ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ (ВАРИАНТЫ)

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к силовой преобразовательной технике, и может быть использована при разработке источников электропитания.
Известен трехфазный инвертор напряжения, в котором для согласования уровней входного и выходного напряжений используется трехфазный трансформатор [1]. Недостатком известного устройства являются низкие массогабаритные показатели из-за выходного трансформатора, работающего на относительно низкой частоте.
Наиболее близким к устройством по первому и второму вариантам полезной модели является трехфазный инвертор напряжения [2], выполненный в виде последовательно соединенных высокочастотного управляемого инвертора, трансформаторного узла и выходного демодулятора, выполненного по мостовой схеме инвертора на полностью управляемых ключах.
Недостатком известного устройства [2] является низкая надежность работы, обусловленная возможностью возникновения аварийной ситуации в схеме из-за высоких перенапряжений на управляемых ключах переменного тока демодулятора, возникающих при их переключении (из-за отсутствия цепей для протекания реактивного тока индуктивной нагрузки).
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании полезной модели по ее обоим вариантам, является повышение надежности работы устройства.
Δ
Технический результат по первому варианту полезной модели достигается за счет того, что, в преобразователе постоянного напряжения в переменное, содержащем высокочастотный управляемый инверторный узел, выход которого через трансформаторный узел подсоединен к входным выводам трехфазного управляемого демодулятора, выполненного по схеме инвертора, преобразующего напряжение высокой частоты в напряжение низкой частоты в соответствии с алгоритмом, задаваемым блоком управления, полностью управляемые ключи демодулятора обладают двухсторонней проводимостью, а блок управления выполнен обеспечивающим формирование нулевой паузы между полуволнами выходного напряжения инверторного узла, в течение которой переключаются противотактно работающие ключи демодулятора, причем длительность нулевой паузы α выбрана из условия:
Δ
Δ
α=(θ+α)[эл.град.],
Δ
где: θ - фиксированная минимальная нулевая пауза, α - угол регулирования управляемого инвертора.
Технический результат по второму варианту полезной модели достигается за счет того, что в преобразователе постоянного напряжения в переменное, содержащем высокочастотный управляемый инверторный узел, выход которого через трансформатор подсоединен ко входным выводам трехфазного управляемого демодулятора, выполненного по схеме инвертора, преобразующего напряжение высокой частоты в напряжение низкой частоты в соответствии с алгоритмом, задаваемым блоком управления, причем полностью управляемые ключи демодулятора обладают двухсторонней проводимостью, а блок управления выполнен обеспечивающим формирование нулевой паузы между полуволнами выходного напряжения инверторного узла, в течение которой переключаются противотактно работающие ключи демодулятора, и вместе с этим одновременное проводящее состояние всех противотактно работающих ключей демодулятора при их переключении, длительность которого меньше длительности нулевой паузы яд между полуволнами выходного напряжения инверторного узла, которая выбирается из условия:
Δ
Δ
α=(θ+α)[эл.град.]
Δ
где: θ - фиксированная минимальная нулевая пауза, α - угол регулирования управляемого инвертора.
Оба варианта полезной модели, различающиеся функциональными возможностями блока управления (во втором варианте полезной модели блок управления дополнительно формирует принудительное перекрытие проводящего состояния всех ключей демодулятора при их переключении), объединены единым техническим замыслом, направленным на достижение одного и того же технического результата - повышение надежности работы устройства путем исключения возникновения перенапряжений на ключах демодулятора.
На фиг.1 представлена схема преобразователя постоянного напряжения в переменное (для обоих вариантов).
На фиг.2 приведена схема блока управления преобразователя для первого варианта выполнения. Для первого варианта выходными сигналами блока управления являются импульсы .
На фиг.3 приведена схема блока управления преобразователя для второго варианта выполнения. Для второго варианта выходными сигналами блока управления являются импульсы .
На фиг.4 и фиг.5 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип формирования выходного напряжения и алгоритмы работы элементов блока управления.
На фиг.6 приведены временные диаграммы работы расширителя импульсов.
