Генератор многофазной системы ЭДС с уменьшенным вдвое числом силовых ключей
GENERATOR OF MULTI-PHASE EMF SYSTEM WITH REDUCED TWICE POWER TONGS

Область техники, к которой относится изобретение
1.1 Область применения
Изобретение относится к области электротехники. Устройство предназначено для генерирования многофазной системы напряжений требуемой частоты, величины напряжения и числа фаз.
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 с отличной от стандартной частотой питания. Применение в схеме устройства логических элементов 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
II.1 Сравнение с предшествующими уровнями 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 сокращением в два (и более) раза числа силовых ключей в коммутационном блоке.
Свойства симметрии синусоидальной функции Синусоидальная функция обладает следующими свойствами симметрии:
3. e(t)= -e(t+T/2) для 0<t<T/2.
Эти 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.
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 используются логические элементы ИЛИ (на рисунке коммутационного блока фиг. 7 используется знак 1). На вход логического элемента ИЛИ поступают сигналы с дешифратора блока управления, которые соответствуют импульсам с одинаковыми амплитудными значениями. Сигнал с выхода каждого логического элемента поступает на вход силового ключа для перевода его в открытое состояние на время действия входного управляющего сигнала;
- число ключей, необходимое для коммутации импульсных функций при использовании логических элементов будет равно m⋅n/2. Это в два раза меньше числа ключей в схеме, не использующей логические элементы. 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 на управляемых ключах, управляющие сигналы на которые подаются с выходов логических элементов ИЛИ.
В качестве управляемых ключей могут использоваться симисторы, транзисторные ключи требуемой полярности на основе МОП транзисторов и IGBT-транзисторов, тиристоры. Коммутационная матрица совместно с группой логических элементов ИЛИ может быть реализована по технологии изготовления микросхем.
III. Раскрытие сущности изобретения
III. 1 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций
На фиг. 1 пунктиром представлен отрезок синусоидальной функции на интервале 0..2π и аппроксимация этой функции последовательностью импульсных функций, когда период функции разбивается на n=12 временных интервалов. На рисунке фиг. 1 показаны амплитудные значения каждого из импульсов E1, Е2, Е3, -Е1, -Е2, -Е3. В таблице 1 записаны амплитудные значения импульсов для каждого временного интервала на периоде для каждой фазы трехфазной системы.
1
2
3
Значения напряжений Е, Е, Е показаны на рисунке фиг. 1.
Из рисунка, показанного на фиг. 1, следует, что для получения ступенчатой аппроксимирующей функции достаточно использовать n/2 источников постоянного напряжения, которые включаются на интервал времени TI в соответствующие интервалы времени. Для показанного на фиг. 1 случая n=12
источник ЭДС Е1 включается на интервал времени TI в первый или шестой интервалы времени, источник Е2 включается во второй или пятый интервалы времени, источник Е3 включается в третий и четвертый интервалы времени, источник Е6=-Е3 включается в девятый и десятый интервалы времени, источник Е5=-Е2 включается в восьмой и одиннадцатый интервалы времени, источник Е4=-Е1 включается в седьмой и двенадцатый интервалы времени.
Покажем, что число силовых ключей может быть меньше n/2. На рисунке фиг. 2 показана аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций при n=24. При этом приняты следующие обозначения ЭДС импульсов:
2
1
4
3
6
5
8
7
10
9
Е=-Е, Е=-Е, Е=-Е, Е=-Е, Е=-Е
В таблице 2 записаны амплитудные значения импульсных функций для каждого временного интервала от 1 до 24 (по числу импульсных функций) для каждой из фаз трехфазной системы ЭДС. Каждый временной интервал соответствует шагу 15° синусоидальной функции.
0
Из таблицы 2 следует, что значение Е в каждой фазе встречается 4 раза. Следовательно, синусоидальную функцию ЭДС каждой фазы можно представить не при помощи n/2=12 импульсных функций, а при помощи
11 импульсных функций со значениями амплитуд Е0, E1, Е2, Е3, Е4, Е5, Е6, Е7, Е8, Е9, Е10. Соответственно, в этом случае понадобится 11 силовых ключей для коммутации этих источников.
III.2. Структурная схема устройства
Структурная схема устройства показана на рисунке фиг. 3.
