Силовий модулятор

9SO43 МПК6Н02М1/02 І / силовий МОДУЛЯТОР Винахід відноситься до перетворювальної техніки і може бути використаний при побудові систем электроживлення з заданими параметрами якості і виду електроенергії. Відомий силовий модулятор, виконаний по мостовій схемі на силових транзисторах з діодами, включеними паралельно силовим транзисторам [Моин B.C. Стабилизированные транзисторные преобразователи .-М.: Энергоатомиздат,1986.-512 с]. Недоліком такого силового модулятора являються низькі функціональні можливості ( його структурна організація не дозволяє безпосереднього підключення до входу мережі змінного струму). Відомий силовий модулятор на напівпровідникових ключах, кожний з яких викопаний в вигляді мостового випрямляча, в діагональ постійного струму якого включений тиристор [Глазенко Т.Д., Хрисанов В.И. Полупроводниковые системы импульсного асинхронного электропривода малой мощности.-Л.: Энергоатомиздат, Ленингр. отд-ние, 1983.-176 с]. Недоліками такого силового модулятора являються необхідність установки додаткових вузлів комутації для одноопераційних тиристорів и відносно низька гранична частота перетворювання електромагнітної енергії при використанні двухопераційних тиристорів. Крім того, на елементах такого силового модулятора виникають значні по величині перенапруги при штатних і аварійних відключеннях від зовнішньої мережі по силовому ланцюгу, що знижує надійність його функціонування. Відомий силовий модулятор на ключах з двосторонньою провідністю, кожний з яких виконаний в вигляді мостового випрямляча, в діагональ постійног о струму якого включений транзистор [Кобзев А.В. Многозонная импульсная модуяяция.-Новосибирск: Наука, Сибирское отд-ние, 1979.-304 с]. Недоліком такого силового модулятора являється низька надійність функціонування із-за виникнення значних перенапруг на його ключах і на навантаженні при примусовому запиранні силових транзисторів по системі керування. Відомий силовий модулятор, виконаний по мостовій схемі на силових транзисторно тиристорних ключах з діодами, включеними паралельно силовим ключам [А.С. СССР) № 1058018, кл. Н 02 М 7/537, Н 02 Р 13/18, 1982]. Недоліком такого силового модулятора являються низькі функціональні можливості ( його структурна організація не дозволяє підключення до входу ланцюгів змінного струму). З відомих силових модуляторів найбільш близьким технічним рішенням являється силовий модулятор, описаний в статті: Преобразователь частоты с квазиоднополосной модуляцией. / В.И. Сенько, В.М. Скобченко, Н.П. Макренко, В.А. Святненко. - Вестн. Киев, политехи. / ' І 1 / } j j j j 1 j І ] І ! \ ин-та. Радиоэлектроника, 1984, вып. 21, с. 104-109 (прототип). Силовий модулятор містить в собі вхідний випрямляч і інвертор напруги на транзисторних ключах, виконані по мостових схемах, з'єднані між собою діагоналями постійного струму, при цьому діагональ змінного струму вхідного випрямляча утворює перший і другий вхідні виводи силового модулятора, а діагональ змінного струму інвертора напруги утворює вихідні виводи силового модулятора, зворотний мостовий випрямляч на діодах, підключений діагоналлю змінного стуму до вихідних виводів силового модулятора, наконичувальний конденсатор і систебму керування. Система керування силово го модулятора включає в себе з" єднані послідовно блок формування керуючих напруг з тактовим входом і фазозсуваючий блок, до виходів яких підключений входами основний блок підсилення і розв'язки, виходами зв"язаний з ланцюгами керування транзисторних ключів моетового інвертора напруги, компаратор, входами підключений до першого і другого вхідних виводів силового модулятора. Недоліками описаного силового модулятора являються низькі технічні харектеристики, пов"язані з змінною в процесі регулювання величини навантаження якістю вихідної енергії, визваною спотвореннями вихідної напруги, низькою якістю споживасмого стуму, а також низькою надійністю функціонування в режимі максимальних навантажень. Основна мета структурної організації прототипу зв"язана зі зняттям перенапруг на елементах