1
4
Устройство по обоим вариантам выполнения (фиг.1) содержит два последовательно соединенных преобразующих звена - высокочастотный управляемый инвертор 1 с трансформаторным выходом и демодулятор 2, выполненный на полностью управляемых ключах 3÷8 переменного тока с двухсторонней проводимостью. Высокочастотный инвертор 1 состоит из двух инверторных ячеек, выполненных по нулевой схеме. Первая из ячеек содержит полупроводниковую часть 9 и трансформатор 10 с первичной 11 и вторичной 12 обмотками, а вторая - полупроводниковую часть 13 и трансформатор 14 с первичной 15 и вторичной 16 обмотками. Вторичные обмотки 12 и 16 соединены последовательно и подключены к силовым входным выводам m, l демодулятора 2. Точка соединения обмоток 12, 16 образует нулевой вывод О1 схемы. Ключи высокочастотного инвертора 1 и демодулятора 2 переключаются сигналами, формируемыми блоком управления 17 (ψ...ψи  () соответственно). Для улучшения качества преобразованной электроэнергии на выходе демодулятора может устанавливаться трехфазный Г образный LC фильтр 18. Трехфазную нагрузку 19 (с нулевым выводом О2) подключают или к трехфазному выходу (А2, В2, С2) фильтра 18 или непосредственно к трехфазному выходу (A1, B1, С1) демодулятора 2.
0
ДН
Блок управления по обоим вариантам выполнения (фиг.2, 3) содержит задатчик частоты 20, выход которого подключен ко входу делителя частоты 21, парафазными выходами подсоединенного ко входу первого распределителя импульсов 22, который выполнен по кольцевой пересчетной схеме. Высокочастотный узел содержит второй распределитель импульсов 23, входом подключенный к парафазным выходным выводам задатчика частоты 20. Модулятор ширины импульсов 24, выполнен в виде генератора пилообразного напряжения (ГПН) 25 и задатчика напряжения 26, выходы которых подключены ко входам первого компаратора 27. Вход задатчика напряжения 26 подключен к выходу узла сравнения 28 двух напряжений - напряжения уставки U и напряжения U от датчика выходного напряжения (при его стабилизации). Для логического инвертирования сигнала S (с выхода первого компаратора) используется логический элемент «НЕ» 29. Логический блок перемножения 30 выходных импульсов узла 23 и выходных импульсов распределителя импульсов 22 выполнен в виде 6 логических элементов «2И» 31...36, трех логических элементов «2ИЛИ» 37, 38, 39 и трех логических элементов «НЕ» 40, 41, 42. Связи между узлами 22, 23, 30 и между логическими элементами внутри блока 30 определяются логическими выражениями:
Логический узел распределения импульсов 43, выполнен в виде 4-х логических элементов «2И» 44...47, 2-х логических элементов «2ИЛИ» 48, 49 и двух логических элементов «НЕ» 50, 51. Связи узла 43 с узлами 23, 24 и
логическими элементами внутри узла 43 определяются следующими логическими выражениями:
Блок управления 3 (по второму варианту выполнения), полностью повторяя схему по фиг.2, содержит дополнительно расширитель импульсов 52, который расширяет функции блока управления, обеспечивая дополнительные возможности повышения надежности устройства путем исключения перенапряжений на ключах демодулятора.
Расширитель импульсов 52 (фиг.3) выполнен в виде задатчика минимальной фиксированной паузы 53, второго компаратора 54 и шести логических элементов ИЛИ 55...60. Один вход компаратора 54 подключен к выходу ГПН 25, второй вход - к выходу элемента 53, а выход - к одним из входов логических элементов «2ИЛИ» 55...60, на другие входы которых поступают соответствующие сигналы с выходов логического блока перемножения 30. Выходной сигнал ΔS компаратора 54 имеет вид узких импульсов длительностью δ (фиг.6). Описанные логические связи определяются следующими логическими выражениями:
С выходов расширителя импульсов снимают расширенные импульсы  управления ключами переменного тока 3...8 демодулятора 2. Принцип работы расширителя поясняется на фиг.6 на примере расширения импульсов  и . В реальной блок-схеме на фиг.2 вместо сигналов  и  используются сигналы .