На рисунке фиг. 3 показаны следующие блоки устройства:
1. Блок управления. Обеспечивает циклическую, с заданным периодом Т, поочередную подачу управляющих импульсов, которые управляют открытием электронных ключей, расположенных в блоке коммутации;
2. Блок коммутации обеспечивает подключение к выходным клеммам блока коммутации источников, генерируемых блоком питания.
3. Блок питания генерирует постоянные напряжения заданной величины. Напряжения источников подключаются ключами, расположенными в блоке коммутации к выходным клеммам блока коммутации. Отличительным для предлагаемого устройства является то, что 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. 3 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:
- 14 - блок управления;
15 - блок коммутации;
16 - блок питания;
1
n
1
n/2
1
m
На рисунке фиг. 3 показаны полюсы, 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 я, на которое разбивается период синусоидальной функции Т, осуществляется с использованием полюса 13. При помощи полюсов 8…8 соединяются блок управления и блок коммутации, при помощи полюсов 11…11 блок питания подключается к блоку коммутации, полюсы 12…12 являются выходными, к ним подключается нагрузка.
III.3 Блок управления
Схема блока управления показана на рисунке фиг. 4. Блок управления 14 предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности TI и подачи этих сигналов на входы логических элементов ИЛИ 9, расположенных в блоке коммутации. Блок формирует циклическую с периодом Т последовательность импульсов. Величина Т равна периоду синусоидальной функции. Число импульсов на периоде Т равно n,
длительность одного импульса TI. 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.
На рисунке фиг. 5 показаны значения управляющих импульсов для двух моментов времени - четвертый и пятый по счету импульсы в пределах одного периода Т. На рис. 5а показан четвертый по счету импульс. На интервале времени 3TI≤t≤4TI значение управляющего импульса равно 1, а для остальных интервалов времени значение управляющего импульса равно 0. На рис. 5б показан следующий за четвертым пятый импульс, действующий на интервале времени 4TI≤t≤5TI. На этом интервале времени значение управляющего импульса равно 1, а для остальных интервалов времени, в пределах периода Т, равно 0. В этих выражениях TI - значение временного интервала на котором действует импульс. Справедливо соотношение Т=nTI, где n - количество временных интервалов на одном периоде Т. Для синусоидальной функции, показанной на рисунке фиг. 1 число временных интервалов равно 12.
При помощи электронных ключей, расположенных в блоке коммутации, источники ЭДС, генерируемые блоком питания, подключаются в заданные блоком управления моменты времени в соответствии с заданным алгоритмом к выходным полюсам блока коммутации. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равна TI. Число k дискретных значений ЭДС для конкретных значений n=12 и числа фаз m=3 приведено 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 Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с числом выводов, равном n - числу импульсных функций на периоде Т. Выходные полюсы блока управления 8…8 подключаются к расположенным в блоке коммутации логическим элемента 9r,s, где r=1…m, s=1..n/2, m-число фаз. Запуск работы устройства осуществляется подачей сигнала по входу 6. По входу 13 осуществляется запись кода числа временных интервалов n.
1
n
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 коммутации.
III.4 Блок питания
Блок питания 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. 6. Блок питания посредством полюсов 11, 11, 11, 11, 11, 11 подключается к блоку коммутации. Источники питания 18…18 положительной полярности подключаются между собой последовательно. Для n=12 это источники 18, 18, 18. Источники отрицательной полярности 18..18 соединяются последовательно. Для n=12 это источники 18, 18, 18. 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 Е=3Е. 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. 7. При помощи блока коммутации 15 источники напряжений, поступающие от блока питания 16, посредством полюсов 11..11 подключаются силовыми ключами 10 в соответствующие интервалы времени
(к-1)TI≤t≤kTI, k=1,2, …n
1
m
r,s
1
n
r,s
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 логических элементов 9, r=1..m, s=1..n/2, к управляющим электродам силовых ключей.
1
1,1
1,1
6
1,1
1,1
1,1
1
1
Для фазы 1 импульс от блока управления с полюса 8 поступает в блок коммутации 15 на первый вход логического элемента ИЛИ 9 на второй вход логического элемента 9 поступает управляющий импульс на шестом интервале времени с полюса 8. С выхода логического элемента 9 на вход силового ключа 10 поступает управляющий импульс и открывает ключ на интервал времени TI. В открытом состоянии ключа 10 напряжение источника Е1 через полюс 11 поступает на выход блока коммутации к выходному полюсу 12.