силового модулятора і на навантаженні при примусовому запиранні силових транзисторів по системі керування. Для досягнення позитивного результату використана стуктура двухланкового перетворювача: "вхідний випрямляч - накопичувальний конденсатор - інвертор постійної напруги" в якості силового модулятора змінної напруги. При цьому накопичувальний конденсатор не виконує згладжуючих функцій, як в структурі двуланкового перетворювача, а вибирається по величині ємності, достатньої лише для задовільного енергообміну між конкретним навантаженням і вхідною ланкою інвертора постійної напруги. На виході силового модулятора в цьому випадку формується промодульована імпульсами системи керування змінна напруга з достатньо близьким приближениям до нульо вих позначок моментів переходу з однієї полярності на іншу. Із-за заряду накопичувального конденсатора через діоди вхідного випрямлча споживаємий струм має імпульсну форму ємністного характеру, амплітуда якого залежить від величини навантаження силового модуля тора. Такий характер струму негативно впливає на навантажувальну спроможність діодів вхідного випрямляча. При навантаженнях силового модулятора, близьких до холостого ходу, на накопичувальному конденсаторі мас місце накопичення напруги, що визивавє спотворення огинаючої вихідної напруги силового модулятора. В режимі максимальних (пікових) навантажень активноіндуктивного характеру на інтервалах виключення силового модулятоJv pa по тракту системи керування (штатних чи аварійних) не вдається досягти ефекту повного зняття перенапруг з елементів силової частини із-за швидкого заряду невеликого по ємності накопичувального кон денсатору реактивним струмом навантаження до напруг, з амплітуд ним значенням, перевищуючим амплітуду напруги вхідної мережі. Та кий жорсткий процес виключення (особливо в аварійних ситуаціях) j приводить до затягування інтервалу дії на напівпровідникові прилади j недозволених режимів і спричиняє до розвитку незворотніх процесів в структурах напівпровідників, що, в свою чергу, знижує надійність j функціонування силового модулятора. ] В основу винаходу покладено завдання створити такий силовий 1 модулятор, в якому введення нових блоків і вузлів, а також виконання І відповідної конфігурації з'єднань між ними, дозволило б підвищити і його технічні характеристики забезпечити його роботу з незмінною ] якістю вихідної напруги і споживаемого стуму у всьому діапазоні зміни j навантаження, а також підвищити надійність функціонування в режимі 1 максимальних навантажень. 1 Поставлене завдання вирішується тим, що в силовому модуляі торі, який м істить в собі вхідний випрямляч і інвертор напруги на ! транзисторних ключах, виконані по мостових схемах, з"єднані між собою діагоналями постійного струму, при цьому діагональ змінного струму вхідного випрямляча утворює перший і другий вхідні виводи силового модулятора, а діагональ змінного струму інвертора напруги утворює вихідні виводи силового модулятора, зворотний мостовий випрямляч на діодах, підключений діагоналлю змінного стуму до вихідних виводів силового модулятора, накопичувальний конденсатор і систему керування, включаючу в себе з "єднані послідовно блок формування керуючих напруг з тактовим входом і фазозсуваючий блок, до виходів яких підключений входами основний блок підсилення і розв'язки, виходами зв"язаний з ланцюгами керування транзисторних ключів мостового інвертора напруги, компаратор, входами підключений до першого і другого вхідних виводів силового модулятора, новим є те, що він доповнений чотирма допоміжними транзисторними ключами, один з яких включений між катодною групою діодів зворотного випрямляча і першим вхідним виводом силового модулятора, другий між анодною групою діодів зворотного випрямляча і другим вхідним виводом силового модулятора, третій - між катодною групою діодів зворотного випрямляча і другим вхідним виводом силового модулятора, четвертий - між анодною групою діодів зворотного випрямляча і першим вхідним виводом силового модулятора, інвертором, входом підключеним до виходу