Транзисторний інвертор з широтно-імпульсною модуляцією

Транзисторний інвертор з широтно-імпульсфільтра, стр уму навантаження, вихідної напруги, ною модуляцією на основі мостової схеми з LCвиходом - до входу АЦП, виходи АЦП підключені фільтром і внутрішнім зворотним зв'язком по видо виводів паралельного порту мікроконтролера, хідній напрузі і струму дроселя фільтра з датчиком мікроконтролер виводами двох ШІМ підключений напруги (ДН) і датчиком струму (ДС), який відріздо підсилювача імпульсів управління, а підсилюняється тим, що використано режим несиметричвач своїми ви ходами - до управляючого входу синої комутації, введені зв'язки по струму наванталових транзисторів інвертора, тривалість імпульсу ження (для непрямої оцінки опору навантаження) і ШІМ (тривалість підключення джерела вхідної навхідній напрузі з ДС і ДН, аналоговий мультиплекпруги через фільтр до навантаження) знайдена із сор, аналого-цифровий перетворювач (АЦП), мікзастосуванням дискретного аналога другого (пряро контролер обчислення оптимальної тривалості мого) методу Ляпунова: K U Uвих k + K I k ILk + U s cos(2 pfkT - j ) + 2 pfTU s sin(2 pfkT - j) d k +1 = k , -1 KI k L [U m k - (R вх + R vt - R vd )ILk ] 31342 ного живлення з високою якістю мережі змінного струму. Відоме стабілізоване джерело змінної напруги [1] з широтно-імпульсною модуляцією на основі напівмісткової схеми, що містить джерело еталонної напруги, схему порівняння вихідної напруги з еталонною, двополярний обмежувач напруги, схему порівняння сигналу розбіжності по напрузі з сигналом, пропорційним струму дроселя і два компаратора, в яких сигнал розбіжності порівнюється з синхронізуючими сигналами, що лінійно змінюються (для винаходу також характерне використання LC-фільтра і внутрішнього зворотного зв'язку (ЗЗ) по вихідній напрузі і струму дроселя фільтра). Недоліком пристрою є те, що максимальна напруга силових транзисторів повинна перевищувати подвоєну амплітуду ви хідної напруги, що різко обмежує номенклатуру напівпровідників. Крім того, наявність низькочастотної складової струму дроселя пред'я вляє певні вимоги до джерел живлення пристрою. Так, при використанні джерел з випрямлячами необхідно застосовувати додаткові конденсатори великої ємності, що включаються паралельно джерелам або додаткових ланцюгів обміну енергією між джерелами. Наступні недоліки полягають у тому, що алгоритм управління силовими транзисторами такого інвертора не забезпечує адаптацію до зміни навантаження і вхідної напруги і передбачає використання високостабільних генераторів еталонної та синхронізуючих напруг для його реалізації. Очевидно, що динамічні характеристики розглянутого пристрою недостатньо високі. Найбільш близьким по технічній суті до винаходу є транзисторний інвертор (ТІ) з широтноімпульсною модуляцією [2] на основі місткової схеми в режимі синхронної комутації з LC-фільтром. В такому інверторі джерело вхідної напруги (ДВН) постійно підключене до навантаження. Вихідна напруга підтримується за рахунок зміни полярності включення ДВН і тривалості різнополярних імпульсів у кривій вихідної напруги ТІ. Коефіцієнт широтно-імпульсної модуляції залежить від сигналу розбіжності, що формується з використанням ЗЗ по вихідній напрузі і струму дроселя фільтра з датчиком напруги (ДН) і датчиком струму (ДС), підключених виходами до схеми управління транзисторами. Із суттєвими ознаками винаходу збігаються наступні ознаки розглянутого ТІ: перетворення постійного струму ДВН в широтно-імпульсний сигнал (ШІС) здійснюється містковою схемою; виділення основної гармоніки ШІС і придушення решти гармонік у вихідній напрузі здійснюється за допомогою LC-фільтра; для формування алгоритму управління транзисторами інвертора використовується d k +1 = K Uk Uвих k внутрішній ЗЗ по вихідній напрузі і струму дроселя фільтра з ДН і ДС. Наявність внутрішнього ЗЗ по струму дроселя фільтра сприяє поліпшенню статичних і динамічних властивостей ТІ, проте вони залишаються недостатньо високими через недоліки алгоритму управління транзисторами. Недоліки пов'язані