Результат интеллектуальной деятельности: Генератор многофазной системы ЭДС

1. Область применения, актуальность, цель

1.1 Область применения

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для генерирования многофазной системы напряжений, питающей многофазную нагрузку. В качестве многофазной нагрузки могут рассматриваться приводы устройств автоматики и робототехники, устройства специальной техники, частота питания которой отличается от промышленной. Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в разработке устройства для преобразования постоянного или однофазного переменного напряжения промышленной частоты в многофазную систему электродвижущих сил (ЭДС) с заданным числом фаз и заданной частотой. Устройство может использоваться как в стационарных, так и мобильных системах (робототехнике) для питания многофазных двигателей переменного тока, а также для питания других многофазных потребителей электрической энергии.

1.2 Актуальность

В последние годы отечественными учеными, инженерами и изобретателями предложен ряд оригинальных электрических машин переменного синусоидального тока, обладающих повышенными технико-экономическими показателями. Питание некоторых типов электрических машин осуществляется от трехфазной или шестифазной системы ЭДС. Технико- экономические показатели этих многофазных электрических машин могут превосходить показатели двигателей других систем. К ним относятся электрические машины, описанные в патентах 2516286 от 20.05.2014, 2414791 от 20.03.2011, 2414794 от 20.03.2011, 2426211 от 10.08.2011, 2494518 от 27.09.2013, 2483416 от 27.05.2013, 2482591 от 20.05.2013, 2482590 от 20.05.2013, патент США Николай В. Яловега, Константин А. Беланов Stator of AC Machine, Patent number 5,559,385, Date of Patent Sep. 24 1996 и др.

Питание этих машин, а также других многофазных двигателей и устройств переменного тока, для использования в автономных и подвижных системах, может осуществляться при помощи описываемого в настоящем решении устройства. Для питания ряда устройств спецтехники требуются источники синусоидального напряжения повышенной частоты, например, 400 Гц. Питание таких устройств также может осуществляться при помощи предлагаемого генератора.

1.3 Цель изобретения

Цель изобретения - разработка устройства для преобразования постоянного или однофазного переменного напряжения в многофазную систему ЭДС с заданным числом фаз и заданной частотой на основе использования импульсной техники.

2. Изобретательский уровень

Предлагаемое устройство для генерирования многофазной системы напряжений отличается от описанного в работе [1] тем, что:

- в основу работы предлагаемого устройства для генерирования многофазной системы ЭДС положен принцип, отличающийся от известных в настоящее время принципов;

- для генерирования многофазной системы ЭДС в предлагаемом устройстве используется аппроксимация синусоидальных ЭДС фаз многофазной системы последовательностью импульсных функций;

- устройство не ограничивается двухфазной или трехфазной системой напряжений, а может использоваться для генерирования многофазной системы напряжений с требуемым числом фаз от 1 до m;

- частота f синусоидальных источников фаз генератора задается при помощи генератора импульсов устройства;

- напряжение в каждой фазе генератора формируется совокупностью прямоугольных импульсов напряжения заданной величины и одинаковой длительности TI. Число импульсов на периоде n=Т/TI;

- импульсы напряжения с амплитудными значениями E₀…E_2k поступают от блока питания и при помощи коммутационной матрицы передаются на выход устройства в последовательности, задаваемой блоком управления. Здесь k - количество дискретных значений импульсов напряжения, при помощи которых аппроксимируется синусоидальная функция.

- В качестве блока питания может использоваться как аккумуляторная (или конденсаторная) батарея, так и трансформаторный блок питания. В случае использования в качестве источника питания аккумуляторной батареи преобразование напряжения аккумуляторной батареи в набор источников со значениями напряжений E₀…E_2k осуществляется DC/DC преобразователем. При использовании трансформаторного блока питания однофазное синусоидальное напряжение подключается к первичной катушке трансформатора, а совокупность источников постоянного напряжения со значениями Е₀…E_2k получают при помощи k вторичных катушек и схем выпрямления напряжений, снимаемых с выходов вторичных катушек;

- очередность следования импульсов с требуемыми амплитудными значениями в каждой фазе генератора задается устройством управления и коммутационной схемой на управляемых ключах.

В качестве управляемых ключей могут использоваться симисторы, транзисторные ключи требуемой полярности и тиристоры. Коммутационная матрица может быть реализована по технологии изготовления больших интегральных схем (БИС).