компаратора, допоміжним блоком підсилення і розв'язки, виходами з'єднаним з ланцюгами керування допоміжних транзисторних ключів, а входами - з виходами компаратора і інвертора, синхронізатором, підключеним між виходом компаратора і тактовим входом блока формування керуючих напруг, до того ж, накопичувальний конденсатор підключений між першим і другим вхідними виводами силового модулятора. Введення в силовий модулятор, який містить в собі вхідний випрямляч і інвертор напруги на транзисторних ключах, виконані по мостових схемах, з"єднані між собою діагоналями постійного струму, при цьому діагональ змінного струму вхідного випрямляча утворює перший і другий вхідні виводи силового модулятора, а діагональ змінного струму інвертора напруги утворює вихідні виводи силового модулятора, зворотний мостовий випрямляч на діодах, підключений діагоналлю змінного стуму до вихідних виводів силового модулятора, накопичувальний конденсатор і систему керування, включаючу в себе з'єднані послідовно блок формування керуючих напруг з тактовим входом і фазозсуваючий блок, до виходів яких підключений входами основний блок підсилення і розв'язки, виходами зв"язаний з ланцюгами керування транзисторних ключів мостового інвертора напруги, компаратор, входами підключений до першого і другого вхідних виводів силового модулятора, чотирьох допоміжних транзисторних ключів, один з яких включений між катодною групою діодів зворотного випрямляча і першим вхідним виводом силового модулятора, другий між анодною групою діодів зворотного випрямляча і другим вхідним виводом силового модулятора, третій - між катодною групою діодів зворотного випрямляча і другим вхідним виводом силового модулятора, четвертий - між анодною групою діодів зворотного випрямляча і першим вхідним виводом силового модулятора, інвертора, входом підключеного до виходу компаратора, допоміжного блоку підсилення і розв'язки, виходами з'єднаного з ланцюгами керування допоміжних транзисторних ключів, а входами - з виходами компаратора і інвертора, синхронізатора, підключеного між виходом компаратора і тактовим входом блока формування керуючих напруг, до того ж, підключення накопичувального конденсатора між першим і другим вхідними виводами силового модулятора, дозволило створити додаткові, відсутні в прототипі, реверсивні кола замикання реактивної складової струму навантаження силового модулятора, об"єднуючі його вихідні і вхідні ланцюги в процесі вільного енергообміну на всіх інтер валах його роботи. Винесення накопичувального конденсатора з виходу вхідного випрямляча на його вхід дозволило позбавитись від імпульсного характеру споживаємого струму у всьому діапазоні зміни навантаження. Відсутній ефект накопичення енергії на обкладках накопичуючого конденсатора в режимі навантаження, близького до холосіого ходу, він просто перезаряжається під дією напруги мережі. При цьому живлення інвертора напруги здійснюється напругою з чітко визначеною, незмінною при любому допустимому навантаженні формою, і на виході силового модулятора формується промодульована високочастотними імпульсами системи керування змінна напруга незмінної якості з повним приближениям до нульових позначок миттєвих моментів переходу з однієї полярності на іншу. Крім того, отримана конфігурація технічного рішення дозволяє вибір накопичувального конденсатора з урахуванням потреб енергообміну, а також ефективного згладження високочастотної складової струму споживання. Ця обставина, в свою чергу, дозволяє роботу силового модулятора на активно-індуктивне навантаження як в звичайних так і пікових його режимах без виникнення перенапруг на силових елементах як в установленому режимі, так і на інтервалах штатних і аварійних відключень від живлячої мережі, і, як слідство, підвищити його надійність. До сказаного слід додати, що описана вище кофігурація силового модулятора, крім відмічених позитивних якостей, дозволяє застосовувати алгоритм керування силовими ключами, що знаходяться в одній стійкі, з любими наперед вибраними часовими паузами. Це, в свою чергу, дозволяє побудову