Генератор многофазной системы ЭДС с использованием блока диодов для сокращения в два раза числа силовых ключей
GENERATOR OF MULTIPHASE SYSTEM OF EMF USING A BLOCK OF DIODES FOR CUTTING TWICE NUMBER OF POWER SWITCHES

I. Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к области электротехники. Устройство предназначено для генерирования многофазной системы напряжений требуемой частоты, величины напряжения и числа фаз при использовании блока диодов для сокращения в два раза числа силовых ключей.
Устройство может использоваться как в стационарных, так и мобильных системах (робототехнике) для питания многофазных двигателей переменного тока, а также для питания других многофазных потребителей электрической энергии, в том числе и с отличной от стандартной частотой питания. Применение в схеме устройства блока диодов позволяет сократить в два (и более) раза число силовых ключей, используемых для коммутации, по сравнению с ранее предложенным устройством [1]. Это позволяет уменьшить габариты и вес устройства, повышает его энергетические характеристики за счет сокращения потерь в силовых ключах, повышает надежность устройства. Эти характеристики важны для мобильных устройств, где габариты и вес имеют существенное значение.
II. Уровень техники
Целью изобретения является разработка устройства для генерирования многофазной системы напряжений требуемой частоты, величины напряжения и числа фаз на основе использования импульсной техники, отличающегося от ранее предложенного устройства использованием блока диодов для сокращения в два (и более) раза числа силовых ключей в коммутационном блоке.
Свойства симметрии синусоидальной функции
Синусоидальная функция обладает следующими свойствами симметрии:
2. e(t)=e(T-t) T/2<t<T,
3. e(t)=-e(t+T/2) для 0<t<T/2.
Свойства симметрии выполняются и для аппроксимирующей функции фиг. 1, представленной последовательностью импульсных функций.
Эти свойства позволяют для аппроксимации синусоидальной функции использовать ограниченное число дискретных значений импульсных функций. На рисунке фиг. 1 показана аппроксимация прямой последовательности синусоидальных функций напряжения симметричной трехфазной системы ЭДС последовательностью импульсных функций при числе временных интервалов n=12.
Фиг. 1 Аппроксимация прямой последовательности синусоидальных функций напряжения симметричной трехфазной системы ЭДС последовательностью импульсных функций.
В таблице 1 записаны амплитудные значения импульсных функций, аппроксимирующих синусоидальные функции напряжений фаз трехфазной системы при числе временных интервалов равном 12.
Отличительные свойства предлагаемого устройства
Предлагаемое устройство для генерирования многофазной системы напряжений отличается от описанного в работе [1] тем, что:
- для сокращения числа силовых ключей в два (и более) раза в блоке коммутации используется свойство симметрии синусоидальной функции. Положительная и отрицательная полуволны синусоиды симметричны, а каждая из полуволн симметрична относительно вертикальной оси, поведенной через экстремальное значение функции;
- указанным свойством симметрии обладает и аппроксимирующая синусоиду функция, состоящая из последовательности импульсных функций. Примем число импульсных функций на периоде синусоидальной функции Т равным n, а число фаз генератора m. Тогда число силовых ключей, необходимых для коммутации этих импульсных функций будет равно n⋅m;
- число импульсных функций с одинаковыми амплитудными значениями на положительной полуволне синусоиды будет равно n/4 и такое же число будет на отрицательной полуволне синусоиды. Вместе это составляет число n/2. Для коммутации импульсных функций, совокупность которых аппроксимирует синусоидальные напряжения фаз, в многофазной системе, при использовании свойств симметрии потребуется m⋅n/2 ключей;
- в предлагаемом устройстве для сокращения количества силовых ключей используется блок диодов. Блок диодов содержит модули диодов D1, D2…Dm, количество которых m равно количеству фаз. Сигналы с дешифратора блока управления поступают на входы диодов каждого модуля D1, D2…Dm. В каждом модуле диодов D1, D2…Dm выходы диодов попарно соединяются и поступают на управляющие электроды силовых ключей. Номера попарно соединяемых диодов определяются свойствами симметрии синусоидальной функции. Сигналы, поступающие с блока управления через попарно соединенные диоды, переводят один из ключей в каждой фазе в открытое состояние на время действия входного управляющего сигнала;
- число ключей, необходимое для коммутации импульсных функций при использовании блока диодов будет равно m⋅n/2. Это в два раза меньше числа ключей в схеме, не использующей блок диодов. В ряде случаев число ключей может быть меньше m⋅n/2.
