Четырехквадрантный преобразователь
FOUR-QUADRANT TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования энергии переменного тока в энергию постоянного тока, в частности для питания силового привода на электроподвижном составе железных дорог.
Общеизвестно, что четырехквадрантные преобразователи предназначены для выпрямления и инвертирования электрической энергии с заданным сдвигом фазы тока относительно фазы напряжения.
Известные четырехквадрантные преобразователи имеют высокий коэффициент мощности. Однако при работе они потребляют значительную мощность на переключение силовых полупроводниковых ключей.
К тому же форма входного тока четырехквадрантного преобразователя приближена к форме синусоиды, искаженной пульсациями высших гармоник. Такая форма тока приводит к дополнительным потерям мощности в элементах цепи протекания такого тока.
Известен четырехквадрантный преобразователь, принцип которого основан на поочередной работе в режиме тактирования, когда вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко черед дроссель, или инвертирования, когда вторичная обмотка трансформатора подключается к цепи выпрямленного тока.
[4q-S - Четырехквадрантный преобразователь электровозов переменного тока (принцип работы, анализ и экспериментальные исследования) / В.В. Литовченко, - Известия вузов. Электромеханика, 2000 г. - №3 - С. 64-73.].
Четырехквадрантный преобразователь содержит полупроводниковый мост, систему управления, дроссель, однофазный трансформатор, сглаживающий конденсатор и нагрузку.
Полупроводниковый мост является четырехплечевым и выполнен из двух цепочек, каждая из которых представляет собой два последовательно соединенных полупроводниковых ключа. Каждый полупроводниковый ключ представляет собой полностью управляемый вентиль, зашунтированный одноименным обратным диодом.
В первой цепочке первый диод своим анодом соединен к катоду второго диода и образует вход этой цепочки. При этом катод первого диода является положительным выводом первой цепочки, а анод второго диода - отрицательным выводом этой цепочки.
Во второй цепочке третий диод своим анодом соединен к катоду четвертого диода и образует вход этой цепочки. При этом катод третьего диода является положительным выводом второй цепочки, анод четвертого диода - отрицательным выводом этой цепочки.
Система управления предназначена для создания импульсов управления и соединена с управляющим электродом каждого полностью управляемого вентиля полупроводникового моста. Система управления содержит источник модулирующего сигнала, источник пилообразного сигнала, инвертирующий элемент и четыре элемента сравнения. Выход источника модулирующего сигнала подключен к положительному входу первого элемента сравнения, к отрицательному входу второго элемента сравнения и к входу инвертирующего элемента. Выход источника пилообразного сигнала подключен к отрицательным входам первого и третьего элементов сравнения и к положительным входам второго и четвертого элементов сравнения. Выход инвертирующего элемента подключен к положительному входу третьего элемента сравнения и к отрицательному входу четвертого элемента сравнения. Выход каждого элемента сравнения подключен к управляющему электроду одноименного полностью управляемого вентиля полупроводникового моста.
Первичная обмотка однофазного трансформатора соединена с выходом питающей сети, вход которой подключен к источнику синусоидального напряжения.
Вторичная обмотка однофазного трансформатора содержит два вывода, первый вывод через дроссель соединен с входом первой цепочки, а второй вывод напрямую соединен с входом второй цепочки.
При этом источник синусоидального напряжения в положительном полупериоде переменного напряжения создает положительный потенциал на первом выводе вторичной обмотки трансформатора и отрицательный потенциал на втором выводе вторичной обмотки трансформатора. В отрицательном полупериоде переменного напряжения источник синусоидального напряжения создает отрицательный потенциал на первом выводе вторичной обмотки трансформатора и положительный потенциал на втором выводе вторичной обмотки трансформатора.
Сглаживающий конденсатор своим положительным выводом подключен к положительным выводам первой и второй цепочек, а своим отрицательным выводом - к отрицательным выводам первой и второй цепочек. При этом напряжение сглаживающего конденсатора превышает максимальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора.
Нагрузка подключена параллельно сглаживающему конденсатору.
Устройство работает следующим образом.
Источник модулирующего сигнала создает синусоидальный сигнал регулируемой амплитуды и фазы, частота которого равна частоте переменного напряжения источника синусоидального напряжения, а источник пилообразного сигнала создает переменный пилообразный сигнал. Эти сигналы поступают на первый и второй элементы сравнения, где происходит их сравнение. Разностный сигнал с первого и второго элементов сравнения поступает на первый и второй полностью управляемые вентили соответственно.
Одновременно синусоидальный сигнал регулируемой амплитуды и фазы поступает на инвертирующий элемент, где меняется его знак. Этот сигнал поступает на третий и четвертый элементы сравнения, где происходит их сравнение. Разностный сигнал с третьего и четвертого элементов сравнения поступает на третий и четвертый полностью управляемые вентили соответственно.
При этом управляемый вентиль полупроводникового моста открывается, когда сигнал на положительном входе соответствующего ему элемента сравнения больше сигнала на его отрицательном входе.
Таким образом, система управления подает на заданные полностью управляемые вентили импульсы управления, которые открывают их в режиме тактирования или инвертирования.
При тактировании в положительном полупериоде переменного напряжения открываются третий или второй полностью управляемые вентили, а в отрицательном полупериоде переменного напряжения открываются первый или четвертый. При этом вторичная обмотка трансформатора замыкается накоротко через дроссель и открытый полностью управляемый вентиль, что приводит к изменению в ней тока с большой скоростью в направлении согласно полярности переменного напряжения.
При инвертировании в положительном полупериоде переменного напряжения открывается первый и четвертый полностью управляемые вентили, а в отрицательном полупериоде переменного напряжения открываются второй и третий полностью управляемые вентили. При этом к вторичной обмотке трансформатора через дроссель и открытые полностью управляемые вентили подключается сглаживающий конденсатор, что приводит к изменению в ней тока с небольшой скоростью в направлении, обратном полярности переменного напряжения.
В результате работы четырехквадрантного преобразователя ток во вторичной обмотке трансформатора, а следовательно, в первичной обмотке трансформатора и питающей сети имеет форму, состоящую из участков с резким изменением тока при тактировании и участков с медленным изменением тока при инвертировании. В результате в этом токе содержится значительное число высших гармоник.
Чередование комбинаций открытия полностью управляемых вентилей различной продолжительности приводит к созданию требуемой формы тока в питающей сети. В питающей сети создается ток, форма которого приближена к синусоидальной форме, а фаза совпадает с фазой переменного напряжения источника синусоидального напряжения. При этом дроссель в режиме тактирования запасает электромагнитную энергию источника синусоидального напряжения, а во время режима инвертирования отдает эту энергию на сглаживающий конденсатор, образуя на нем постоянное напряжение.
Причем благодаря приближенной к синусоидальной форме тока, фаза которого совпадает с фазой напряжения, в тяговой сети практически отсутствует реактивная энергия, что говорит о высоком коэффициенте мощности четырехквадрантного преобразователя.
Таким образом, известный четырехквадрантный преобразователь позволяет выпрямлять переменный ток источника синусоидального напряжения с высоким коэффициентом мощности.
Достоинством известного четырехквадрантного преобразователя является его высокий коэффициент мощности.