3. Принцип работы устройства

3.1 Аппроксимация синусоидальной функции времени последовательностью импульсных функций

Принцип работы генератора многофазной системы напряжений основан на приближении синусоидальных функций ЭДС многофазного генератора совокупностью прямоугольных импульсных функций заданной величины и длительности. Рассматривается симметричная многофазная система синусоидальных ЭДС с периодом колебаний Т и частотой f=1/T:

где k - номер фазы;

m - число фаз многофазной системы;

Е - амплитуда синусоидальной функции. Далее примем ее для всех синусоидальных функций равной 1;

ω=2πf - круговая частота колебаний;

t - независимая переменная (время);

ψ - фазовый угол.

Так, для трехфазной системы ψ=2π/3=120°, для пятифазной системы ψ=2π/5=72°, для шестифазной системы ψ=2π/6=60° и т.д.

Выражение (1) справедливо для числа фаз m≥3.

Для двухфазной системы ЭДС первой и второй фаз запишем:

Амплитуду Е в выражениях (1) и (3) далее примем равной 1.

Устройство позволяет создавать многофазную систему ЭДС для числа фаз m≥1. ЭДС каждой фазы устройства формируется из последовательности импульсных функций так, что совокупность импульсных функций аппроксимирует синусоидальную функцию.

На фиг. 1 показан отрезок синусоидальной функции e(t) с периодом Т. Синусоидальная функция аппроксимируется последовательностью импульсных функций длительностью TI. Амплитуды импульсных функций Е₀…Е₉ на интервале 0…Т/4 равны начальным значениям синусоидальной функции в начальный для каждого импульса момент времени. На интервале Т/4…Т/2 амплитуды импульсных функций E₉…Е₀ равны конечным значениям синусоидальной функции в конечный для каждого импульса момент времени.

3.2 Свойства симметрии синусоидальной функции

Синусоидальная функция обладает следующими свойствами симметрии:

На основании свойств симметрии (4) для показанной на фиг. 1 последовательности импульсных функций, аппроксимирующих синусоидальную функцию, можно записать:

Эти свойства позволяют для аппроксимации синусоидальной функции использовать ограниченное число дискретных значений импульсных функций. Для показанной на фиг. 1 аппроксимации число дискретных по модулю значений k=5. Конкретные значения амплитуд импульсных функций определяются числом фаз и числом импульсных функций (т.е. шагом дискретизации).

3.3 Числовые значения параметров аппроксимации

На фиг. 1 показана аппроксимация синусоидальной функции последовательностью из 24 импульсных функций. Амплитудные значения импульсных функций приведены в таблице 1. Значения записаны при учете трех значащих цифр после запятой.

Эти же значения импульсных функций используются при аппроксимации синусоидальных функций фаз однофазной, двухфазной, трехфазной и шестифазной систем ЭДС при представлении каждой синусоидальной функции напряжения последовательностью из 24 импульсных функций. В таблице 2 записаны амплитудные значения импульсных функций на периоде Т для каждого временного интервала от 1 до 24 (по числу импульсных функций) для каждой из фаз двухфазной системы ЭДС. Каждый временной интервал соответствует шагу дискретизации 15° синусоидальной функции.

В таблице 3 записаны амплитудные значения импульсных функций для каждого временного интервала от 1 до 24 (по числу импульсных функций) для каждой из фаз трехфазной системы ЭДС. Каждый временной интервал соответствует шагу 15° синусоидальной функции.

В таблице 4 записаны амплитудные значения импульсных функций для каждого временного интервала от 1 до 24 (по числу импульсных функций) для каждой из фаз шестифазной системы ЭДС. Каждый временной интервал соответствует шагу 15° синусоидальной функции.

В пятифазной системе при представлении каждой синусоидальной функции ЭДС фазы 20 импульсными функциями (шаг 18°) амплитудами импульсных функций являются значения, приведенные в таблице 5.

При разбиении периода синусоидальной ЭДС на n одинаковых интервалов, вследствие симметрии синусоидальной функции, число одинаковых по модулю значений импульсных функций будет конечным и ограниченным. Так, для однофазной, двухфазной, трехфазной и шестифазной систем при n=24 их число дискретных значений k=5, см. табл. 1 и 6, для пятифазной системы при n=20 их число равно k=4, см. таблицы 5 и 6.

В таблице 6 записаны значения числа k дискретных значений ЭДС, при помощи которых аппроксимируется синусоидальная функция, в зависимости от числа фаз m и числа n временных интервалов на периоде Т, на которое разбивается этот период.

4. Принципиальная схема устройства

Устройство, в зависимости от реализации блока питания, может быть реализовано в двух вариантах.