- Очередность следования импульсов с требуемыми амплитудными значениями в каждой фазе генератора задается устройством управления и коммутационной схемой блока диодов. В качестве управляемых ключей могут использоваться симисторы, транзисторные ключи требуемой полярности на основе МОП транзисторов и IGBT-транзисторов, тиристоры. Коммутационная матрица совместно с блоком диодов может быть реализована по технологии изготовления микросхем.
III. Раскрытие сущности изобретения
III. 1 Структурная схема устройства
Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 2.
На рисунке фиг. 2 показаны следующие блоки устройства:
1. Блок управления 9. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов, которые управляют открытием электронных ключей, расположенных в блоке коммутации;
2. Блок диодов 14. Содержит модули D1, D2, D3. При помощи каждого модуля осуществляется попарное объединение выходов диодов и передача сигнала от блока управления на управляющие электроды силовых ключей
1
m
3. Блок коммутации 15 обеспечивает подключение к выходным клеммам блока коммутации 12…12 источников, генерируемых блоком питания 16.
1
m
4. Блок питания 16 генерирует постоянные напряжения заданной величины E1, Е2, Е3, Е4=-Е1, Е5=-Е2, Е6=-Е3. Напряжения источников подключаются ключами 10r,s (r=1….m, s=1…n/2), расположенными в блоке коммутации 15 к выходным клеммам блока коммутации 12…12. Напряжения положительной и отрицательной полярности формируются в результате последовательного соединения одинаковых по величине напряжения источников. В качестве источников питания могут приниматься гальванические батареи, аккумуляторные и конденсаторные батареи и др.
На рисунке фиг. 2 показана структурная схема устройства с указанием внешних полюсов блоков, при помощи которых осуществляется связь блоков и управление устройством, а также показана нумерация блоков в соответствии с общей принципиальной схемой:
9 - блок управления;
14 - блок диодов;
15 - блок коммутации;
16 - блок питания;
1
n
1
n/2
pk
1
n
1
n/2
p,k
1
m
На рисунке фиг. 2 показаны полюсы 8…8, 11…11, 8 (p,k=1…n), при помощи которых осуществляется взаимодействие блоков и полюсы 6 и 13, при помощи которых осуществляется управление устройством. Указаны номера полюсов в соответствии с общей принципиальной схемой устройства. Сигнал для запуска устройства вводится при помощи полюса 6. Ввод числа временных интервалов n, на которое разбивается период синусоидальной функции Т, осуществляется с использованием полюса 13. При помощи полюсов 8…8 соединяются блок управления 9 и блок диодов 14, при помощи полюсов 11…11 блок питания 16 подключается к блоку коммутации 15, при помощи полюсов 8 (р,k=1…n) блок диодов 14 соединяется с блоком коммутации 15, полюсы 12…12 являются выходными, к ним подключается нагрузка.
III. 2 Блок управления
1
m
Схема блока управления показана на рисунке фиг. 3. Блок управления 9 предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности TI и подачи этих сигналов на входы диодов, расположенных в модулях D1, D2,…Dm блока диодов 14. Блок управления формирует циклическую с периодом T последовательность импульсов. Величина T равна периоду синусоидальной функции. Число импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI=Т/n. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации синусоидальной функции последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью реализации устройства. С увеличением n и уменьшением TI снижается погрешность и увеличивается стоимость. Для синусоидальной функции, показанной на рисунке фиг. 1 число временных интервалов равно 12. При помощи электронных ключей, расположенных в блоке коммутации 15, источники ЭДС E1, Е2, Е3, Е4=-Е1, Е5=-Е2, Е6=-Е3, генерируемые блоком питания 16, подключаются в заданные блоком управления моменты времени в соответствии с заданным алгоритмом  к выходным полюсам 12…12 блока коммутации 15. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI. Амплитудные значения последовательностей импульсов для каждой фазы для конкретных значений n=12 и числа фаз m=3 приведены в таблице 1.