з неможливістю такого алгоритму забезпечити адаптацію до зміни навантаження і вхідної напруги (напруги ДВН) ТІ, необхідністю використовувати високостабільні генератори для його реалізації та додаткові ланцюги для усунення наскрізних струмів. Крім цього, основним інструментом визначення оптимального значення коефіцієнтів ЗЗ є їх експериментальне знаходження. Інший недолік проявляється при необхідності регулювання величини вихідної напруги. По мірі зменшення глибини модуляції імпульсна напруга наближується до меандру, тобто зниження амплітуди першої гармоніки супроводжується збільшенням гармонік, кратних частоті імпульсної модуляції, що призводить до збільшення коефіцієнта гармонік вихідної напруги. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення транзисторного інвертора з широтноімпульсною модуляцією шляхом використання режиму несиметричної комутації і синтезу оптимальної тривалості імпульсу широтно-імпульсного модулятора (ШІМ) інвертора на основі сучасних методів теорії автоматичного управління, що дає можливість забезпечити поліпшення статичних і динамічних властивостей пристрою при збереженні стійкості процесу регулювання вихідної напруги. В пристрої використовується режим несиметричної комутації, що характеризується існуванням тільки однополярних імпульсів в кожній з півхвиль вихідної напруги, і створюється короткозамкнутий контур (КК) для струму навантаження через шини плюс або мінус ДВН на час відсутності імпульсу ШІМ. Вихідна синусоїдальна напруга підтримується за рахунок зміни тривалості підключення ДВН через фільтр до навантаження (тривалості імпульсу ШІМ) в кожному періоді модуляції. Синтез оптимальної тривалості імпульсу (ОТІ) ШІМ проведено із застосуванням методу простору станів і дискретного аналогу другого (прямого) методу Ляпунова [3]. Функцію Ляпунова вибрано у вигляді додатно визначеної квадратичної форми, що має фізичний зміст квадрату похибки відтворення ТІ ви хідної синусоїдальної напруги. Визначено тривалість імпульсу ШІМ в кожному періоді модуляції, при якій перша різниця функцій Ляпунова від'ємно визначена і досягає екстремуму. При цьому, в (k+1)-й період модуляції (ПМ) ОТІ широтно-імпульсного модулятора (тривалість підключення ДВН через фільтр до навантаження) dk+1 транзисторного інвертора з LC-фільтром знаходиться за формулою: + K I k ILk + Us cos(2pfkT - j) + 2pfTU s sin(2pfkT - j) , (1) KI k L- 1[Um k - (Rвх + R vt - R vd )ILk ] де a1T KI k = ( ea1T - e a2T ) L(a1 - a 2 ) - коефіцієнт внутрішнього додатного зворотного зв'язку (ДЗЗ) по струму дроселя фільтра ТІ по закінченню k-го ПМ; a 1,2 = 0,5[ b - 1 (R н k C)] ± a2T K Uk = -[(a1 - b)e - (a2 - b)e ] (a1 - a 2 ) - коефіцієнт головного внутрішнього від'ємного зворотного зв'язку (ВЗЗ) по вихідній напрузі фільтра інвертора по закінченню k-го ПМ; 2 31342 тегрованими в нього паралельним портом і двома ШІМ. На фіг. 1 зображено функціональну схему ТІ. ТІ містить джерело 1 вхідної напруги U m, комутатор 2, LС-фільтр 3, навантаження 4, датчик 5 напруги ДВН, датчик 6 стр уму дроселя фільтра IL, датчик 7 струму навантаження (для непрямої оцінки величини опору навантаження Rн) Iн, датчик 8 вихідної напруги Uвих, аналоговий мультиплексор (AM) 9, аналого-цифровий перетворювач 10 (АЦП), МК 11 вирахування ОТІ з зовнішнім ПЗП і підсилювач імпульсів управління (ПІУ) 12. AM 9 підключений входами до датчиків 5-8, виходом до входу АЦП 10, ви ходи АЦП 10 підключені до виводів паралельного порту МК 11. МК 11 виводами двох ШІМ підключений до ПІУ 12, а ПІУ 12 своїми виходами - до управляючого входу транзисторів комутатора 2. У ПЗП мікроконтролера зберігаються код програми; розраховані на етапі проектування для різних величин струму навантаження Ін значення коефіцієнтів KU, KI; постійні коефіцієнти L-1, R=Rвх+Rvt-Rvd і значення сигналу завдання для кожного ПМ k: Uз=Uscos(2pfkT-j)+2pfTUssin(2pfkT-j). Для зменшення необхідного об'єму ПЗП проведено мінімізацію його адресного простору з урахуванням значень Iн і виділенням діапазону, в межах якого управління не є релейним, тобто 0