силових ключів інвертора напруги на основі комбінованих тиристорно-транзисторних структур, значно підвищуючих вихідну потужнічть силового модулятора. До того ж при такому алгоритмі керування силовими ключами зникає проблема пропкання "наскрізних" струмів по стійках силових ключів. Суть винаходу пояснюється кресленням. На фіг. 1 показана схема електрична функціональна силового модулятора. На фіг. 2 - схема одного із допоміжних транзисторних ключів. На фіг. З - фрагмент схеми силового модулятора з прикладом виконання допоміжних транзисторних ключів. На фіг. 4 - приклад виконання блоку формування керуючих напруг. На фіг. 5 і фіг. 6- відповідно схема компаратора і схема синхронизатора. На фіг. 7, фіг. 8 - приклади виконання блоків підсилення і розв'язки. Силовий модулятор містить в собі вхідний мостовий випрямляч 1 і мостовий інвертор 2 напруги на транзисторних ключах 3, з'єднані між собою діагоналями постійного струму, причому діагональ змінного струму вхідного мостового випрямляча 1 утворює перший 4 і другий 5 вхідні виводи силового модулятора, а діагональ змінного струму мостового інвертора 2 напруги утворює вихідні виводи 6, 7 силового модулятора, зворотний мостовий випрямляч на діодах 8, підключений діагоналлю змінного струму до вихідних виводів 6, 7 силового модулятора, накопичувальний конденсатор 9, встановлений між першим 4 і другим 5 вхідними виводами силового модулятора і систему керування 10, включаючу в себе з'єднані послідовно блок 11 формування керуючих напруг з тактовим входом 12 і фазозсуваючий блок 13, до виходів яких подключений входами основний блок 14 підсилення і розв'язки, виходами зв'язаний з ланцюгами керування транзисторних ключів З мостового інвертора 2 напруги, компаратор 15, входами підключений до першого 4 і другого 5 вхідних виводів силового модулятора. До складу силового модулятора крім цього входять чотири допоміжні транзисторні ключі 16, 17, 18, 19, один 16 з яких включений між катодною групою діодів 8 зворотного випрямляча і першим 4 вхідним виводом силового модулятора, другий 17 - між анодною групою діодів 8 зворотного випрямляча і другим 5 вихідним виводом силового модулятора, третій 18 - між ка і одною групою діодів 8 зворотного випрямляча і другим 5 вхідним виводом силового модулятора, четвертий 19 між анадною групою діодів 8 зворотного випрямляча і першим 4 вихідним виводом силового модулятора . Крім вище згаданих блоків система керування 10 містить в собі інвертор ДО, входом підключений до виходу компаратора 15, допоміжний блок 21 підсилення і розв'язки, виходами з'єднаний з ланцюгами керування допоміжних транзисторних ключів 16, 17, 18, 19, а виходами - з виходами компаратора 15 і інвертора 20, синхронізатор 22 підключений між виходами компаратора 15 і тактовим входом 12 блока 11 формування керуючих напруг. Транзисторні ключі 3 мостового інвертора 2 напруги можуть бути біполярними, польовими, або з любою відомою на сьогодні комбінованою структурою побудови. В якості кожного з допоміжних транзисторних ключів може виступати ключ з двосторонньою провідністтю, показаний на фіг. 2. Найпростіший приклад таких ключів показаний на фіг. 3. Кожен з них виконаний на транзисторі, зустрічно-паралельно якому включений діод. Блок 11 формування керуючих напруг реалізується на інтегральних мікросхемах (фіг. 4 ). Послідовно в основному тракті формування керуючих напруг включені задаючий генератор 23, виконаний по одній з відомих схем мультівібраторів, подільник частоти 24 з коефіцієнтом ділення не меньше 100, фазорощеплювач 25. Крім того в склад цього блоку входить інформаційно-пусковий вузол 26, який виробляє команди "дозвіл" чи "заборона" на проходження і формування керуючих напруг. Тактовий вхід 12 блоку 11 формування керуючих напруг утворює тактовий (установочний) вхід подільника частоти 24. Фазозсуваючий блок ІЗ (реалізація не показана) може бути побудований по одній з відомих схем ''вертикального" керування з генератором розгортаючої напруги пилоподібної або трикутної форми і компаратором напруг на операційному підсилювачі з тригером, синхронізованим з виходу блоку 11 формування керованих напруг. Компаратор 15 (фіг. 5) подається операційним підсилювачем, який працює в режимі "нуль-органа", з трансформаторною розв'язкою відносно живлячої мережі. Інвертор 20 представлений інтегральною мікросхемою. Синхронізатор 22 (фіг. 6) виконаний на основі формуючих еле ментів з інтегруючим ланцюгом. Основний блок 14 підсилення і рзв'язки включає в себе два підси лювача і і рансформаторним виходом (фп . 