Принципиальная схема блока управления представлена на рисунке фиг. 4.
1
n
Блок реализован на элементах 1-7. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде T периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с числом выводов n, равном числу импульсных функций на периоде Т. Выходные полюсы блока управления 8…8 подключаются к входам диодов, расположенных в модулях D1, D2, D3. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 13 осуществляется запись кода числа временных интервалов n.
1
n
1
n
1
m
Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 13 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам 8…8, при помощи которых блок управления соединяется с блоком диодов. Выходные полюсы дешифратора 8…8, расположенного в блоке управления 9, являются входными для модулей D…D, расположенных в блоке диодов 14. Это показано на рисунке фиг. 2.
III. 3 Блок диодов
s
1
1,6
Блок диодов включает модули D1…Dm как показано на рисунках фиг. 4а,б.в и фиг. 2. Модули D1…Dm состоят из набора диодов Ds,r, где s=1…12 и соответствует номеру полюса 8s блока управления, r - номер модуля, r=1…m, где m - количество фаз многофазной системы. Номер модуля r равен номеру фазы. Диоды Ds,r с одинаковым номером индекса r принадлежат модулю Dr. Вход диода с индексом s подключаются к полюсу 8 блока управления. Так, диод D1,1 находится в первом модуле и подключается к полюсу 8. В каждом модуле выходы диодов соединяются попарно соответственно свойствам симметрии синусоидальной функции. Коммутации выходов диодов модулей D1…D3 для трехфазной системы, соответственно рисунку фиг. 1 и таблице 1, показаны на рисунке фиг. 4. Выходные полюсы каждого модуля поступают на управляющие электроды блока коммутации 15. Например, согласно первой строке таблицы 1, которая соответствует первой фазе устройства, амплитуду Е1 имеют импульсы, соответствующие первому и шестому временному интервалу. Значит в модуле D1 выходы диодов D1,1 и D6,1 должны быть объединены и подаваться на управляющий электрод силового ключа, подключающего к выходному полюсу первой фазы блока коммутации источник с амплитудой Е1. Этот выходной полюс модуля D1 обозначен на рисунке 4а индексами 8. Аналогично рассмотренному примеру осуществляются объединения выходов остальных диодов модулей D1…Dm и подключение их к управляющим электродам силовых ключей, расположенных в блоке коммутации 15. Для модуля D1 это показано на рисунке фиг 4а, для модуля D2 на рисунке 46, для модуля D3 на рисунке 4в.
III.4 Блок питания
Блок питания 16 предназначен для генерирования набора постоянных источников постоянного напряжения, значения ЭДС которых равны амплитудным значениям импульсов аппроксимирующей синусоиду функции.
Для случая m=3, n=12, согласно рисунку фиг. 1, это E1, Е2, Е3, Е4=-Е1,Е5=-Е2, Е6=-Е3.
Блок питания может быть выполнен в различных вариантах в зависимости от назначения устройства (стационарный или мобильный), мощности нагрузки, технических требований.