Недостаток известного четырехквадрантного преобразователя заключается в больших потерях мощности в питающей сети, обусловленных большой скоростью изменения тока при тактировании и вызываемыми этим током пульсациями электромагнитных полей.
Наиболее близким к заявляемому решению является четырехквадрантный преобразователь, принцип работы которого основан на параллельной работе двух полупроводниковых мостов, работающих в различных режимах [Анализ потерь тягового трансформатора электровоза при параллельной работе четырехквадрантным преобразователей / М.Ю. Пустоветов, К.П. Солтус. - Вестник РГУПС, 2009. - №3. - С. 31-41].
Четырехквадрантный преобразователь содержит два полупроводниковых моста, систему управления, два дросселя, однофазный трансформатор с секционированной вторичной обмоткой, сглаживающий конденсатор и нагрузку.
Каждый полупроводниковый мост является четырехплечевым и выполнен из двух цепочек, представляющих собой два последовательно соединенных полупроводниковых ключа. Каждый полупроводниковый ключ представляет собой полностью управляемый вентиль, зашунтированный одноименным обратным диодом.
В первой цепочке первый диод своим анодом соединен к катоду второго диода и образует вход этой цепочки. При этом катод первого диода является положительным выводом первой цепочки, а анод второго диода - отрицательным выводом этой цепочки.
Во второй цепочке третий диод своим анодом соединен к катоду четвертого диода и образует вход этой цепочки. При этом катод третьего диода является положительным выводом второй цепочки, анод четвертого диода - отрицательным выводом этой цепочки.
Система управления предназначена для создания сигналов управления управляемыми вентилями и соединена с управляющим электродом каждого полностью управляемого вентиля каждого полупроводникового моста. Она содержит источник модулирующего сигнала, источник пилообразного сигнала, элемент задержки и блок управления ключами.
Блок управления ключами содержит инвертирующий элемент и восемь элементов сравнения. Отрицательные входы первого и третьего элементов сравнения и положительные входы второго и четвертого элементов сравнения соединены между собой. Отрицательные входы пятого и седьмого элементов сравнения и положительные входы шестого и восьмого элементов сравнения соединены между собой. Положительные входы четвертого и восьмого элементов сравнения и отрицательные входы третьего и седьмого элементов сравнения соединены между собой. Положительные входы второго и шестого элементов сравнения и отрицательные входы первого и пятого элементов сравнения соединены между собой. Вход инвертирующего элемента соединен с положительным входом первого элемента сравнения, а его выход - с положительным входом третьего элемента сравнения. Первым входом блока управления ключами является положительный вход первого элемента сравнения, вторым входом - отрицательный вход первого элемента сравнения, а третьим входом - отрицательный вход пятого элемента сравнения. Выходы восьми элементов сравнения представляют собой восемь выходов блока управления ключами, номера которых определяются номером соответствующего элемента сравнения.
Источник модулирующего напряжения подключен к первому входу блока управления ключами, источник пилообразного напряжения - ко второму входу блока управления ключами и к входу элемента задержки. Выход элемента задержки подключен к третьему входу блока управления ключами.
Выходы блока управления ключами с первого по четвертый подсоединены к управляющим электродам соответственно первого, второго, третьего и четвертого полностью управляемых вентилей первого полупроводникового моста, а выходы блока управления с пятого по восьмой подсоединены к управляющим электродам соответственно первого, второго, третьего и четвертого полностью управляемых вентилей второго полупроводникового моста.
Первичная обмотка однофазного трансформатора с секционированной вторичной обмоткой соединена с выходом питающей сети, вход которой подключен к источнику синусоидального напряжения.
Вторичная обмотка однофазного трансформатора с секционированной вторичной обмоткой состоит из двух независимых идентичных секций, содержащих по два вывода. Первый вывод первой секции вторичной обмотки трансформатора с секционированной вторичной обмоткой через первый дроссель соединен с входом первой цепочки первого полупроводникового моста, а второй вывод - с входом второй цепочки первого полупроводникового моста. Первый вывод второй секции вторичной обмотки трансформатора с секционированной вторичной обмоткой через второй дроссель соединен с входом первой цепочки второго полупроводникового моста, а второй вывод - с входом второй цепочки второго полупроводникового моста.
При этом источник синусоидального напряжения в положительном полупериоде переменного напряжения создает положительный потенциал на первых выводах каждой секции вторичной обмотки трансформатора с секционированной вторичной обмоткой и отрицательный потенциал - на вторых выводах каждой секции вторичной обмотки трансформатора с секционированной вторичной обмоткой. В отрицательном полупериоде переменного напряжения источник синусоидального напряжения создает отрицательный потенциал на первых выводах каждой секции вторичной обмотки трансформатора с секционированной вторичной обмоткой и положительный потенциал на вторых выводах каждой секции вторичной обмотки трансформатора с секционированной вторичной обмоткой.
Сглаживающий конденсатор своим положительным выводом подключен к положительным выводам первой и второй цепочек каждого полупроводникового моста, а своим отрицательным выводом - к отрицательным выводам первой и второй цепочек каждого полупроводникового моста. При этом напряжение сглаживающего конденсатора превышает максимальное напряжение на каждой секции вторичной обмотки трансформатора.
Нагрузка подключена параллельно сглаживающему конденсатору.
Устройство работает следующим образом.
Источник модулирующего сигнала создает синусоидальный сигнал регулируемой амплитуды и фазы, частота которого равна частоте переменного напряжения источника синусоидального напряжения, а источник пилообразного сигнала создает переменный пилообразный сигнал. Эти сигналы поступают на первый и второй элементы сравнения блока управления ключами, где происходит их сравнение.
Разностный сигнал с первого и второго элементов сравнения блока управления ключами поступает на соответственно первый и второй полностью управляемые вентили первого полупроводникового моста.
Одновременно синусоидальный сигнал регулируемой амплитуды и фазы поступает на инвертирующий элемент блока управления ключами, где меняется его знак. Этот сигнал поступает на третий и четвертый элементы сравнения, где происходит их сравнение. Разностный сигнал с третьего и четвертого элементов сравнения поступает на соответственно третий и четвертый полностью управляемые вентили первого полупроводникового моста.
На пятый и шестой элементы сравнения поступает синусоидальный сигнал регулируемой амплитуды и фазы, а также переменный пилообразный сигнал с увеличенной элементом задержки фазой на четверть периода. Разностный сигнал с пятого и шестого элементов сравнения блока управления ключами поступает на соответственно первый и второй полностью управляемые вентили второго полупроводникового моста.
На седьмой и восьмой элементы сравнения поступает синусоидальный сигнал регулируемой амплитуды и фазы с измененным знаком, а также переменный пилообразный сигнал с увеличенной элементом задержки фазой на четверть периода. Разностный сигнал с седьмого и восьмого элементов сравнения поступает на соответственно третий и четвертый полностью управляемые вентили второго полупроводникового моста.
При этом каждый управляемый вентиль полупроводникового моста открывается, когда сигнал на положительном входе соответствующего ему элемента сравнения больше сигнала на его отрицательном входе.
Таким образом, блок управления ключами системы управления подает на заданные полностью управляемые вентили каждого полупроводникового моста импульсы управления, которые открывают их в режиме тактирования или инвертирования.