7). Подібно цьому може бу ти виконаним в найпростішому випадку і допоміжний блок 21 підси лення і розв'язки. Для цьому потрібен лише один підсилювач. Але в даному випадку вихідний трансформатор підсилювача повинен бути розрахованим на частоту вхідної мережі силового модулятора, що погіршує його масо-габаритні показникі. Для зменшення габаритів і маси трансформатору підсилювача доцільно застосувати підсилювач (фіг. 8), який має свій високочастотний задаючий генератор 27 і такІ тується з виходів компаратора 15 (один) і інвертора 20 (другий), і При підключенні силового модулятора до живлячої мережі в діа\ гональ постійного струму інвертора 2 напруги подається знакоиостійі на випрямлена напруга живлячої мережі з чітко вираженими нульовиI ми значеннями. До нажиму кнопки "Пуск" інформаційно-пускового і вузла 26 блоку 11 керуючих напруг тракт проходження імпульсів керуі вання транзисторними ключами 3 інвертора 2 напруги закритий, і на| пруїа на його виході відсутня. На цьому часовому інтервалі нульорган 15 і інвертор 20 виробляють дві послідовності противофазних І імпульсів з частотою живлячої мережі. Моменти час> нульових значень і напруги мережі і нульових значень послідовностей імпульсів збегаюгь | ся між собою. Ця обставина дозволяє вибрати таку фазність імпульсів 1 керування допоміжними транзисторними ключами 16, 17 і 18,19, яка і дає змогу реверсувати подключения зворотнього мостового випрямляча на діодах 8 до першого 4 і другого 5 вхідних виводів силового модулятора синхронно з зміною полярності напруги живлячої мережі. При цьому катодна ірупа дюдов 8 подключається через допоміжний транзисторний ключ 16 (або в слідуючий півперюд напруги мережі через допоміжний транзисторний ключ 18) до позиіивного полюсу, а анодна група діодів 8 через допоміжний транзисторний ключ 17 (обо синхронно з допоміжним транзисторним ключом 18 через допоміжний транзисторний ключ 19) до негативного полюсу живлячої напруги. Такий алі оритм керування допоміжними транзисторними ключами 16,17 і 18,19 реалізується синхронною роботою нуль-органа 15, інвертора 20, і допоміжного блоку 21 підсилення і розв'язки. Таким чином, між колом навантаження силового модулятора і його входом, паралельно якому встановлено накопичувальний конденсатор 9, створюється ланцюг вільного протікання реактивного струму навантаження, готовий в любий момет часу вступити в процес енергообмшу між навантаженням і живлячою мережою. Нажимом кнопки "Пуск'1 шформацшно-пускового вузла 26 (фіг. 4) блоку 11 формування керуючих напруї дається дозвіл на проходження імпульсів керування з виходу фазорозщеллювача 25 через основний блок 14 підсилення і розв'язки в ланцюги керування транзисторних ключів 3 мостового інвертора 2 напруги. Вихідні імпульси блоку 11 формування керуючих напруг мають початкову фазу, що збігається з моментами нульових значень живлячої мережі. Відносно цих імпульсів формуються з фазовим зсувом в діапазоні О...л імпульси вихідної напруги фазозсуваючого блоку 13. Така синхронізація досягається примусовою установкою подільника частоти 24 по тактовому входу 12 в нульове значення короткими (близько 1 мкс) синхронізуючими імпульсами напруги, в часі збігающими з нульовими значеннями напруги живлячої мережі, які виробляються синхронізатором 22. Такий підхід в формуванні імпульсів керування може бути і виключеним, але при його використанні спостерігається позитивний результат в підвищенні якості вихідної енергії, зникає ефект додаткової низькочастотної модуляції вихідної напруги силового модулятора за рахунок бипя початкових фаз напруг живлячої мережі