1
2
3
4
5
6
1
n/4
1
2
3
n/4+1
n/2
4
5
6
1
1
2
2
1
3
1
3
1
4
4
5
5
1
6
6
Рассмотрим реализацию блока питания для случая питания мобильных устройств и использования в качестве источников питания малогабаритных однотипных источников постоянного напряжения с одинаковыми значениями напряжения. Это могут быть - гальванические источники питания видов R, LR, SR, CR классов D, С, АА, AAA, РР3, аккумуляторные или конденсаторные батареи. Схема блока питания представлена на рисунке фиг. 5. Блок питания посредством полюсов 11, 11, 11, 11, 11, 11 подключается к блоку коммутации. Все источники питания подключаются между собой последовательно с выводом средней точки (полюса) к полюсу "земля". Источники питания 17…17 положительной полярности подключаются между собой последовательно. Для n=12 это источники 17, 17, 17. Источники отрицательной полярности 17…17 соединяются последовательно. Для n=12 это источники 17, 17, 17. К полюсу 11 подключается один источник питания с напряжением E=E, к полюсу 11 подключаются два последовательно соединенных источника так, что их напряжение равно Е=2Е, к полюсу 11, подключаются три последовательно соединенных источника с напряжением каждого источника Е, их общее напряжение равно E=3E. К полюсу 11 подключается источник питания с напряжением Е=-Е, к полюсу 11 подключаются два последовательно соединенных источника с напряжением каждого источника -Е, их общее напряжение Е=-2Е, к полюсу 11 подключаются три последовательно соединенных источника с напряжением каждого - Е, их общее напряжение равно Е=-3Е. Это позволяет получить напряжения, кратные напряжению одного источника Е. Последовательность источников с этими значениями напряжений позволяет аппроксимировать синусоидальные напряжения фаз. В таблице 1 записаны значения напряжений импульсных источников для числа временных интервалов n=12 и числа фаз m=3.
Трансформаторная схема блока питания при питании от сети переменного тока и схема блока питания от аккумуляторной батареи с использованием преобразователя DC/DC описаны в работе [1].
III. 5 Блок коммутации
1
n/2
rs
Схема блока коммутации для m=3, n=12 приведена на рисунке фиг. 6. При помощи блока коммутации 15 источники напряжений, поступающие от блока питания 16, посредством полюсов 11…11 подключаются силовыми ключами 10 в соответствующие интервалы времени (κ-1)TI≤t≤kTI, k=1, 2, …n
1
m
r,s
1
n
к выходным полюсам блока 12…12. В записанном выражении TI-длительность временного интервала одного импульса напряжения, n - количество временных интервалов на периоде Т, m - количество фаз генератора, n - количество временных интервалов на периоде Т. Коммутация осуществляется при помощи управляемых электронных ключей 10, где r=1…m, s=1…n/2. Импульсы, управляющие открытым состоянием каждого электронного ключа, поступают от полюсов 8…8 блока управления посредством модулей D1, D2, D3 блока диодов 14 к управляющим электродам силовых ключей.
1
1,1
1,6
1
Для фазы 1 импульс от блока управления с полюса 8 в первый временной интервал и с полюса 6 в шестой временной интервал поступает в блок коммутации 15 к управляющему электроду силового ключа 10 с полюса 8. В открытом состоянии этого ключа напряжение источника ЭДС Е1 поступает на выход устройства к полюсу 12. Время открытого состояния ключа равно TI.
1
2
2,1
1,2
2
Для фазы 2 импульс от блока управления с полюса 8 в первый временной интервал и с полюса 8 во второй временной интервал поступает в блок коммутации 15 к управляющему электроду силового ключа 10 с полюса 8. В открытом состоянии этого ключа напряжение источника ЭДС -Е3 поступает на выход устройства к полюсу 12. Время открытого состояния ключа равно TI.
1
10
3,1
1,10
3
Для фазы 3 импульс от блока управления с полюса 8 в первый временной интервал и с полюса 8 в десятый временной интервал поступает в блок коммутации 15 к управляющему электроду силового ключа 10 с полюса 8. В открытом состоянии этого ключа напряжение источника ЭДС Е2 поступает на выход устройства к полюсу 12. Время открытого состояния ключа равно TI.
r,s
Работа остальных силовых ключей 10 где r=1…m, s=1…n/2, аналогична описанным процессам для 1, 2 и 3 фаз.
IV. Краткое описание чертежей
Фиг. 1 Аппроксимация синусоидальных функций напряжений трехфазной системы последовательностью импульсных функций для n=12
Фиг. 2 Структурная схема устройства
Фиг. 3 Принципиальная схема блока управления
Фиг. 4 Схемы модулей D1, D2, D3 блока диодов.
