Трифазний перетворювач синусоїдальної напруги

Корисна модель відноситься до електротехніки і може бути використана в джерелах живлення, що перетворюють постійну напругу від нетрадиційних джерел живлення в змінну синусоїдальну або квазісинусоїдальну напругу промислової частоти. Тенденція широкомасштабного використовування нетрадиційних відновлюваних джерел енергії, особливо сонячних фотоелектричних перетворювачів, приводить до необхідності розробки методів і пристроїв перетворення постійної напруги в змінну однофазну і трифазну синусо їдальну напругу. Автономні джерела електроживлення на базі сонячних фо тоелектричних перетворювачів є в даний час найперспективнішими в плані електропостачання як індивідуальних споживачів, так і при генерації електричної енергії в живильну електричну систему. Відомим є «Інвертор зі східчастою, близькою до синусоїди, формою кривої вихідної напруги» [А.с. СРСР №565365, МПК-2 Η 02 Μ 7/537, 1977p.], що містить основний перетворювальний осередок з прямокутною вихідною напругою і декілька додаткових перетворювальних осередків, що формують східчасту напругу для добудування синусоїди через підсумовує пристрій, з'єднаний послідовно з виходом основного осередку, при цьому основний осередок виконаний на тиристорах, а додаткові - на транзисторах, причому сумарна вихідна напруга додаткових осередків на початку й наприкінці кожного напівперіоду вихідної напруги інвертора обрано більшим від напруги живлення інвертора, крім того, основний осередок виконаний за напівмостовою схемою, а вихід його шунтований двома з'єднаними встрічно-паралельно тиристорами. Недоліком відомого пристрою є високий рівень напруги вищи х гармонік, що генеруються інвертором. Найближчим за технічною суттю і технічним результатом є обраний найближним аналогом «Інвертор квазісинусоїдальної напруги» [Патент України №64388 А, МПК-7 Η 02 Μ 7/5395, бюл. №2, 2004p.], що містить імпульсний стабілізатор напруги з випрямлячами, блок керування, двотактні вихідні інвертори, вихідний трансформатор, вихідні ланцюги блоку керування з'єднані з відповідними входами двотактних вихідних інверторів, виходи яких навантажені на крайні виводи обмоток вихідного трансформатора, середні виводи якого з'єднані з виходами випрямлячів, входи яких підключені до відповідних виходів імпульсного стабілізатора напруги, блок керування складається з формувача мережних імпульсів напруги, блоку генерації частот і блоку квантування за часом, входи якого з'єднані з виходами блоку генерації частот, вхід якого з'єднаний з виходом формувача мережних імпульсів напруги, вхід якого підключений до мережі, крім того, формувач мережних імпульсів напруги містить блок бестрансформаторного мостового випрямляча, вхід змінної напруги якого з'єднаний через гасящі конденсатори з мережею, а вихід постійної напруги з'єднаний паралельно з включеними конденсатором і стабілітроном, при цьому позитивний полюс мостового випрямляча з'єднаний з дільником резистора напруги, який з'єднаний з інвертуючим входом компаратора, виконаного на операційному підсилювачі, а прямий вхід компаратора з'єднаний з симетричним діоднорезістівним обмежником, виконаним на двох резисторах і дво х встрічно-паралельно включених діодах, при цьому вихід компаратора через оптронну пару з'єднаний з логічним елементом «виключаюче «АБО», причому діоди діодно-резістівного обмежувача включені між прямим і інверсним входами компаратора, а дільник резистора напруги містить потенціометр, включений між двома резисторами, при цьому движок потенціометра з'єднаний з інверсним входом компаратора, блок генерації частот містить задаючий генератор, виконаний у вигляді функціонального генератора, що складається з генератора трикутних імпульсів, виконаного по схемі інтегратора, і синхронізованого з ним генератора прямокутних імпульсів, виконаного по схемі компаратора, причому блок генерації частоти містить n-блоков, з'єднаних послідовно один з одним, а кожний з n-блоков містить додатково вузол контролю фази, причому вхідна напруга поступає на інвертуючий вхід генератора трикутних імпульсів і на перший вхід вузла контролю фази, на другий вхід якого поступає вихідна напруга генератора прямокутних імпульсів, а вихід вузла контролю фази з'єднаний з входом наступного n-блока, крім того, вузол контролю фази реалізований на логічному елементі «виключаюче «АБО», а генератори трикутних