Δ
При строго синхронном противофазном переключении ключей каждой пары в каждой из трех стоек моста демодулятора 2 расширитель импульсов 52 в принципе не требуется. Если же это условие не реализуется, а практически оно не реализуется, то с помощью расширителя импульсов 52 вводится принудительный режим перекрытия, при котором обеспечивается одновременное проводящее состояние противотактно работающих ключей демодулятора при их переключении. Длительность данного режима выбирается меньше длительности нулевой паузы α между полуволнами высокочастотного напряжения инверторного узла. Введение режима перекрытия при переключении противотактно работающих ключей демодулятора 2 позволяет исключить перенапряжения, обусловленные реактивным током нагрузки с индуктивным характером.
На фиг.4 представлены временные диаграммы рабочих процессов для случая, когда кратность высокой частоты f промежуточного преобразования
относительно выходной частоты F взята небольшой . Эквивалентное модулирующее воздействие (ЭМВ) для каждой фазы
в компактной форме характеризующее закон квантования в ней преобразуемого энергетического потока, содержит постоянную составляющую. Такое соотношение ξ неприемлемо, например, в том случае, если в драйверах для ключей демодулятора 2 гальваническая развязка осуществляется с помощью трансформаторов. Во избежание такого режима число ξ в данном случае должно удовлетворять двум условиям: оно должно быть, во-первых, кратным 3, а, во-вторых, быть четным. В случае, если в драйверах гальваническая развязка осуществляется оптическим способом, число ξ может быть и не четным (но, по-прежнему, кратным трем),
На фиг.4 показаны:
- два варианта импульсов (6F и 3F) на входе делителя частоты 21, иллюстрирующие два возможных варианта построения распределителя импульсов 22;
-  - импульсы на выходе распределителя импульсов 22, (сдвинутые между собой последовательно на угол 2π/3);
ml
- U - суммарное напряжение вторичных обмоток 12, 16 трансформаторов 10, 14;
A1О1
B1О1
C1О1
- U, U, U - фазные напряжения на трехфазной нагрузке при наличии нулевого провода 01-0,
1
4
- ψ...ψ - эквивалентные алгоритмы переключения противотактно работающих ключей 3, 4, 5 и 6, 7, 8 демодулятора 2 (без расширения управляющих импульсов);
A2О2
A2О2
- U - напряжение и i - ток при RL нагрузке одной фазы (А2) при отсутствии нулевого провода 01-02 и выходного фильтра 18.
На фиг.5 представлены:
-  - парафазные импульсы на выходе задатчика частоты 34;
ГПН
a
- U - выходное напряжение генератора пилообразного напряжения (ГПН) 25 и выходное напряжение U задатчика уровня 26 выходного напряжения;
- S - импульсы на выходе компаратора 27;
-  - импульсы на выходе логического элемента 29;
-  - парафазные импульсы на выходах распределителя импульсов 23, (сдвинутые между собой на угол π\2);
11
- S·f- импульсы на выходе логического элемента 45;
-  - импульсы на выходе логического элемента 46;
-  - импульсы на выходе логического элемента 47;
A
B
C
- ψ, ψ и ψ - алгоритмы переключения ключей высокочастотных инверторных ячеек 9, 13 соответственно;
ml
- U - напряжение на входе демодулятора.
На фиг.6 показан принцип расширения импульсов:
ГПН
Δ
- U, U - напряжения на выходе ГПН 25 и на выходе задатчика паузы 53;
- ΔS - импульсы на выходе компаратора 54 длительностью δ;
-  - импульсы, подлежащие расширению;
-  - импульсы после расширения импульсов  и .
Логическая функция расширения требуемого импульса, например , реализуется путем формирования (с помощью узлов 25, 53, 54) последовательности импульсов ΔS длительностью δ и последующей их подачи на один из входов логического элемента 2ИЛИ, на второй вход которого подают импульсы . На фиг.2 эта функция расширения реализована для шести импульсов () управления ключами 3...8 демодулятора. Для этого используются 6 логических элементов 2ИЛИ 55...60.