Фиг. 4а Схема модуля D1
Фиг. 4б Схема модуля D2
Фиг. 4в Схема модуля D3
Фиг. 5 Принципиальная схема блока питания для n=12
Фиг. 6 Принципиальная схема блока коммутации для трехфазного источника m=3, n=12
V. Осуществление изобретения
i
Описание работы устройства. В исходном состоянии на регистре 5 по входу 13 записан код числа временных интервалов n. На это число интервалов разбивается период синусоидальной функции T при аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 3 не показан). Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6 логического элемента И 2. После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-ом (i=1…n) выходе дешифратора 7 подается на вход блока диодов 14 посредством одного из полюсов 8, где
i
1
i
i=1…n. Полюсы 8, i=1…n, являются входными для диодов модулей D1, D2, …, Dm блока диодов. Так, полюс 8 подключается к входу диода D1,1 модуля D1, входу диода D1,2 модуля D2, входу диода D1,m модуля Dm. Аналогично подключаются полюсы 8, i=2…n, к входным полюсам диодов модулей D1, D2, … Dm. Это показано на рисунке фиг. 4. Выходные полюсы диодов каждого модуля объединяются попарно в соответствии со свойствами симметрии синусоидальной функции, записанными в выражении (1). На рисунке фиг. 4 показано попарное объединение выходных полюсов диодов модулей D1, D2, D3 для случая m=3.
1
1,6
2,5
3,4
7,12
8,11
9,10
Поясним объединение выходных полюсов диодов модуля D1, при помощи которых осуществляется подключение напряжений источников ЭДС блока 16 к выходному полюсу первой фазы устройства 12. Для модуля D1 объединяются выходные полюсы диодов D1,1 и D1,6, D2,1 и D5,1, D3,1 и D4,1, D7,1 и D12,1, D8,1 и D11,1, D9,1 и D10,l. Объединенные выходные полюсы диодов являются выходными для модуля D1. Такими полюсами для модуля D1 являются 8, который объединяет выходные полюсы диодов D1,1 и D1,6, полюсы 8, 8, 8, 8, 8. Объединение выходных полюсов диодов с указанными индексами объясняется свойствами симметрии синусоидальной функции.
1,6
1,1
1
1
В первой строке таблицы 1 показано, что амплитуды импульсов с номерами 1 и 6, 2 и 5, 3 и 4, 7 и 12, 8 и 11, 9 и 10 одинаковы. Для 1 и 6 временных интервалов амплитуды импульсов равны Е1. Управляющий сигнал с полюса 8, являющегося выходным для модуля D1, поступает на управляющий электрод силового ключа 10, расположенного в блоке коммутации15, и открывает ключ на интервал времени TI на первом или шестом временном интервале. В результате источник ЭДС с напряжением Е1 подключается в указанные интервалы времени к полюсу первой фазы устройства 12. Аналогично осуществляется подключение источников ЭДС блока питания 16 к полюсу 12 для остальных временных интервалов.
2
Управляющие сигналы, снимаемые с выходных полюсов модуля D2, позволяют управлять подключением источников ЭДС блока питания 16 к полюсу второй фазы 12.
3
Управляющие сигналы, снимаемые с выходных полюсов модуля D3, позволяют управлять подключением источников ЭДС блока питания 16 к полюсу второй фазы 12.
1
n/2
1
n/2
1
m
r,s
1
n/2
1
n
j
j+1
n
1
Подключение источников питания 17…17 с напряжениями Е…E к выходным полюсам блока коммутации 12…12 осуществляется при помощи управляемых электронных ключей 10, r=1…m, s=1…n/2. Блок коммутации 15 подключается к источникам питания блока питания 16 посредством полюсов 11…11. Силовые ключи расположены в блоке коммутации 15, рисунок фиг. 6. Сигналы, управляющие на момент времени TI=Т/n открытым состоянием ключа, поступают с выхода дешифратора блока управления посредством полюсов 8…8. Блоком управления задается очередность следования управляющих импульсов. За управляющим импульсом, поступающим с полюса 8, j=1…n, следует управляющий импульс с полюса 8 пока j+1 не станет равным n. После прекращения действия импульса с выхода 8 включается импульс 8. При этом текущее значение счетчика числа импульсов 3 совпадет с заданным при помощи входа 13 числом n, счетчик обнуляется и процесс повторяется.
VI. Литература
1. Патент №2016127384, МПК H05B 1/00, 2017. Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС