СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ
METHOD OF CONVERTING DIRECT VOLTAGE TO ALTERNATING VOLTAGE

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано при разработке источников электропитания с улучшенными показателями качества.
Известен способ преобразования постоянного напряжения в переменное, заключающийся в том, что с помощью инвертора формируют трехфазное переменное напряжение прямоугольной формы, которое трансформируют и передают в нагрузку [1]. Согласование уровней входного и выходного напряжений производят с помощью трехфазного трансформатора, работающего на выходной низкой частоте (50 Гц, 400 Гц), что ведет к ухудшению массогабаритных показателей устройства.
Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ преобразования постоянного напряжения в переменное, заключающийся в том, что постоянное напряжение преобразуют в высокочастотное с помощью управляемого инвертора, выходное напряжение которого трансформируют и затем снова преобразуют в напряжение низкой частоты в соответствии с алгоритмом, заданным блоком управления. Преобразование высокочастотного напряжения в низкочастотное осуществляют при помощи демодулятора, выполненного по инверторной схеме на полностью управляемых ключах переменного тока с двусторонней проводимостью [2].
Недостатком известного способа преобразования [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 в эти моменты цепей протекания реактивного тока индуктивной нагрузки).
Техническим результатом, которого можно достичь при использовании изобретения, является повышение надежности работы устройства.
Δ
Технический результат достигается за счет того, что в способе преобразования постоянного напряжения в переменное, заключающемся в том, что постоянное напряжение преобразуют в высокочастотное с помощью высокочастотного управляемого инвертора, выходное напряжение которого трансформируют, а затем преобразуют в напряжение низкой частоты, изменяющееся в соответствии с заданным блоком управления алгоритмом с помощью демодулятора, выполненного по инверторной схеме на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью (2), между полуволнами выходного напряжения высокочастотного инвертора с помощью блока управления вводят нулевую паузу, в течение которой переключают противотактно работающие ключи демодулятора, причем длительность нулевой паузы α выбирают из условия:
Δ
Δ
α=θ+α [эл. град],
где α - угол регулирования выходного напряжения управляемого инвертора,
Δ
θ - фиксированная минимальная нулевая пауза.
При этом блок управления дополнительно может обеспечивать одновременное проводящее состояние всех противотактно работающих ключей демодулятора при их переключении, длительность которого меньше длительности нулевой паузы между полуволнами высокочастотного напряжения инверторного узла.
Из источников информации известен способ повышения надежности работы противотактно работающих ключей инвертора с помощью введения нулевой паузы между командами на их переключение (см. кн. B.C.Моин и Н.Н.Лаптев «Стабилизированные транзисторные преобразователи» М.: Энергия, 1972 г.) Однако этот способ направлен на решение задачи исключения сквозных токов, возникающих при переключении противотактно работающих ключей. Его нельзя использовать в данной схеме демодулятора, т.к. введение пауз между управляющими сигналами неизбежно ведет к появлению перенапряжений на ключах, приводящих к аварийному состоянию элементов схемы (из-за индуктивного характера нагрузки). На ключах же данного модулятора принципиально невозможно появление перенапряжений, т.к. они переключаются при напряжении на них, равном нулю. Таким образом, из известных источников информации не следует очевидность использования известной технической методики в данном изобретении, что позволяет сделать вывод о соответствии данного способа критерию «изобретательский уровень».
На фиг.1 представлена схема трехфазного преобразователя постоянного напряжения в переменное, реализующего данный способ преобразования.
На фиг.2 приведена функциональная схема блока управления преобразователя.
На фиг.3 и фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип формирования выходного напряжения и алгоритмы работы элементов блока управления.
На фиг.5 приведены временные диаграммы работы расширителя импульсов.
1
4
Устройство (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…ψ и A, , B, , C,  соответственно). Для улучшения качества преобразованной электроэнергии на выходе демодулятора может устанавливаться трехфазный Г-образный LC фильтр 18. Трехфазную нагрузку 19 (с нулевым выводом O2) подключают или к трехфазному выходу (A2, B2, C2) фильтра 18, или непосредственно к трехфазному выходу (A1, B1, C1) демодулятора 2.
0
ДН
Блок управления (фиг.2) 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:
, , ,
Δ
Расширитель импульсов 52 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 θ (фиг.5). Описанные логические связи определяются следующими логическими выражениями:
1
1
1
1
С выходов расширителя импульсов 52 снимают расширенные импульсы А, , В, , С,  для управления ключами переменного тока 3…8 демодулятора 2. Принцип работы расширителя поясняется на фиг.6 на примере расширения импульсов f и . В реальной блок-схеме на фиг.2 вместо сигналов f и  используются сигналы А, , В, , С, .
Δ
При идеальном 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, что имеет место на практике, 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 δ выбирается меньше длительности минимальной нулевой паузы θ 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.3 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.3 показаны:
- два варианта импульсов (6F и 3F) на входе делителя частоты 21, которые отражают два возможных варианта построения распределителя импульсов 22;
1
2
3
- p, , p, , p,  - 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;
A1O1
B1O1
C1O1
- U, U, U - фазные напряжения на трехфазной нагрузке при наличии нулевого провода 01-0;
А
В
С
- ψ, ψ, ψ - эквивалентные алгоритмы переключения противотактно работающих ключей 3 и 4; 5 и 6; 7 и 8 демодулятора 2 (без расширения управляющих импульсов);
A2O2
A2O2
- U - напряжение и i - ток при RL нагрузке одной фазы (А2) при отсутствии нулевого провода 01-02 и выходного фильтра 18.