Благодаря задержке по фазе пилообразного сигнала для пятого, шестого, седьмого и восьмого элементов сравнения блока управления ключами полупроводниковые мосты работают в различных режимах большую часть времени работы четырехквадрантного преобразователя.
При тактировании каждого полупроводникового моста в положительном полупериоде переменного напряжения открываются третий или второй полностью управляемые вентили, а в отрицательном полупериоде переменного напряжения - первый или четвертый. При этом соответствующая этому мосту секция вторичной обмотки трансформатора замыкается накоротко через соответствующий дроссель и открытый полностью управляемый вентиль, что приводит к изменению в ней тока с большой скоростью в направлении согласно полярности переменного напряжения.
При инвертировании каждого полупроводникового моста в положительном полупериоде переменного напряжения открывается первый и четвертый полностью управляемые вентили, а в отрицательном полупериоде переменного напряжения открываются второй и третий полностью управляемые вентили. При этом к соответствующей секции вторичной обмотки трансформатора через соответствующий дроссель и открытые полностью управляемые вентили подключается сглаживающий конденсатор, что приводит к изменению в ней тока с небольшой скоростью в направлении, обратном полярности переменного напряжения.
При работе четырехквадрантного преобразователя система управления генерирует импульсы управления, которые открывают управляемые вентили полупроводниковых мостов в режимах тактирования или инвертирования со сменой этих режимов несколько раз за полупериод переменного напряжения. Причем в большинстве времени работы четырехквадрантного преобразователя тактированию в первом полупроводниковом мосте соответствует инвертирование во втором полупроводниковом мосте и, наоборот, инвертированию в первом полупроводниковом мосте соответствует тактирование во втором полупроводниковом мосте.
В результате работы четырехквадрантного преобразователя ток в каждой секции вторичной обмотке трансформатора имеет форму, состоящую из участков с резким изменением тока при тактировании и участков с медленным изменением тока при инвертировании. Вместе с тем при резком изменении тока в одной секции вторичной обмотки трансформатора в другой секции вторичной обмотки трансформатора происходит медленное изменение тока в противоположном направлении. Таким образом, токи обеих секций вторичной обмотки трансформатора с различной по знаку скоростью изменения складываются в трансформаторе и передаются в первичную обмотку этого трансформатора и, соответственно, в питающую сеть. Образованный таким образом ток питающей сети имеет меньшую скорость изменения, чем ток в отдельно взятой секции вторичной обмотки трансформатора.
Чередование комбинаций открытия полностью управляемых вентилей различной продолжительности приводит к созданию тока в питающей сети требуемой формы. Форма тока в питающей сети приближена к синусоидальной форме, а фаза совпадает с фазой переменного напряжения источника синусоидального напряжения. При этом дроссель в режиме тактирования запасает электромагнитную энергию источника синусоидального напряжения, а во время режима инвертирования отдает эту энергию на сглаживающий конденсатор, образуя на нем постоянное напряжение.
В результате в питающей сети протекает электрический ток определенной формы, представляющий собой сумму токов обеих секций вторичной обмотки трансформатора.
Таким образом, известный четырехквадрантный преобразователь позволяет выпрямлять переменный ток источника синусоидального напряжения с коэффициент мощности, близким к единице.
Причем благодаря тому что большую часть времени полупроводниковые мосты работают в разных режимах, а их токи складываются в трансформаторе с секционированной обмоткой, то по питающей сети будет протекать ток с уменьшенной скоростью изменения, который вызывает меньшие пульсации электромагнитных полей.
Достоинством известного четырехквадрантного преобразователя является повышение коэффициента мощности, достигаемое уменьшением скорости изменения тока в питающей сети за счет одновременного протекания режимов тактирования и инвертирования на разных секциях вторичной обмотки трансформатора.
Недостаток известного четырехквадрантного преобразователя заключается в значительных потерях мощности во вторичной обмотке трансформатора, обусловленных большими пульсациями электромагнитных полей, вызываемых чередованием режимов работы с большой и малой скоростью изменения тока в секции вторичной обмотки трансформатора.
Задача, решаемая изобретением, заключается в разработке четырехквадрантного преобразователя, обеспечивающего снижение потерь мощности во вторичной обмотке трансформатора за счет уменьшения скорости изменения тока в секции вторичной обмотки трансформатора при протекании в ней режима тактирования.
Для решения поставленной задачи в четырехквадрантном преобразователе, содержащем полупроводниковый мост, выполненный из двух цепочек, каждая из которых представляет собой два последовательно соединенных полупроводниковых ключа из управляемого вентиля, зашунтированного одноименным обратным диодом, систему управления полупроводниковым мостом, включающую источник модулирующего сигнала, источник пилообразного сигнала, связанный с элементом задержки, однофазный трансформатор с секционированной вторичной обмоткой из двух секций, первичная обмотка которого подключена к источнику синусоидального напряжения, а также два дросселя, сглаживающий конденсатор с параллельно подключенной нагрузкой, причем вход каждой цепочки образован соединением анода диода первого полупроводникового ключа с катодом диода второго полупроводникового ключа, первый и второй выводы первой секции вторичной обмотки трансформатора через дроссель и напрямую соответственно соединены с входами первой и второй цепочек полупроводникового моста, сглаживающий конденсатор своим положительным выводом подключен к катодам диодов первых полупроводниковых ключей каждой цепочки полупроводникового моста, а отрицательным выводом - к анодам диодов вторых полупроводниковых ключей каждой цепочки полупроводникового моста, в полупроводниковый мост дополнительно введена третья цепочка, в однофазном трансформаторе обе секции вторичной обмотки соединены последовательно с образованием третьего вывода, который через дроссель соединен с входом третьей цепочки полупроводникового моста, в систему управления полупроводниковым мостом введены блок определения режимов тактирования и инвертирования, выполненный с входами модулирующего сигнала (М), пилообразного сигнала (П1), пилообразного сигнала с задержкой (П2) и с выходами инвертирования в первой секции (И1), инвертирования во второй секции (И2), инвертирования в обеих секциях (И3), тактирования в первой секции (Т1), тактирования во второй секции (Т2), а также блок генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста, выполненный с входами модулирующего напряжения (М) инвертирования в первой секции (И1), инвертирования во второй секции (И2), инвертирования в обеих секциях (И3), тактирования в первой секции (Т1), тактирования во второй секции (Т2) и с выходами сигнала открытия первого ключа полупроводникового моста (К1), сигнала открытия второго ключа полупроводникового моста (К2), сигнала открытия третьего ключа полупроводникового моста (К3), сигнала открытия четвертого ключа полупроводникового моста (К4), сигнала открытия пятого ключа полупроводникового моста (К5), сигнала открытия шестого ключа второго полупроводникового моста (К6), причем выход источника модулирующего сигнала, выход источника пилообразного сигнала и выход элемента задержки соответственно соединены с входом модулирующего сигнала (М), с входом пилообразного сигнала (П1) и с входом пилообразного сигнала с задержкой (П2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования, выход источника модулирующего сигнала соединен с входом модулирующего сигнала (М) блока генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста, у которого входы сигнала инвертирования в первой секции (И1), сигнала инвертирования во второй секции (И2), сигнала инвертирования в обеих секциях (И3), сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2) соответственно соединены с выходами сигнала инвертирования в первой секции (И1), сигнала инвертирования во второй секции (И2), сигнала инвертирования в обеих секциях (И3), сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования, а выходы сигнала открытия первого ключа (К1), сигнала открытия второго ключа (К2), сигнала открытия третьего ключа (К3), сигнала открытия четвертого ключа (К4), сигнала открытия пятого ключа (К5), сигнала открытия шестого ключа (К6) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста соединены с управляющими электродами соответствующих ключей полупроводникового моста.