2
2
1
2,1
2
2,1
21
2,1
6
2
Для фазы 2 импульс от блока управления с полюса 8 поступает в блок коммутации 15 на первый вход логического элемента ИЛИ 9, на второй вход логического элемента 9 поступает управляющий импульс на втором интервале времени с полюса 8. С входа логического элемента ИЛИ 9 управляющий импульс поступает на управляющий электрод силового ключа 10. В открытом состоянии ключа 10 напряжение источника Е6=-Е3 через полюс 11 поступает на выход блока коммутации к выходному полюсу 12.
1
3,1
3,1
10
3,1
31
3,1
2
3
Для фазы 3 импульс от блока управления с полюса 8 поступает в блок коммутации 15 на первый вход логического элемента 9 на второй вход логического элемента 9 поступает управляющий импульс на десятом интервале времени с полюса 8. С входа логического элемента ИЛИ 9 управляющий импульс поступает на управляющий электрод силового ключа 10. В открытом состоянии ключа 10 напряжение источника Е2 через полюс 11 поступает на выход блока коммутации к выходному полюсу 12.
r,s
r,s
Работа остальных логических элементов 9 и 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 синусоидальной функции последовательностью импульсных функций для n=12
Фиг. 2 Аппроксимация синусоидальной функции последовательностью импульсных функций для n=24
Фиг. 3 Структурная схема устройства
Фиг. 4 Принципиальная схема блока управления
Фиг. 5 Графики управляющих импульсов. На рисунке фиг. 5 а
показан четвертый по счету импульс, на рисунке фиг. 5б - пятый импульс.
Фиг. 6 Принципиальная схема блока питания для n=12
Фиг. 7 Принципиальная схема блока коммутации для трехфазного источника m=3, n=12
V. Осуществление изобретения
Описание работы устройства. В исходном состоянии на регистре 5
i
по входу 13 записан код числа временных интервалов n. На это число интервалов разбивается период синусоидальной функции Т при аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 4 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 коммутации посредством одного из полюсов 8, где
i=1..n.
i
rs
i
1,s
1,1
1
6
1,2
2
5
1,3
3
4
Один из полюсов 8, в соответствии с заданной в таблице 1 логикой, подключается к одному из входов логического элемента 9 (r=1..m, s=1..n/2). Ко второму входу логического элемента подключается второй полюс из набора 8. Так, для логических элементов в первой фазе 9, s=1..n/2 к входам логических элементов подключаются полюсы: к логическому элементу 9 - полюсы 8 и 8, к логическому элементу 9 полюсы 8 и 8, к логическому элементу 9 полюсы 8 и 8 и т.д.
i
1
n/2
1
m
1
m
1
n/2
1
1
2
2
3
6
Выходы логических элементов подсоединены к управляющим электродам управляемых ключей 10r,s, где s - номер источника питания, r - номер фазы от 1 до m. Входы управляемых ключей подключаются полюсами 11, i=1..n/2, к источникам напряжения E..E, а выходы силовых ключей подключаются к выходным полюсам блока коммутации 12..12. В каждый временной интервал к каждому выходному полюсу блока коммутации 12..12 подключается только один источник постоянного напряжения из набора Е..E. На принципиальной схеме блока коммутации рисунок фиг. 7 показаны коммутации для трехфазного источника ЭДС, когда число временных интервалов на периоде Т равно n=12. Согласно табл. 1, в первый интервал времени к полюсу 12 (фаза 1) подключается источник ЭДС Е, к полюсу 12 (вторая фаза) подключается источник ЭДС Е, к полюсу 12 (третья фаза) подключается источник Е=-Е3. Для других интервалов от 2 до 12 коммутации определяются аналогично.
1
n/2
1
n/2
1
m
1
n
j
j+1
n
1
Подключение источников питания 18..18 с напряжениями Е..E к выходным полюсам блока коммутации 12..l2 осуществляется при помощи управляемых электронных ключей. 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 Н05В 1/00, 2017, Гаврилов Л.П. Генератор многофазной системы ЭДС