На фиг.4 представлены:
1
- 2f и  - парафазные импульсы на выходе задатчика частоты 34;
ГПН
α
- 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;
1
11
- f,  и f,  - 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;
1
2
3
4
- ψ, ψ и ψ, ψ - алгоритмы переключения ключей высокочастотных инверторных ячеек 9, 13 соответственно;
ml
- U - напряжение на входе демодулятора.
На фиг.5 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;
1
- f и  - импульсы, подлежащие расширению;
1
1
- (f+ΔS), () - импульсы после расширения импульсов f и .
1
1
Логическая функция расширения требуемого импульса, например f, реализуется путем формирования (с помощью узлов 25, 53, 54) последовательности импульсов ΔS длительностью δ (фиг.5) и последующей их подачи на один из входов логического элемента 2ИЛИ, на второй вход которого подают импульсы f. На фиг.2 эта функция расширения реализована для шести импульсов (А, , В, , С, ) управления ключами 3…8 демодулятора. Для этого используются 6 логических элементов 2ИЛИ 55…60.
Устройство работает следующим образом.
ml
Δ
Δ
П
1
2
3
4
Высокочастотное напряжение U на входных выводах m, l демодулятора 2 имеет форму прямоугольных импульсов с нулевой паузой α≥θ между его полуволнами. Оно формируется высокочастотным инвертором 1, который при низком значении напряжения питания (Е=12…30 В) целесообразно выполнять в виде двух инверторных ячеек 9, 13 с трансформаторным выходом. Ключи инверторных ячеек управляются сигналами ψ, ψ, ψ, ψ, 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 α/2 в противоположные стороны напряжения одной инверторной ячейки относительно другой с последующим их суммированием в выходной цепи трансформаторов. При таком изменении угла α фазовое положение результирующего напряжения U не изменяется, благодаря чему появляется гарантированная возможность осуществлять переключения ключей 3…8 демодулятора (в моменты, соответствующие середине нулевых пауз) при любом значении угла регулирования α. Изменение его в пределах α=θ÷(π/2-θ) обеспечивает изменение напряжения U от максимального значения до 0.
Δ
ml
Минимальная пауза θ между полуволнами высокочастотного напряжения (способствующая также снижению динамических потерь в ключах демодулятора) соответствует максимальному напряжению U и определяется задаваемой длительностью сигнала S (фиг.2). На практике она должна составлять от 2 до 4 микросекунд (в зависимости от частотных свойств транзисторов).
0
ДН
При стабилизации выходного напряжения его уровень задается сигналом (уставкой) U, подаваемым на один вход узла 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, выполненном по нулевой схеме: положительную полуволну напряжения U подключают к фазе A1 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 А1 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.
A202
В случае отсутствия нулевого провода 01-02 (фиг.1) напряжение фазы А2 приобретает вид U, показанный на фиг.3.
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 и 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 (5) легко убедиться путем визуального перемножения соответствующих сигналов на фиг.3.
Дополнительно поясним физическую суть сигналов A, , B, , C,  и эквивалентных алгоритмов переключения ключей. Сигналы A, B, C 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 δ в переключениях), то для алгоритмов переключения ключей одной фазы справедливы следующие выражения:
, ,
Выражения (6) говорят о том, что проводимость преобразующего тракта демодулятора остается неизменной.
Разности же этих сигналов являются знакопеременными сигналами:
; ;
и представляют 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
Δ
ml
2
A
B
C
На 1-м интервале θ÷θ напряжение U на входе демодулятора согласно фиг.3 имеет отрицательную полярность (при этом полярность в схеме на фиг.1 такая: знак «+» - в точке l, знак «-» - в точке m). В соответствии с эквивалентными алгоритмами ψ, ψ, ψ включены следующие ключи демодулятора: в фазе A1 - ключ 4, в фазе B1 - ключ 5, в фазе C1 - ключ 8. В момент θ (в 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 (α/2), в течение следующего импульса напряжения U уже другой, положительной полярности (знак «+» - в точке m, знак «-» - в точке l) и в течение следующей половины паузы. В момент θключи 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 кардинально повышает надежность работы схемы), а динамические потери в ключах при этом 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 (или исключить) 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. Режим гарантированного перекрытия (длительность δ которого меньше длительности нулевой паузы 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.5, 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, и перенапряжения на ключах не возникают.
Таким образом, за счет введения нулевой паузы между полуволнами выходного напряжения высокочастотного инвертора появилась возможность переключения ключей демодулятора без возникновения на них перенапряжений (ключи переключаются при нулевом напряжении питания). Исключение перенапряжений на ключах демодулятора при их коммутации повышает надежность работы устройства и сводит к нулю динамические потери в его ключах.
Введение принудительного режима перекрытия проводящего состояния противотактно работающих ключей демодулятора в течение нулевой паузы позволяет дополнительно повысить надежность работы за счет исключения перенапряжений на ключах, вызванных отсутствием цепей для замыкания реактивного тока индуктивной нагрузки. Кроме того, изобретение позволяет исключить динамические потери в демодуляторе.
Высокая надежность работы элементов устройства позволяет ему быть наиболее предпочтительным при разработке источников электропитания широкого назначения.
Источники информации
1. Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: ЭНЕРГОАТОМИЗДАТ, 1986 г., с.379.
2. Там же, с.364.