторов (со средйей

ФЬчкой, полумостовая, мостовая) и схемы демодулятора определяется число силовых клеей, необходимых для формирования квазисинусоидального напряжения по предложенному способу.

Формула изобретения

Способ формирования квазисинусо- 3$ идального напряжения путем амплитудноимпульсной модуляции 2-ro рода высокочастотного напряжения по заданному кваэисинусоидальному закону и после- . дующей демодуляции результирующего 20 промодулированного напряжения, о тличающийся тем,что,с целью упрощения реаяиэацйи и улучшения качества кваэисинусоидального йацряжеиия, для 6существления указан- .,5 ной модуляцми формируют напряжения прямоугольной Формй типа меандр частотой, в 2 и раэ превышающей частоту кваэисииусоидального напряжения, расщепляют его. íà и разночастотных прямоугольной:Формы напряжений с отношением частот предыдущего и поСледукк4его напряжений равным двум, которые затем между собой перемножают и получают систему иэ 2 " (n2,3,4,5...} модулирующих сигналов, выбирают тольхо те сигналы, у которых число переходов на периоде квази-. синусоидального напряжения от одного уровня к другому, деленное на" два, . равно нечетному числу (1,3,5,7...), 4Î каждым из полученных 2 н-т модулиру ющих сигналов осуществляют амплитуд. но-импульсную модуляцию 2-"го рода,одного из 2" числа сформированных высокочастотных напряжений, причем амплитуду каждого высокочастотного напряжения задают как алгебраическую сумму средних значений за полупериод значений синусоидальной частотой квазисинусоидального напряжения функции, определенных на интервалах, в которых соответствующий модулирующий сигнал из системы 2 " сигналов имеет постоянное значение, и взятых со знаком, соответствующим знаку этого модулирующего сигнала на данном интервале, а упомянутое результирующее промодулированное напряжение получают путем алгебраического суммирования промодулированных указанным образом 2 " высокочастотных напряжений так, что после демодуляции квази сииусоидальное многоступенчатой форьа напряжение на четверти периода имеет

4" " различных уровней напряжения.

Истбчники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Метод биений и построение на его основе тиРисторных преобразователей частоты с регулируемыми параметрами синусоидального напряжения .

В.Е.Тонкаль, Л.П.Мельничук, A.В.Новосельцев, Ю.Н.Дыхненко в кн. Современные задачи преобразовательной техники К., ИЭД AH УССР, 1975, ч.4, с.187-197.

2. Однофазные вторичные источники питания со звеном повьзаенной частоты, Мельничук В.П., Кравченко в кн. Преобразование параметров электрической энергии, К., Наукова думка, с, 220-223.

3 Стабилизированный преобразова« тель постоянного напряжения в пере менное ступенчато-синусоидальное.

В.П.Миловзоров, Е.К.Мусолин, A Ñ.Ìîрозов в кн. Современные задачи преобразовательной техники, К., ИЭД

AH УССР, 1975, ч.4, с.154.

716123

Составитель Т.Иыцык

Техредл.Алферова

Редактор И.Алиева

Корректор Н.Стец.Филиал ППП Патент, г, ужгород, ул, Проектная, 4

Заказ 9539/46 Тираж 783 Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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