і прямокутних імпульсів реалізовані на здвоєному операційному підсилювачі, при цьому блок генерації частоти має вихідні фіксовані частоти - 50Гц, 800Гц і 1600Гц, синфазні з частотою мережної напруги, при цьому блок квантування за часом містить блок початкової установки, виконаний у вигляді логічного інвертора, на вході якого встановлена RC-ланцюжок, блок синхронізації, виконаний у вигляді двох логічних інверторів, вихід одного через RC-ланцюжок підключений до першого входу логічного елементу «І», на другий вхід якого подається напруга мережі, розподільник імпульсів, виконаний у вигляді лічильника-дешифратора на дев'ять виходів, деши фратор, виконаний шістнадцатіканальним, формувач початкової ділянки квазісинусоїдального сигналу, виконаний у вигляді логічних елементів, входи яких з'єднані з виходами блоку генерації частоти, вихідний безконтактний перемикач напівперіодів квазісиносоїдального сигналу, виконаний на 16-ти 2-х входови х елементах «виключаюча «1», а пристрій містить вісім двотактних вихідних інверторів, підключених до відповідних обмоток вихідного трансформатора. Недоліком найближчого аналогу є складна схемотехніка пристрою. Задачею даної корисної моделі є розробка нового трифазного перетворювача синусоїдальної напруги з досягненням технічного результату - спрощення схемотехніки пристрою і підвищення надійності роботи пристрою. Поставлена задача досягається тим, що в «Трифазному перетворювачі синусоїдальної напруги», що містить імпульсний стабілізатор напруги, блок керування, а також містить формувач мережних імпульсів напруги (ФМІН), генератор частоти, дво тактні вихідні інвертори (ДВІ), вихідні ланцюги блоку керування з'єднані з відповідними входами ДВІ, при цьому вхід ФМІН підключений до мережі змінного струму промислової частоти, згідно корисної моделі блок керування додатково містить помножувач частоти, вхід якого підключений до виходу опто-електронного перетворювача (ОЕП), а його вихід через ключ з'єднаний з входом розподільника по фазах, три ви ходи якого підключено до відповідних входів трьох перетворювачів напруги прямокутної форми в напруги синусоїдальної форми, виходи яких підключені до відповідних підсилювачів потужності, крім того, вихід генератора частоти через ключ з'єднаний з входом розподільника по фазах. Суть способу перетворення енергії, реалізованого в технічному рішенні даної корисної моделі полягає в стабілізації постійної напруги фотоелектричних перетворювачів, потім в перетворенні цієї напруги в прямокутні імпульси й множенні по частоті, а далі в подачі через розподільник фаз отриманих прямокутних імпульсів на три інвертори, виходи яких підключені до трьох підсилювачів потужності, й в підключенні цих підсилювачів потужності до трьох фаз живлячої системи. Новим в пристрої, що заявляється, є нова схемотехніка побудови трифазного перетворювача синусоїдальної напруги, що дозволяє значно спростити перетворювач й підвищити надійність його роботи. Суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, співпадаючими з ознаками найближчого аналога, є наступні ознаки: - імпульсний стабілізатор напруги; - блок керування; - блок керування містить формувач мережних імпульсів напруги (ФМІН) і генератор частоти; - двотактні вихідні інвертори (ДВІ); - вихідні ланцюги блоку керування з'єднані з відповідними входами ДВІ; - вхід ФМІН підключений до мережі змінного струму промислової частоти. Відмітними від найближчого аналога суттєвими ознаками пристрою, що заявляється, є наступні ознаки: - блок керування додатково містить помножувач часто ти; - вхід помножувача частоти підключений до виходу опто-електронного перетворювача (ОЕП); - вихід помножувача частоти через ключ з'єднаний з входом розподільника по фазах; - три виходи розподільника по фазах підключено до відповідних входів трьох перетворювачів напруги прямокутної форми в напруги синусоїдальної форми; - виходи перетворювачів напруги прямокутної форми в напруги синусоїдальної форми підключені до відповідних підсилювачів потужності; - вихід генератора частоти через ключ з'єднаний з входом розподільника по фазах. Між суттєвими ознаками корисної моделі, що заявляється, і технічним результатом, що досягається, існує наступний причинно-наслідковий зв'язок. Дійсно, нова схемотехніка пристрою, що заявляється, відрізняється простотою і надійністю, що дозволяє підвищити якість синусоїдальної