4.1 Принципиальная схема устройства при питании его от аккумуляторной батареи

В первом варианте питание устройства осуществляется от аккумуляторной батареи (АКБ). Этот вариант исполнения генератора многофазной системы ЭДС целесообразно использовать для питания мобильных устройств автоматики и робототехники. Принципиальная схема этого варианта устройства приведена на фиг. 2.

4.2 Принципиальная схема устройства при питании его от сети переменного тока

Во втором варианте исполнения устройства питание его осуществляется от сети переменного тока. Этот вариант исполнения предпочтительнее для стационарных устройств или мобильных устройств, к которым может быть подведено питание от сети переменного тока. Принципиальная схема этого варианта устройства приведена на рисунке фиг. 3.

4.3 Блочная структура устройства

В устройстве можно выделить три функциональных блока - блок управления, коммутационная матрица и блок питания. Блок управления и коммутационная матрица являются общими для двух вариантов исполнения устройства, блоки питания 17₁ и 17₂ различаются. Дадим описание этих блоков.

4.4 Принципиальная схема блока управления и коммутационной матрицы

Принципиальная схема блока управления на элементах 1-8, 13 и коммутационной матрицы 9 приведена на фиг. 4.

4.4.1 Блок управления

Блок предназначен для формирования управляющих импульсов в результате создания последовательности прямоугольных импульсов заданной длительности TI и подачи этих сигналов на управляющие электроды силовых управляемых ключей 12. Управляемые ключи 12 расположены в коммутационной матрице 9. При помощи силовых ключей 12 источники ЭДС Е₀…E_2k подключаются в соответствующие моменты времени в соответствии с заданным алгоритмом к выходным полюсам генератора 10. Источники ЭДС E₀…E_2k генерируются блоком питания 17₁ или 17₂. Коммутация осуществляется в открытом состоянии ключа. Длительность открытого состояния каждого ключа равно TI. Число k дискретных значений ЭДС для конкретных значений n и m приведено в таблице 6. Блок формирует циклическую с периодом Т последовательность импульсов. Величина Т равна периоду синусоидальной функции. Число импульсов на периоде Т равно n, длительность одного импульса TI. Значения n и TI выбираются исходя из соображений обеспечения требуемой погрешности аппроксимации синусоидальной функции последовательностью прямоугольных импульсных функций и стоимостью реализации устройства. С увеличением n и уменьшением TI снижается погрешность и увеличивается стоимость.

Блок реализован на элементах 1-8, 13. Он содержит генератор тактовых импульсов (ГТИ) 1, логический элемент И 2, счетчик 3 числа импульсов на периоде Т периодической функции, схему сравнения 4, регистр 5, дешифратор 7 с числом выводов, равным n - числу импульсных функций на периоде Т, формирователи управляющих сигналов 8_i (i=1…n).

Выход ГТИ 1 подсоединен к первому входу элемента И 2, второй вход которого подсоединен к первому входу 6 устройства, а выход - к первому входу счетчика 3, выход которого подсоединен к входу дешифратора 7 и к первому входу схемы сравнения 4, второй вход которой подсоединен к выходу регистра 5, а выход - к второму входу счетчика 3, вход регистра 5 подсоединен к входу 13 устройства, выходы дешифратора 7 подсоединены к входам одноименных формирователей управляющих импульсов 8₁…8_n, выходы которых подсоединены к входам 22₁…22_n коммутационной матрицы 9.

4.4.2 Коммутационная матрица

Коммутационная матрица 9 содержит набор m×n управляемых ключей, два набора входных полюсов и один набор выходных полюсов. Здесь m - число фаз генератора, n - число временных интервалов, на которое разбивается период синусоидальной функции, T=n×TI. При помощи первого набора входных полюсов 22₁…22_n коммутационная матрица подключается к выходам формирователей импульсов 8₁…8_n. В результате управляющие импульсы с формирователей импульсов поступают на управляющие электроды силовых ключей, расположенных в коммутационной матрице. Второй набор входных полюсов 11₀…11_2k подключает коммутационную матрицу к постоянным источникам ЭДС блока питания 17₁ или 17₂. Набор выходных полюсов 10₀…10_m является выходным для всего устройства. С него снимаются ЭДС фаз генератора.