Совокупность существенных признаков заявляемого решения отличается от совокупности существенных признаков прототипа введением в полупроводниковый мост дополнительно третьей цепочки полупроводниковых ключей, в систему управления полупроводниковым мостом блока определения режимов тактирования и инвертирования и блока генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста, выполненных определенным образом, приводящих к изменению в ней взаимосвязей между элементами, последовательным соединением в однофазном трансформаторе обеих секций вторичной обмотки с образованием третьего вывода, который через дроссель соединен с входом третьей цепочки полупроводникового моста.
Наличие в совокупности существенных признаков заявляемого решения существенных отличительных признаков свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «новизна».
Дополнительное введение в полупроводниковый мост третьей цепочки полупроводниковых ключей, в систему управления полупроводниковым мостом блока определения режимов тактирования и инвертирования и блока генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста, выполненных определенным образом, приводящих к изменению в ней взаимосвязей между элементами, и последовательное соединение в однофазном трансформаторе обеих секций вторичной обмотки с образованием третьего вывода, который через дроссель соединен с входом третьей цепочки полупроводникового моста, приводит к снижению потерь мощности во вторичной обмотке трансформатора за счет взаимокомпенсации электромагнитных пульсаций в последовательно соединенных секциях вторичной обмотки.
Система управления четырехквадрантным преобразователем с выполненными определенным образом блоком определения режимов тактирования и инвертирования и блоком генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста создает сигналы открытия согласно заданным режимам работы, которые обеспечивают открытие ключей полупроводникового моста. Заданное открытие ключей полупроводникового моста, в свою очередь, приводит к созданию разных токов в секциях вторичной обмотки трансформатора согласно заданному режиму работы. Смена режимов работы секций вторичной обмотки трансформатора приводит к возникновению в них пульсаций электромагнитных полей, которые взаимокомпенсируются благодаря последовательному соединению секций. Компенсация пульсаций электромагнитных полей приводит к снижению потерь мощности во вторичной обмотке трансформатора.
Причинно-следственная связь «Введение в полупроводниковый мост третьей цепочки полупроводниковых ключей, в систему управления полупроводниковым мостом блока определения режимов тактирования и инвертирования и блока генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста, выполненных определенным образом, приводящих к изменению в ней взаимосвязей между элементами, и последовательное соединение в однофазном трансформаторе обеих секций вторичной обмотки с образованием третьего вывода, который через дроссель соединен с входом третьей цепочки полупроводникового моста, приводит к снижению потерь мощности во вторичной обмотке трансформатора за счет взаимокомпенсации электромагнитных пульсаций в последовательно соединенных секциях вторичной обмотки» не обнаружена в уровне техники и явным образом не следует из него.
Наличие новой причинно-следственной связи «отличительные существенные признаки - новый результат» свидетельствует о соответствии заявляемого решения критерию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень».
На чертежах представлены иллюстрации, подтверждающие работоспособность и промышленную применимость заявляемого четырехквадрантного преобразователя.
На фиг. 1 представлена схема четырехквадрантного преобразователя.
На фиг. 2 представлена схема блока определения режимов тактирования и инвертирования системы управления четырехквадрантного преобразователя, описанная в примере 1.
На фиг. 3 представлена схема блока определения режимов тактирования и инвертирования системы управления четырехквадрантного преобразователя, описанная в примере 2.
На фиг. 4 представлена схема блока генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста системы управления четырехквадрантного преобразователя, описанная в примере 3.
На фиг. 5 представлена схема блока генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста системы управления четырехквадрантного преобразователя, описанная в примере 4.
На фиг. 6 представлены осциллограммы напряжения и тока на входе четырехквадрантного преобразователя.
Четырехквадрантный преобразователь содержит полупроводниковый мост 1, систему управления полупроводниковым мостом 2, два дросселя 3, однофазный трансформатор с секционированной вторичной обмоткой 4, сглаживающий конденсатор 5 и нагрузку 6.
Полупроводниковый мост 1 является шестиплечевым и выполнен из трех цепочек 7, каждая из которых представляет собой два последовательно соединенных полупроводниковых ключа 8 и 9, 10 и 11, 12 и 13.
Каждый полупроводниковый ключ 8-13 представляет собой полностью управляемый вентиль 14, зашунтированный одноименным обратным диодом 15.
В первой цепочке 7 диод 15 полупроводникового ключа 8 своим анодом соединен с катодом диода 15 полупроводникового ключа 9 и образует вход первой цепочки 7. При этом катод диода 15 полупроводникового ключа 8 является положительным выводом первой цепочки 7, а анод диода 15 полупроводникового ключа 9 - отрицательным выводом этой цепочки 7.
Во второй цепочке 7 диод 15 полупроводникового ключа 10 своим анодом соединен с катодом диода 15 полупроводникового ключа 11 и образует вход второй цепочки 7. При этом катод диода 15 полупроводникового ключа 10 является положительным выводом второй цепочки 7, а анод диода 15 полупроводникового ключа 11 - отрицательным выводом этой цепочки 7.
В третьей цепочке 7 диод 15 полупроводникового ключа 12 своим анодом соединен с катодом диода 15 полупроводникового ключа 13 и образует вход третьей цепочки 7. При этом катод диода 15 полупроводникового ключа 12 является положительным выводом третьей цепочки 7, а анод диода 15 полупроводникового ключа 13 - отрицательным выводом этой цепочки 7.
Первичная обмотка трансформатора 4 соединена с выходом питающей сети 16, вход которой подключен к источнику синусоидального напряжения 17.
Вторичная обмотка трансформатора 4 состоит из двух последовательных идентичных первой 18 и второй 19 секций, образующих три вывода.
Между первым и вторым выводами вторичной обмотки трансформатора 4 подключена первая секция 18 вторичной этого трансформатора, а между вторым и третьим - вторая секция 19 вторичной обмотки. Первый вывод вторичной обмотки трансформатора 4 через первый дроссель 3 соединен с входом первой цепочки 7, второй ее вывод напрямую - с входом второй цепочки 7, а третий ее вывод через второй дроссель 3 -с входом третьей цепочки 7.
При этом в первом полупериоде переменного напряжения источника синусоидального напряжения 17 на первом выводе вторичной обмотки трансформатора 4 образован положительный потенциал, а на третьем ее выводе - отрицательный. Во втором полупериоде переменного напряжения источника синусоидального напряжения 17 на первом выходе вторичной обмотки трансформатора 4 образован отрицательный потенциал, а на третьем ее выводе - положительный.
Сглаживающий конденсатор 5 своим положительным выводом подключен к положительным выводам первой, второй и третьей цепочек 7, а своим отрицательным выводом - к отрицательным выводам этих цепочек 7. При этом напряжение сглаживающего конденсатора 5 превышает максимальное напряжение на вторичной обмотке трансформатора 4 между ее первым и третьим выводами.