напруги, одержуваної на виході пристрою, зменшити массо-габаритними показники пристрою, що заявляється, і підвищити надійність роботи його в порівнянні з найближчим аналогом. Корисна модель ілюстрована наступними кресленнями. На Фіг.1 зображена структурна блок-схема пристрою, що заявляється; на Фіг.2 показані принципові електричні схеми блоків 2-5; на Фіг.3 показані принципові електричні схеми блоків 6-8 і 9-11; на Фіг.4 і Фіг.5 показані діаграми імпульсів в різних точках електричних схем, зображених на Фіг.2 і Фіг.3. Напруга постійного струму від нетрадиційного джерела енергії (далі по тексту - НДЕ) поступає на імпульсний стабілізатор напруги (далі по тексту - ІСН) -блок 1. ІСН перетворює нестабільну напругу нетрадиційного джерела живлення в стабільну напругу постійного струму. Потужність джерела залежить від застосовуваних силови х ключів і потужності НДЕ. З ви ходу ІСН стабілізована напруга поступає на схему керування і інші блоки пристрою, що заявляється. Напруга однієї з фаз, наприклад фази А, поступає на формувач мережних імпульсів напруги (далі по тексту - ФМІН) - блок 2, який формує напругу прямокутної форми. Ця напруга поступає на опто-електронний перетворювач (далі по тексту -ОЕП), який виконаний у вигляді оптоелектронної пари світлодіод-фотодіод і служить гальванічною розв'язкою між мережною напругою і джерелом живлення схеми перетворювача. Фотодіод ОЕП підключений до помножувача частоти (далі по тексту - ПЧ) - блок 3, який служить для множення в шість разів частоти мережної напруги. Блок 3 через перемикач підключається до розподільника по фазах - блоку 5, який перетворить з помноженої частоти зрушення по фазах А, В і С, тобто трифазну напругу. За наявності фазового зрушення використаємо метод перетворення фазового зрушення в часовий інтервал між імпульсами, суть якого полягає в перетворенні напруг, що відповідають моментам переходів цих напруг через нуль від негативних до позитивних значень і наступному вимірі відносної тривалості стосовно періоду тимчасових інтервалів між передніми фронтами цих імпульсів, які пропорційні фазовому зрушенню: j=ω Dt=(2p/T) *Dt, j=360*Dt/T, який не перевищує 1*. Схемотехніка пристрою, що заявляється, містить генератор частоти - блок 4, який є внутрішнім генератором частотою 300Гц для роботи в режимі відсутності напруги мережі. Виходи розподільника по фазах підключені до блоків - 6, 7 і 8 - до перетворювачів напруги прямокутної форми в напругу синусоїдальної форми фази А, фази В, фази С відповідно. Виходи блоків 6, 7 і 8 підключені до блоків 9, 10 і 11 -підсилювачам потужності кожної фази відповідно. ФМІН (блок 2) містить блок бестрансформаторного мостового випрямляча VD 1-4, вхід змінної напруги якого з'єднаний через гасящі конденсатори С1 й С2 з мережею, а вихід постійної напруги з'єднаний паралельно з включеними конденсатором С3 і стабілітроном VD5, при цьому позитивний полюс мостового випрямляча з'єднаний з дільником резистора R3 напруги, який з'єднаний з інвертуючим входом 2 компаратора DA1, виконаного на операційному підсилювачі, а прямий вхід 3 компаратора DA1 з'єднаний з симетричним діодно-резістівним обмежником, виконаним на двох резисторах R1 й R2 і двох встрічно-паралельно включених діодах VD6 й VD7, при цьому вихід компаратора DA1 через оптрону пару VD10 й VD11 з'єднаний з ПЧ (блок 3), причому діоди діодно-резістівного обмежувача VD6 й VD7 включені між прямим 3 і інверсним 2 входами компаратора DA1. Помножувач частоти (блок 3) умножає частоту мережі в 6 разів для нормальної роботи розподільника фаз (блок 5), який зібраний по схемі регістра зрушення - на елементах DD5-1, DD5-2, DD6-1. Помножувач частоти зібраний на елементах DD1-1, DD2, DD3, DD4-1, DD1-2. На елементах DD2-1, DD2-2, DD2-3, DD2-4, резісторі R7 й конденсаторі С4 зібраний перший загальмований мультивібратор (далі - ЗМ 1), тобто кількість періодів укладається ціле число раз в негативній напівхвилі прямокутної напруги виходу DD1-1, і відповідно кількість періодів укладається ціле число раз в позитивній напівхвилі прямокутної напруги, що забезпечує другий загальмований мультивібратор (далі - ЗМ 2 ) зібраний на елементах DD3-1, DD3-2, DD3-3, DD3-4, резісторі R8 й конденсаторі С5. Через те, що у даних мультивібраторів ЗМ 1 й ЗМ 2 шпарува тість не рівна 2, виходи першого і другого мультивібраторів складаються на DD4-1 ("АБО"), потім ділиться на 2, щоб