Устройство работает следующим образом.
ml
П
Высокочастотное напряжение U на входных выводах m, l демодулятора 2 имеет форму прямоугольных импульсов с нулевой паузой θ между его полуволнами. Оно формируется высокочастотным инвертором 1, который при низком значении напряжения питания (E12...30В) целесообразно выполнять в виде двух инверторных ячеек 9, 13 с трансформаторным выходом. Ключи инверторных ячеек управляются сигналами  которые формируются узлами 23, 24, 43 блока управления 17.
Δ
Δ
Δ
Δ
ml
Δ
Δ
Δ
ml
Трансформаторы 10, 14 обеспечивают повышение напряжения до требуемого уровня. Нулевая пауза α=(θ+α)[эл.град.] формируется за счет симметричного фазового сдвига на угол (θ+α)/2 в противоположные стороны напряжения одной инверторной ячейки относительно другой с последующим их суммированием в выходной цепи трансформаторов. При таком изменении угла θ+α фазовое положение результирующего напряжения U не изменяется, благодаря чему появилась возможность осуществлять переключения ключей 3...8 демодулятора (в моменты, соответствующие середине нулевых пауз) при любом значении угла регулирования α. Изменение угла регулирования в пределах α=θ÷(π/2-θ) обеспечивает изменение напряжения U от максимального значения до 0.
Δ
Минимальная пауза θ между полуволнами высокочастотного напряжения (способствующая так же снижению динамических потерь в ключах демодулятора)
ml
соответствует максимальному напряжению U и определяется задаваемой длительностью сигнала S (фиг.2, 3). На практике она должна составлять от 2 до 4 микросекунд.
0
ДН
При стабилизации выходного напряжения его уровень задается сигналом (уставкой) U, подаваемым на один вход узда сравнения 28, на другой вход которого подается сигнал U от датчика выходного напряжения (на схемах он не показан).
A101
ml
A101
ml
B101
C101
A101
При наличии нулевого провода 01-02 (фиг.1) демодулятор 2 работает следующим образом: в пределах 1-й положительной полуволны выходного напряжения U (фиг.3) демодулятора его ключи 3, 4 переключают с частотой f. При этом работа этой пары ключей аналогична работе пары диодов в обычном выпрямителе, выполненным по нулевой схеме: положительную полуволну напряжения U подключают к фазе А2 с помощью ключа 3, а отрицательную его полуволну - с помощью ключа 4. Для изменения полярности низкочастотного напряжения U в пределах 2-й его полуволны порядок работы ключей 3, 4 изменяют на обратный: с помощью ключа 3 к фазе А2 подключают отрицательную полуволну высокочастотного напряжения U, а с помощью ключа 4 - его положительную полуволну. По существу схема одной фазы демодулятора представляет собой схему однофазного двухполупериодного реверсивного выпрямителя. Работа ключей двух других фаз демодулятора аналогична, с той лишь разницей, что реверсирование знака полуволн низкочастотных напряжений U и U (с частотой F) осуществляют с последовательным фазовым сдвигом на угол 2π/3 (на выходной низкой частоте) относительно напряжения U.
A101
В случае отсутствия нулевого провода 01-02 (фиг.1) напряжение фазы А2 приобретает вид U, показанный на фиг.4.
A101
B101
C101
Алгоритм формирования выходных напряжений U, U, U в формализованном виде может быть описан следующими выражениями:
A
B
C
где ψ, ψ, ψ - эквивалентные алгоритмы переключения ключей 3, 4; 5, 6; 7, 8 (соответственно для фаз A1, B1, C1, о чем уже было сказано выше), которые имеют вид знакопеременных импульсов прямоугольной формы с единичной амплитудой. В правомерности описания (1) легко убедиться путем визуального перемножения соответствующих сигналов на фиг.4.
Дополнительно поясним физическую суть сигналов  и эквивалентных алгоритмов переключения ключей. Сигналы А, В, С в коде «0-1» определяют алгоритмы переключения ключей 3, 5, 7, а сигналы  в том же коде - алгоритмы переключения ключей 4, 6, 8 демодулятора. Поскольку ключи одной стойки переключают в противотакте (в случае отсутствия перекрытий в переключениях), то для алгоритмов переключения ключей одной фазы справедливы следующие выражения:
Выражения (2) говорят о том, что проводимость преобразующего тракта демодулятора остается неизменной.