Нагрузка 6 подключена параллельно сглаживающему конденсатору 5.
Система управления полупроводниковым мостом 2 предназначена для создания сигналов открытия управляемых вентилей 14 и соединена с управляющим электродом каждого управляемого вентиля 14 полупроводникового моста 1.
Система управления 2 содержит источник модулирующего сигнала 20, источник пилообразного сигнала 21, элемент задержки 22, блок определения режимов тактирования и инвертирования 23, блок генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24.
Блок определения режимов тактирования и инвертирования 23 предназначен для генерации сигналов, задающих режимы тактирования или инвертирования как для каждой из секций вторичной обмотки трансформатора 4 в отдельности, так и для всей его вторичной обмотки в целом.
Блок определения режимов тактирования и инвертирования 23 выполнен с входами модулирующего сигнала (М), пилообразного сигнала (П1) и пилообразного сигнала с задержкой (П2), а также с выходами сигнала инвертирования в первой секции (И1), сигнала инвертирования во второй секции (И2), сигнала инвертирования в обеих секциях (И3), сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2).
Блок определения режимов тактирования и инвертирования 23 реализуется различными техническими средствами, описанными в примерах 1 и 2.
Пример 1
Блок определения режимов тактирования и инвертирования 23 содержит три блока вычисления модуля числа 25-27, четыре элемента сравнения 28-31, два логических элемента «И» 32 и 33, а также четыре управляемых размыкающих ключа 34-37.
Входы первого 25, второго 26 и третьего 27 блоков вычисления модуля числа являются соответственно входами модулирующего сигнала (М), пилообразного сигнала (П1) и пилообразного сигнала с задержкой (П2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23. Выход первого блока вычисления модуля числа 25 соединен с положительными входами первого 28 и второго 29 элементов сравнения и с отрицательными входами третьего 30 и четвертого 31 элементов сравнения. Выход второго блока вычисления модуля числа 26 соединен с отрицательным входом первого элемента сравнения 28 и с положительным входом третьего элемента сравнения 30. Выход третьего блока вычисления модуля числа 27 соединен с отрицательным входом второго элемента сравнения 29 и с положительным входом четвертого элемента сравнения 31. Выходы первого 28 и второго 29 элементов сравнения соединены соответственно с первым и вторым входами первого логического элемента «И» 32, а также соответственно с входами первого 34 и второго 35 управляемых размыкающих ключей. Выходы первого 34 и второго 35 управляемых размыкающих ключей создают сигналы инвертирования соответственно в первой 18 и второй 19 секциях вторичной обмотки однофазного трансформатора с секционированной вторичной обмоткой 4 и являются соответственно выходом сигнала инвертирования в первой секции (И1) и выходом сигнала инвертирования во второй секции (И2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23. Выход первого логического элемента «И» 32 создает сигнал инвертирования всей вторичной обмотки однофазного трансформатора с секционированной вторичной обмоткой 4 и является выходом сигнала инвертирования в обеих секциях (И3) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23. Выход первого логического элемента «И» 32 соединен с управляющими входами первого 34 и второго 35 управляемых размыкающих ключей. Выходы третьего 30 и четвертого 31 элементов сравнения соединены соответственно с первым и вторым входами второго логического элемента «И» 33, а также соответственно с входами третьего 36 и четвертого 37 управляемых размыкающих ключей. Выходы третьего 36 и четвертого 37 управляемых размыкающих ключей создают сигналы тактирования соответственно в первой 18 и второй 19 секциях вторичной обмотки однофазного трансформатора с секционированной вторичной обмоткой 4 и являются соответственно выходами сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23. Выход второго логического элемента «И» 33 соединен с управляющими входами третьего 36 и четвертого 37 управляемых размыкающих ключей.
Пример 2
Блок определения режимов тактирования и инвертирования 23 содержит три блока вычисления модуля числа 25-27, четыре элемента сравнения 28-31, два логических элемента «И-НЕ» 38 и 39, четыре логических элемента «И» 40-43 и один логический элемент «И» 44.
Входы первого 25, второго 26 и третьего 27 блоков вычисления модуля числа являются соответственно входами модулирующего сигнала (М), пилообразного сигнала (П1) и пилообразного сигнала с задержкой (П2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23. Выход первого блока вычисления модуля числа 25 соединен с положительными входами первого 28 и второго 29 элементов сравнения и с отрицательными входами третьего 30 и четвертого 31 элементов сравнения. Выход второго блока вычисления модуля числа 26 соединен с отрицательным входом первого элемента сравнения 28 и с положительным входом третьего элемента сравнения 30. Выход третьего блока вычисления модуля числа 27 соединен с отрицательным входом второго элемента сравнения 29 и с положительным входом четвертого элемента сравнения 31. Выходы первого 28 и второго 29 элементов сравнения соединены соответственно с первым и вторым входами первого логического элемента «И-НЕ» 38, а также соответственно с первыми входами первого 40 и второго 41 логических элементов «И». Выходы первого 40 и второго 41 логических элементов «И» создают сигналы инвертирования соответственно в первой 18 и второй 19 секциях вторичной обмотки однофазного трансформатора с секционированной вторичной обмоткой 4 и являются соответственно выходом сигнала инвертирования в первой секции (И1) и выходом сигнала инвертирования во второй секции (И2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23. Выход первого логического элемента «И-НЕ» 38 соединен соответственно со вторыми входами первого 40 и второго 41 логических элементов «И», а также с входом логического элемента «НЕ» 44. Выход логического элемента «НЕ» 44 создает сигнал инвертирования во всей вторичной обмотке трансформатора и является выходом инвертирования в обеих секциях «И3» блока определения режимов тактирования и инвертирования 23. Выходы третьего 30 и четвертого 31 элементов сравнения соединены соответственно с первым и вторым входами второго логического элемента «И-НЕ» 39, а также соответственно с первыми входами третьего 42 и четвертого 43 логических элементов «И». Выходы третьего 42 и четвертого 43 логических элементов «И» создают сигналы тактирования соответственно в первой 18 и второй 19 секциях вторичной обмотки однофазного трансформатора с секционированной вторичной обмоткой 4 и являются соответственно выходом сигнала тактирования в первой секции (Т1) и выходом сигнала тактирования во второй секции (Т2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23. Выход второго логического элемента «И-НЕ» 39 соединен соответственно со вторыми входами третьего 42 и четвертого 43 элементов «И».
Блок генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24 предназначен для создания сигналов открытия управляемых вентилей 14 полупроводникового моста 1 в соответствии с требуемым режимом, заданным блоком определения режимов тактирования и инвертирования 23.
Блок генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24 выполнен с входами модулирующего сигнала (М), сигнала инвертирования в первой секции (И1), сигнала инвертирования во второй секции (И2), сигнала инвертирования в обеих секциях (И3), сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2), а также с выходами сигнала открытия первого ключа (К1), сигнала открытия второго ключа (К2), сигнала открытия третьего ключа (К3), сигнала открытия четвертого ключа (К4), сигнала открытия пятого ключа (К5), сигнала открытия шестого ключа (К6).
Блок генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24 реализуется различными техническими средствами, описанными в примерах 3 и 4.
Пример 3
Блок генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24 содержит инвертор 43, восемь логических элементов «И» 44-51 и шесть логических элементов «ИЛИ» 52-57.