шпаруватість була рівна 2, і поступає на розподільник фаз, який зібраний по схемі регістра зрушення без початкового запису-DD5-1 DD5-2, DD6-1. Ланцюг початкової установки розподільника фаз зібраний на R15, С7. Генератор (блок 4) призначений для повної автономної роботи з нетрадіційним джерелом енергії, генерує імпульси для роботи розподільника фаз за відсутності живлячої мережі і вся система синхронізації працює від однієї фази. Генератор виконай у вигляді функціонального генератора, що включає генератор трикутних імпульсів (далі -ГТІ) на операційному підсилювачі DA4-1, реалізований за схемою інтегратора. До складу ГТІ входять також резистори R9, R12 і конденсатор С6. З ГТІ на DA4-1 з'єднай синхронізований генератор прямокутних імпульсів (далі по тексту - ГПІ) на операційному підсилювачі DA4-2, реалізований за схемою компаратора. До складу ГПІ входять також резистори R9, R11, R13 й R14. Виходи розподільника по фазах підключені до блоків - 6, 7 і 8 - до перетворювачів напруги прямокутної форми в напругу синусоїдальної форми фази А, фази В, фази С відповідно, які зібрани за аналогічними схемами. Розглянемо схемотехнику, наприклад, перетворювача напруги прямокутної форми в напругу синусоїдальної форми фази А (см Фіг.3, блоки 6-8), який включає інвертуючий підсилювач, зібраний на мікросхемі DA 1-1 і резисторах R1, R16 і R17, сигнал трикутної форми з якого поступає на компаратор на мікросхемі DA 2-1 і резисторах R2, R3 і R4, який перетворює сигнал трикутної форми в сигнал прямокутної форми, який потім поступає на інтегратор, реалізований на мікросхемі DA 2-2, резисторах R5, R6 і конденсаторі С2. Сигнал трикутної форми з інтегратора поступає на інвертуючий вхід підсилювача на мікросхемі DA 3-1 і резисторах R7, R8, R9 і R10, який разом з джерелом на польовому транзисторі VT1 і резисторах R11, R12, R13 і діодах VD1 і VD2 перетворить сигнал трикутної форми в синусоїдальний сигнал. З виходу ключа на VT1 через резистор R13 синусоїдальний сигнал поступає на підсилювач, реалізований на мікросхемі DA 3-2 і резисторах R14 і R15, де він посилюється до необхідного рівня і подається на відповідний вхід підсилювача потужності (див. Фіг.3, блоки 9-11), тобто виходи блоків 6, 7 і 8 підключені до блоків 9,10 і 11 -підсилювачам потужності кожної фази відповідно. Кожний підсилювач потужності зібраний по аналогічній схемі, тому розглянемо схему підсилювача потужності фази А. Підсилювач потужності (див. Фіг.3, блок 9) включає попередній каскад на транзисторі VT1, резисторах R1, R2, R3 і конденсаторах С1 і С2. В цеп колектора VT1 включений ланцюжок установки «0», що складається з діодів VD1 і VD2 і резистора R4. До колектора VT1 і анода діода VD1 підключені відповідно бази транзисторів VT3 і VT2, які разом з резисторами R7 і R8 утворюють двотактний фазоїнверсний попередній каскад для почергової роботи на своїй напівхвилі синусоїдальної напруги могутніх ви хідних транзисторів VT4 і VT5. Могутні вихідні транзистори VT4 і VT5, конденсатори С5 і С6, утворюють вихідний напівмостовий каскад підсилювача потужності, в діагональ якого включена первинна обмотка вихідного трансформатора ТІ, вторинна обмотка якого через контакт реле комутації К1 з'єднана з мережею змінного струму. Резистор R5 і конденсатор С3 являють собою згладжуючий фільтр для живлення попереднього каскаду на транзисторі VT1, а змінний резистор R6 і конденсатор С4 утворює диференціюючий ланцюжок зворотного зв'язку, який дозволяє зменшити постійну часу перехідних процесів при зміні напівхвилі підсилюваємої синусоїдальної напруги. Робота перетворювача пояснюється епюрамі напруг, приведеними на Фіг.4 і Фіг.5. Пропонований пристрій призначений для перетворення постійної напруги нетрадиційних відновлюваних джерел енергії в трифазне синусоїдальне напруги і підключення цих напруг в живлячу мережу з синхронізацією по частоті і фазі з напругами мережі. Запропонований алгоритм рішення задачі наближення функції, заданої на рівномірній сітці, гармонійним рядом Фурье, який вирішує задачі точно, коли число шуканих параметрів співпадає з числом точок розбиття. Враховуючи ви щевикладене, можна зробити висновок, що задача, поставлена в справжній корисній моделі - розробка нового трифазного перетворювача синусоїдальної напруги - виконана з досягненням технічного результату - спрощення схемотехніки пристрою і підвищення надійності роботи пристрою.