і задаючого генератора 23. При відмченому вище виду живлення інвертор 2 напруги нормально функціонує, формуючи на виході силового модулятора промодульовану високочастотними імпульсами системи керування змінну напругу з повним приближениям до нульових позначок миттєвих моментів переходу з однієї полярності на іншу. Якість вихідної напруги силового модулятора залишається незмінною при любому допустимому навнтаженні і залежить лише від якості напруги живлячої мережі. В режимі акіивно-індукгивного навантаження на інтервалах споживання енергії з живлячої мережі струмове навантаження лягає на діоди вхідного випрямляча 1, транзисторні ключі 3 інвертора 2 напруги, а на інтервалах повернення реактивної енергії з кола навантаження в роботі беруть участь діоди 8 зворотнього випрямляча, допоміжні транзисторні ключі 16, 17 і 18 19, а також накопичувальний конденсатор 9. Установка накопичувального конденсатора 9 на вході вхідного випрямляча 1 дозволяє без впливу на якість вихідної напруги вибрати величину його ємносп з урахуванням як потреб енерюобміну, так і ефективного згладження високочастотної складової струму споживання. Таким чином здійснюється енергообмш (як споживання енергії з живлячої мережі, так і рекуперація реактивної енергії з кола індуктивного навантаження) до момешу відключення інвертора від живлячої мережі. Для штатного виключення силового модулятора нажимом кнопки "Стоп" інформаційно-пускового вузла 26 дається заборона на проходження імпульсів керуваня на входи основного блоку 14 підсилювання і розв"зки. Це приводить до запирання транзисторних ключів З і до припинення процесу формування напруги на виході силового модулятора. Струм навантаження при індуктивному його характері продовжує протікати в попередньому напрямку (як і до комутації кнопки "Стоп"), замикаючись в кошурі, створеному навантаженням, одною з пар діодів 8 звороіньою випрямляча, парою допоміжних транзисторних ключів (в залежності від полярності напруги мережі 16 і 17 або 18 і 19) і накопичувальним конденсатором 9, знижуючись до нульового значення. При цьому будь-які перенапруги як на навантаженні, так і на елементах силового модулятора в платному режимі його работи і на інтервалі викдючення відсутні. Аналогічно проходить процес переводу ї замикання реактивною струму навантаження і при аврійному відключенні транзистоних ключів 3. Команда аварійного відключення заводи і ься з блока захисту силового модулятора паралельно кнопкі ''Стоп" (на фіг. ці ланцюги не показані). До сказаного слід додати, що заявлена структура при синхронній п роботі в координатах живлячої мережі дозволяє живлення допоміжного блоку 21 підсилення і розв'язки від окремого нестабипзованого джерела живлення, в якому може бути відсутнім згладжуючий фільтр. Ця обставина взагалі не пов"язує моменти включення і відключення швергорноі частини перетворювача і його системи керування з готовністю до рекуперацш енергій і значно підвищує надійність функціонування силового модулятора з боку готовності до роботи, повторного включення і безаварійного виключення Таким чином, заявлене технічне рішення силового модуля юра дозволяє забезпечити його работу з незмінною якістю вихідної енергії в процесі регулювання величини навантаження, підвищити якість споживаємого стуму, а також надійність функціонування в режимі максимальних навантажень, що покращує його технічні характеристики порівняно з прототипом. (с Силовий модулятор 16 7 8 \ 6 Ї9- A 17': 7 —о о— A 8 21 14 12 22 15 /Г 10 Фіг. 1 Авторы: Макаренко М.П. А барка А. Г. Силовий модулятор Фіг, 2 До катодної групи 8 До анодної групи в 16 Фіг. З Автори: Макаренко М.П. А барка А. Г. й Силовий модулятор 25 12 11 С 23 ----- Т 24 -------- 13 & +5 В Пуск Г I R Захист Стоп 26 Фіг. 4 А втори: Макаренко М.П. А барка А. Г. Силовий модулятор До входів 21 20 & До 22 Фіг. 5 22 З 15 & Не & 12 Фіг. 6 Автори: Макаренко М.П. Л барка А. Г. ft Силовий модулятор 14, 21 Фіг. 7 Автори; Макаренко М.П. А барка А.Г. Силовий модулятор 1 21 2\ Ж І 2\ 27 З выходу 15 (20) Фіг. 8 Автори: Макаренко М.П. А барка А. Г.