Первый вход первого логического элемента «И» 39 является входом модулирующего сигнала (М) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24, а его выход - первым выходом сигнала открытия первого ключа (К1). Кроме того, первый вход первого логического элемента «И» 39 соединен с входом инвертора 38 и с первыми входами третьего 46, четвертого 47 и восьмого 51 логических элементов «И». Выход инвертора 38 соединен с первыми входами второго 45, пятого 48, шестого 49 и седьмого 50 логических элементов «И». Выход второго логического элемента «И» 45 является выходом сигнала открытия второго ключа (К2) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24. Первый вход первого логического элемента «ИЛИ» 52 является входом сигнала инвертирования в первой секции (И1) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24, а его второй вход - входом сигнала инвертирования в обеих секциях (И3) этого блока. Выход первого логического элемента «ИЛИ» 52 соединен со вторыми входами первого 44 и второго 45 логических элементов «И». Первый вход первого логического элемента «ИЛИ» 52 соединен с первым входом третьего логического элемента «ИЛИ» 54, а его второй вход - со вторым входом четвертого логического элемента «ИЛИ» 55. Первый вход второго логического элемента «ИЛИ» 53 является входом сигнала инвертирования во второй секции (И2) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24, а его второй вход - входом сигнала тактирования в первой секции (Т1) этого блока. Выход второго логического элемента «ИЛИ» 53 соединен со вторыми входами четвертого 47 и шестого 49 логических элементов «И». Первый вход второго логического элемента «ИЛИ» 53 соединен с первым входом четвертого логического элемента «ИЛИ» 55. Второй вход третьего логического элемента «ИЛИ» 54 является входом сигнала тактирования во второй секции (Т2) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24, а его выход соединен со вторыми входами третьего 46 и пятого 48 логических элементов «И». Выход четвертого логического элемента «ИЛИ» 55 соединен со вторыми входами седьмого 50 и восьмого 51 логических элементов «И». Выходы третьего 46 и четвертого 47 логических элементов «И» соединены соответственно с первым и вторым входами пятого логического элемента «ИЛИ» 56, выход которого является выходом сигнала открытия третьего ключа (К3) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24. Выходы пятого 48 и шестого 49 логических элементов «И» соединены соответственно с первым и вторым входами шестого логического элемента «ИЛИ» 57, выход которого является выходом сигнала открытия четвертого ключа (К4) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24. Выход седьмого логического элемента «И» 50 является выходом сигнала открытия пятого ключа (К5) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24, а выход восьмого логического элемента «И» 51 является выходом сигнала открытия шестого ключа (К6) этого блока.
Пример 4
Блок генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24 содержит инвертор 43, десять логических элементов «И» 44-51 и шесть логических элементов «ИЛИ» 52-57.
Первый вход первого логического элемента «И» 58 является входом модулирующего сигнала (М) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24, а второй вход первого логического элемента «И» 58 - входом сигнала инвертирования в первой секции (И1) этого блока. Первый вход первого логического элемента «И» 58 соединен с входом инвертора 43 и первыми входами третьего 60, пятого 62, седьмого 64 и девятого 66 логических элементов «И». Выход инвертора 43 соединен с первыми входами второго 59, четвертого 61, шестого 63, восьмого 65 и десятого 67 логических элементов «И». Второй вход первого логического элемента «И» 58 соединен со вторым входом второго логического элемента «И» 59, а его выход соединен с первыми входами первого 68 и четвертого 71 логических элементов «ИЛИ». Вторые входы третьего 60, пятого 62, седьмого 64 и девятого 66 логических элементов «И» являются входами соответственно сигнала инвертирования во второй секции (И2), сигнала инвертирования в обеих секциях (И3), сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24. Выход второго логического элемента «И» 59 соединен с первыми входами второго 69 и третьего 70 логических элементов «ИЛИ». Выход третьего логического элемента «И» 60 соединен со вторым входом третьего 70 и первым входом шестого 73 логических элементов «ИЛИ». Второй вход четвертого логического элемента «И» 61 соединен со вторым входом третьего логического элемента «И» 60, а его выход соединен со вторым входом четвертого 71 и первым входом пятого 72 логических элементов «ИЛИ». Выход пятого логического элемента «И» 62 соединен со вторыми входами первого 68 и шестого 73 логических элементов «ИЛИ». Второй вход шестого логического элемента «И» 63 соединен со вторым входом пятого логического элемента «И» 62, а его выход соединен со вторыми входами второго 69 и пятого 72 логических элементов «ИЛИ». Выход седьмого логического элемента «И» 64 соединен с третьим входом третьего логического элемента «ИЛИ» 70. Второй вход восьмого логического элемента «И» 65 соединен со вторым входом седьмого логического элемента «И» 64, а его выход соединен с третьим входом четвертого логического элемента «ИЛИ» 71. Выход девятого логического элемента «И» 66 соединен с четвертым входом четвертого логического элемента «ИЛИ» 71. Второй вход десятого логического элемента «И» 67 соединен со вторым входом девятого логического элемента «И» 66, а его выход соединен с четвертым входом третьего логического элемента «ИЛИ» 70. Выход первого 68, второго 69, третьего 70, четвертого 71, пятого 72 и шестого 73 логических элементов «ИЛИ» являются выходами соответственно сигнала открытия первого ключа (К1), сигнала открытия второго ключа (К2), сигнала открытия третьего ключа (К3), сигнала открытия четвертого ключа (К4), сигнала открытия пятого ключа (К5), сигнала открытия шестого ключа (К6) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24.
Устройство работает следующим образом.
Источник модулирующего сигнала 20 создает синусоидальный сигнал регулируемой амплитуды и фазы, частота которого равна частоте переменного напряжения источника синусоидального напряжения 17. Этот сигнал поступает на входы модулирующего сигнала (М) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23 и блока генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24. Источник пилообразного сигнала создает переменный пилообразный сигнал регулируемой частоты и амплитуды, который поступает на вход пилообразного сигнала (П1) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23 и на вход элемента задержки 22. Элемент задержки 22 осуществляет изменение фазы пилообразного сигнала на одну четверть его периода и передает полученный сигнал на вход пилообразного сигнала с задержкой (П2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23.
В блоке режимов тактирования и инвертирования 23, выполненном по варианту 1, синусоидальный сигнал регулируемой амплитуды и фазы с входа модулирующего сигнала (М), переменный пилообразный сигнал с входа пилообразного сигнала (П1) и переменный пилообразный сигнал с измененной фазой с входа пилообразного сигнала с задержкой (П2) поступают соответственно на первый 25, второй 26 и третий 27 блоки вычисления модуля числа, на выходах которых создаются абсолютные значения входного сигнала. Элементы сравнения 28-31 вычитают сигнал с отрицательного входа из сигнала с положительного входа. В результате на выходе первого элемента сравнения 28 образуется положительный сигнал, если сигнал с выхода первого блока определения модуля числа 25 больше сигнала с выхода второго блока определения модуля числа 26. На выходе второго элемента сравнения 29 образуется положительный сигнал, если сигнал с выхода первого блока определения модуля числа 25 больше сигнала с выхода третьего блока определения модуля числа 27. На выходе третьего элемента сравнения 30 образуется положительный сигнал, если сигнал с выхода второго блока определения модуля числа 26 больше сигнала с выхода первого блока определения модуля числа 25. На выходе четвертого элемента сравнения 31 образуется положительный сигнал, если сигнал с выхода третьего блока определения модуля числа 27 больше сигнала с выхода первого блока определения модуля числа 25.