Разность же этих сигналов является знакопеременным сигналом:
и представляет собой эквивалентный алгоритм переключения ключей (алгоритм квантования или изменения знака энергетического потока) соответствующей фазы. Используемая формализация описания удобна для описания процесса преобразования одной (высокой) частоты f в другую (низкую) частоту F.
0
1
ml
A
B
C
1
Δ
1
2
ml
2
A
B
C
На 1-м интервале θ÷θ (фиг.3) напряжение U на входе демодулятора имеет отрицательную полярность (при этом знак «-» - вверху, в точке т, знак «+» - внизу, в точке l на фиг.1). В соответствии с эквивалентными алгоритмами ψ, ψ, ψ включены следующие ключи демодулятора: в фазе A1 - ключ 4, в фазе В1 - ключ 5, в фазе С1 - ключ 8. В момент θ (середине нулевой паузы α) ключи 4, 5, 8 выключают, а ключи 3, 6, 7 включают. Ключи 3, 6, 7 остаются включенными на интервале θ÷θ то есть: в течение оставшейся половины паузы, в течение следующего импульса напряжения U уже другой, положительной полярности (знак «+» - вверху, знак «-» - внизу) и в течение следующей половины паузы. В момент θ ключи 3, 6, 7 выключают, а ключи 4, 5, 8 снова включают. Таким образом, алгоритм переключения ключей 3...8 полностью определяется функциями ψ, ψ, ψ, причем положительные импульсы определяют алгоритмы переключения нечетных ключей соответствующих фазных стоек демодулятора, а отрицательные импульсы - алгоритмы переключения четных ключей этих же стоек.
Переключения ключей происходят при нулевых значениях коммутируемого напряжения. В результате этого перенапряжения на ключах отсутствуют, (что повышает надежность работы схемы), а динамические потери в ключах сводятся к нулю.
На практике реализовать идеальное синхронное противофазное переключение ключей демодулятора не удается. В результате не исключена такая ситуация, когда на интервале переключения их результирующее сопротивление для тока нагрузки может возрасти. При индуктивном характере тока нагрузки это обстоятельство может приводить к аварийным импульсным перенапряжениям на ключах демодулятора. Для исключения аварийной ситуации необходимо ограничить возрастание результирующего сопротивления ключей для тока нагрузки. Именно с этой целью блок управления 17 обеспечивает одновременное проводящее состояние противотактно работающих ключей демодулятора при их переключении, реализуя принудительный режим перекрытия, описанный во втором варианте полезной модели.
Δ
Режим гарантированного перекрытия (длительность которого меньше длительности нулевой паузы α между полуволнами высокочастотного напряжения инвертора 1) осуществляют за счет того, что на выключаемый ключ подают запирающий импульс с задержкой на угол δ/2, а на включаемый - отпирающий импульс с опережением на такой же угол δ/2. Технология
формирования таких импульсов поясняется на фиг.6, а реализация - на фиг.3 (в блоке расширения импульсов 52).
ml
В середине нулевых пауз в коммутируемом напряжении U на интервале δ реализуется одновременное открытое состояние всех шести ключей демодулятора, что для реактивного тока нагрузки обеспечивает путь для его свободного протекания, в результате чего перенапряжения на ключах не возникают.
ml
Таким образом, (в схеме полезной модели по первому варианту), за счет введения нулевой паузы между полуволнами выходного напряжения высокочастотного инвертора появилась возможность переключения ключей демодулятора при нулевых значениях напряжения U, что исключает возникновение перенапряжений на их силовых электродах, и, следовательно, повышает надежность работы устройства.
Введение принудительного режима перекрытия δ (по второму варианту выполнения) в середине нулевой паузы организует цепи замыкания реактивного тока индуктивной нагрузки, что также исключает возникновение перенапряжений на ключах и дополнительно повышает надежность работы устройства.
Высокая надежность работы элементов схемы позволяет ему быть наиболее предпочтительным при разработке схем источников электропитания широкого назначения.
Источники информации, принятые во внимание при составлении описания:
1. B.C.Моин «Стабилизированные транзисторные преобразователи» М., ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1986 г.
2. Там же, с.364.