Сигналы с первого 28 и второго 29 элементов сравнения поступают соответственно на первый и второй входы первого логического элемента «И» 32, который выдает на выходе сигнал логической единицы, если на обоих его входах сигнал положителен. Кроме того, сигналы с выхода первого 28 и второго 29 элементов сравнения поступают на входы первого 34 и второго 35 управляемых размыкающих ключей. Эти ключи создают на выходе сигнал логической единицы при условии, что на их вход подается положительный сигнал, а на управляющий вход - сигнал логического нуля. Сигнал с выхода первого логического элемента «И» 32 поступает на управляющие входы первого 34 и второго 35 управляемых размыкающих ключей, а также на выход сигнала инвертирования в обеих секциях блока определения режимов тактирования и инвертирования 23, выполненного по варианту 1. Сигналы с выходов первого 34 и второго 35 управляемых размыкающих ключей поступают соответственно на выходы сигнала инвертирования в первой секции (И1) и сигнала инвертирования во второй секции (И2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23, выполненного по варианту 1. Таким образом, если на первом входе первого логического элемента «И» 32 образуется положительный сигнал, а на втором его входе - отрицательный, то на выходе сигнала инвертирования в первой секции (И1) создается сигнал логической единицы. Если на первом входе первого логического элемента «И» 32 образуется отрицательный сигнал, а на втором его входе - положительный, то на выходе сигнала инвертирования во второй секции (И2) создается сигнал логической единицы. В случае появления положительного сигнала на обоих входах первого логического элемента «И» 32 управляемые размыкающие ключи размыкаются, а на выходе сигнала инвертирования в обеих секциях (И3) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23 создается сигнал логической единицы.
Сигналы с третьего 30 и четвертого 31 элементов сравнения поступают соответственно на первый и второй входы второго логического элемента «И» 33, который выдает на выходе сигнал логической единицы, если на обоих его входах сигнал положителен. Кроме того, сигналы с выхода третьего 30 и четвертого 31 элементов сравнения поступают на входы третьего 36 и четвертого 37 управляемых размыкающих ключей. Эти ключи создают на выходе сигнал логической единицы при условии, что на их вход подается положительный сигнал, а на управляющий вход - сигнал логического нуля. Сигнал с выхода второго логического элемента «И» 33 поступает на управляющие входы третьего 36 и четвертого 37 управляемых размыкающих ключей. Сигналы с выходов третьего 36 и четвертого 37 управляемых размыкающих ключей поступают соответственно на выходы сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23, выполненном по варианту 1. Таким образом, если на первом входе второго логического элемента «И» 33 образуется положительный сигнал, а на втором его входе - отрицательный, то на выходе сигнала тактирования в первой секции (Т1) создается сигнал логической единицы. Если на первом входе второго логического элемента «И» 33 образуется отрицательный сигнал, а на втором его входе - положительный, то на выходе сигнала тактирования во второй секции (Т2) создается сигнал логической единицы. В случае появления положительного сигнала на обоих входах второго логического элемента «И» 33 управляемые размыкающие ключи размыкаются и на выходах сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23 образуются сигналы логического нуля.
Сигналы с выходов сигнала инвертирования в первой секции (И1), сигнала инвертирования во второй секции (И2), сигнала инвертирования в обеих секциях (И3), сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2) в блоке определения режимов тактирования и инвертирования 23 поступают соответственно на одноименные входы блока генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24.
В блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24 сигнал с входа модулирующего сигнала (М) поступает на вход инвертора 43 и первые входы первого 44, третьего 46, четвертого 47 и восьмого 51 логических элементов И. Инвертор 43 меняет знак входного сигнала и подает его на первые входы второго 45, пятого 48, шестого 49 и седьмого 50 логических элементов «И». Сигнал с входа сигнала инвертирования в первой секции (И1) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24 поступает на первые входы первого 52 и третьего 54 логических элементов «ИЛИ», сигнал с входа сигнала инвертирования во второй секции (И2) этого блока поступает на первые входы второго 53 и четвертого 55 логических элементов «ИЛИ», а сигнал с входа сигнала инвертирования в обеих секциях (И3) этого блока поступает на вторые входы первого 52 и четвертого 55 логических элементов «ИЛИ». Сигналы с входов сигнала тактирования в первой секции (Т1) и сигнала тактирования во второй секции (Т2) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24 поступают на вторые входы соответственно второго 53 и третьего 54 логических элементов «ИЛИ». Сигнал с выхода первого логического элемента «ИЛИ» 52 поступает на вторые входы первого 44 и второго 45 логических элементов «И». Сигнал с выхода второго логического элемента «ИЛИ» 53 поступает на вторые входы четвертого 47 и шестого 49 логических элементов «И». Сигнал с выхода третьего логического элемента «ИЛИ» 54 поступает на вторые входы третьего 46 и пятого 48 логических элементов «И». Сигнал с выхода четвертого логического элемента «ИЛИ» 55 поступает на вторые входы седьмого 50 и восьмого 51 логических элементов «И». Сигналы с выходов третьего 46 и четвертого 47 логических элементов «И» поступают соответственно на первый и второй входы пятого логического элемента «ИЛИ» 56, а сигналы с выходов пятого 48 и шестого 49 логических элементов «И» поступают соответственно на первый и второй входы шестого логического элемента «ИЛИ» 57. Сигналы с выходов первого 44 и второго 45 логических элементов «И» поступают на выходы соответственно сигнала открытия первого ключа (К1) и сигнала открытия второго ключа (К2) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24. Сигналы с выходов пятого 56 и шестого 57 логических элементов «ИЛИ» поступают на выходы соответственно сигнала открытия третьего ключа (К3) и сигнала открытия четвертого ключа (К4) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24. Сигналы с выходов седьмого 50 и восьмого 51 логических элементов «И» поступают на выходы соответственно сигнала открытия пятого ключа (К5) и сигнала открытия шестого ключа (К6) в блоке генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24.
Логические элементы «ИЛИ» создают на выходе сигнал логической единицы, если хотя бы на одном из их входов находится сигнал логической единицы, а логические элементы «И» выдают на выходе сигнал логической единицы, только если на их обоих входах находится положительный сигнал или сигнал логической единицы.
Таким образом, логика создания сигналов на выходах блока генерации сигналов открытия ключей полупроводникового моста 24 следующая. На выходе сигнала открытия первого ключа (К1) создается сигнал логической единицы при положительном сигнале на входе модулирующего сигнала (М) и сигнале логической единицы на входе сигнала инвертирования в первой секции (И1) или на входе сигнала инвертирования в обеих секциях (И3). На выходе сигнала открытия второго ключа (К2) создается сигнал логической единицы при отрицательном сигнале на входе модулирующего сигнала (М) и сигнал логической единицы на входе сигнала инвертирования в первой секции (И1) или на входе сигнала инвертирования в обеих секциях (И3). На выходе сигнала открытия третьего ключа (К3) создается сигнал логической единицы при положительном сигнале на входе модулирующего сигнала (М) и наличии сигнала логической единицы на одном из входов сигнала инвертирования в первой секции (И1), сигнала инвертирования во второй секции (И2), сигнала тактирования в первой секции (Т1) или сигнала тактирования во второй секции (Т2). На выходе сигнала открытия четвертого ключа (К4) создается сигнал логической единицы при отрицательном сигнале на входе модулирующего сигнала (М) и наличии сигнала логической единицы на одном из входов сигнала инвертирования в первой секции (И1), сигнала инвертирования во второй секции (И2), сигнала тактирования в первой секции (Т1) или сигнала тактирования во второй секции (Т2). На выходе сигнала открытия пятого ключа (К5) создается сигнал логической единицы при отрицательном сигнале на входе модулирующего сигнала (М) и сигнале логической единицы на входе сигнала инвертирования во второй секции (И2) или на входе сигнала инвертирования в обеих секциях (И3). На выходе сигнала открытия шестого ключа (К6) создается сигнал логической единицы при положительном сигнале на входе модулирующего сигнала (М) и сигнале логической единицы на входе сигнала инвертирования во второй секции (И2) или на входе сигнала инвертирования в обеих секциях (И3).
В результате работы система управления 2 подает на полупроводниковые ключи 8-13 полупроводникового моста 1 импульсы управления, которые открывают их при характере сигнала - логическая единица - или не открывают при характере сигнала - логический ноль.
При различной комбинации открытых ключей создаются режимы тактирования в первой 18 секции вторичной обмотки трансформатора 4, тактирования во второй 19 секции вторичной обмотки трансформатора 4, инвертирования в первой 18 секции вторичной обмотки трансформатора 4, инвертирования во второй 19 секции вторичной обмотки трансформатора 4 и инвертирования во всей вторичной обмотке трансформатора 4.
При тактировании в первой секции 18 вторичной обмотки трансформатора 4 в первом полупериоде переменного напряжения открывается вентиль 14 полупроводникового ключа 10, а во втором полупериоде открывается вентиль 14 полупроводникового ключа 11, в результате чего эта секция оказывается замкнута через дроссель 3, вентиль 14 и диод 15. Это приводит к протеканию в первой секции 18 вторичной обмотки трансформатора 4 тока с большой скоростью изменения в направлении согласно полярности напряжения.
При тактировании во второй секции 19 вторичной обмотки трансформатора 4 в первом полупериоде переменного напряжения открывается вентиль 14 полупроводникового ключа 11, а во втором полупериоде открывается вентиль 14 полупроводникового ключа 10, в результате чего эта секция оказывается замкнута через дроссель 3, вентиль 14 и диод 15. Это приводит к протеканию во второй секции 18 вторичной обмотки трансформатора 4 тока с большой скоростью изменения в направлении согласно полярности напряжения.
При инвертировании в первой секции 18 вторичной обмотки трансформатора 4 в первом полупериоде переменного напряжения открываются вентили 14 полупроводниковых ключей 8 и 11, а во втором полупериоде - вентили 14 полупроводниковых ключей 9 и 10. В результате ток в этой секции начинает протекать с малой скоростью изменения в направлении, противоположном полярности напряжения. При этом благодаря открытым вентилям 14 в первом полупериоде полупроводникового ключа 11, а во втором полупериоде полупроводникового ключа 10 вторая секция 19 вторичной обмотки трансформатора 4 оказывается замкнута через дроссель 3, вентиль 14 и диод 15, что приводит к большой скорости изменения в ней тока в направлении согласно полярности напряжения.
При инвертировании во второй секции 19 вторичной обмотки трансформатора 4 в первом полупериоде переменного напряжения открываются вентили 14 полупроводниковых ключей 10 и 13, а во втором полупериоде - вентили 14 полупроводниковых ключей 11 и 12. В результате ток в этой секции начинает протекать с малой скоростью изменения в направлении, противоположном полярности напряжения. При этом благодаря открытым вентилям 14 в первом полупериоде полупроводникового ключа 10, а во втором полупериоде полупроводникового ключа 11 первая секция 18 вторичной обмотки трансформатора 4 оказывается замкнута через дроссель 3, вентиль 14 и диод 15, что приводит к большой скорости изменения в ней тока в направлении согласно полярности напряжения.
При инвертировании в обеих секциях 19 вторичной обмотки трансформатора 4 в первом полупериоде переменного напряжения открываются вентили 14 полупроводниковых ключей 8 и 13, а во втором полупериоде - вентили 14 полупроводниковых ключей 9 и 12. В результате ток по всей вторичной обмотке трансформатора 4 начинает протекать с малой скоростью изменения в направлении, противоположном полярности напряжения.
При работе четырехквадрантного преобразователя режимы его работы постоянно сменяются. При этом во все моменты времени инвертированию в первой секции 18 трансформатора 4 соответствует тактирование во второй секции 19 трансформатора 4 и, наоборот, инвертированию во второй секции 18 трансформатора 4 соответствует тактирование в первой секции 19 трансформатора 4.
В результате работы четырехквадрантного преобразователя ток во вторичной обмотке трансформатора 4 имеет форму, состоящую из участков с резким изменением тока при тактировании в одной секции, участков с медленным изменением тока при инвертировании в обеих секциях и участков со средней скоростью изменения тока при инвертировании в одной секции.
Таким образом, токи обеих секций вторичной обмотки трансформатора 4 с различной по знаку скоростью изменения складываются в трансформаторе 4 и передаются в первичную обмотку этого трансформатора и, соответственно, в питающую сеть 16. Образованный таким образом ток питающей сети 16 имеет меньшую скорость изменения, чем ток в отдельно взятой секции 18 или 19 вторичной обмотки трансформатора.
Чередование комбинаций режимов работы четырехквадрантного преобразователя различной продолжительности приводит к созданию тока в питающей сети 16 требуемой формы. Форма тока в питающей сети 16 приближена к синусоидальной форме, а фаза совпадает с фазой переменного напряжения источника синусоидального напряжения.
После каждого режима тактирования энергия, запасенная в дросселе, передается в сглаживающий конденсатор через обратные диоды 15 полупроводникового моста 1. Таким образом, на сглаживающем конденсаторе создается постоянное напряжение.
В результате в питающей сети протекает электрический ток определенной формы, представляющий собой сумму токов обеих секций вторичной обмотки трансформатора.
Таким образом, четырехквадрантный преобразователь позволяет выпрямлять переменный ток источника синусоидального напряжения с коэффициентом мощности, близким к единице.
Причем благодаря тому что секции вторичной обмотки соединены последовательно, то пульсации электромагнитных полей в них, образованные чередованием режимов с различной скоростью изменения тока, взаимокомпенсируются в секциях, снижая тем самым общий уровень пульсаций электромагнитных полей. Снижение общего уровня пульсаций электромагнитных полей приводит к снижению потерь мощности во вторичной обмотке трансформатора.
В лабораториях кафедры «Локомотивы» ДВГУПС проводилось математическое моделирование заявляемого устройства и прототипа, которое показало, что потери во вторичной обмотке трансформатора заявляемого четырехквадрантного преобразователя по сравнению с потерями во вторичной обмотке трансформатора прототипа снижаются на 2,1%, а КПД системы «однофазный трансформатор - четырехквадрантный преобразователь - сглаживающий конденсатор» увеличивается на 0,07%.