При помощи коммутационной матрицы осуществляется подключение соответствующих значений дискретных значений ЭДС Е₀…E_2k к выходным полюсам фаз генератора 10_i, i=0…m. Подключение осуществляется в соответствующие интервалы времени i=1…n на временной интервал длительностью TI. Коммутации осуществляются при помощи управляемых ключей 12_i,j,р. Здесь i=1…n, j=1…m, p=0…2k, a k - число дискретных значений ЭДС. Так, в соответствии с таблицей 6 раздела 3.3, для однофазной, двухфазной, трехфазной и шестифазной систем при n=24 число k=5, для пятифазной системы при n=20 число k=4 и т.д. Управляющие сигналы на управляющие электроды управляемых ключей поступают с выходов формирователей импульсов 8_i, i=1…n. В течение первого временного интервала управляющий сигнал с первого выхода дешифратора через формирователь импульса 8₁ поступает на управляемые ключи, которые подключают соответствующие источники ЭДС блока питания 17₁ или 17₂ к соответствующим фазам генератора. Так, согласно таблице 3 раздела 3.3, для трехфазной системы m=3 и числе интервалов n=24 в течение первого временного интервала к выходу первой фазы 10% подключается источник Е₀, к выходу второй фазы 10₂ источник Е₅, к выходу третьей фазы 10₃ источник E₈. В течение второго временного интервала к выходу первой фазы подключается источник Е₁, к выходу второй фазы источник E₃, к выходу третьей фазы источник Е₁₀. Аналогично осуществляется коммутация ключей для последующих временных интервалов. Процесс повторяется циклически с периодом Т. На фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 коммутации для последующих интервалов i=3…n не показаны.

Максимальное количество ключей в коммутационной матрице, равное m×n, может быть значительно (в разы) сокращено, если при формировании связей учесть свойства синусоидальной функции, записанные в (4).

Например, как следует из таблицы 2, в фазах двухфазной системы коммутируются одинаковые источники напряжения в интервалы времени 1 и 24, 12 и 13, 7 и 19, 2 и 23, 3 и 22, 4 и 21, 5 и 20, 6 и 19, 6 и 7. Следовательно, в коммутационной матрице вместо 18 могут быть использованы только 9 управляемых ключей.

К выходным полюсам устройства 10₁…10_m подключены помехоподавляющие конденсаторы 21₁…21_m с емкостью С₁. Они предназначены для снижения уровня радиопомех, создаваемых при работе устройства.

5. Блок питания

Блок питания может быть выполнен в двух вариантах 17₁ или 17₂, фиг. 5. Он позволяет получить набор источников постоянного напряжения с заданными дискретными значениями Е_р, р=0…2_k. Содержит 2k+1 выходных полюсов, которыми блок питания подключается к полюсам 11₁…11_2k коммутационной матрицы, см. фиг. 2 и фиг. 3. Рассматриваются два варианта исполнения блока питания.

5.1 Блок питания с использованием аккумуляторной батареи

В первом варианте исполнения блока питания 17₁ питание осуществляется от аккумуляторной батареи (АКБ) 15, как показано на фиг. 2 и фиг. 5. Полюсами 16₁ и 16₂ АКБ подключается к преобразователю DC/DC 14. Он выполняет преобразование напряжения АКБ в набор дискретных значений ЭДС Е_р, р=0…2k. Схема преобразователя 14 должна иметь общую шину "земля", относительно потенциала которой отсчитываются потенциалы (положительные и отрицательные) всех выходных полюсов блока. В соответствии с фиг. 5 шина "земля" подключается к полюсу 26₀. Этот полюс подключается к полюсу 11₀ коммутационной матрицы 9, а полюсы 26₁…26_2k блока питания 17₁ подключаются к соответствующим полюсам 11₁-11_2k коммутационной матрицы. Этот вариант блока питания предпочтительнее для использования в мобильных устройствах, в том числе и робототехнике.

5.2 Блок питания при питании устройства от сети переменного тока

Во втором варианте исполнения источника питания 17₂, см. фиг. 3, питание многофазного генератора осуществляется от сети переменного тока. Для получения набора источников постоянного напряжения Е₀, Е₁…E_2k используется трансформаторная схема.

В соответствии с фиг. 5 блок питания 17₂ содержит трансформатор 20. Полюсами 24₁-24₂ первичная катушка трансформатора подключается к сети переменного тока. Число вторичных катушек трансформатора равно k. Вторичные катушки трансформатора полюсами 23₁-23₂…23_2k-1-23_2k подключены к схемам выпрямления 18₁…18_k. К выходам схем выпрямления подключаются k делителей напряжения 19₁-19₂…19_2k-1-19_2k на конденсаторах С. Средние точки 25₀ делителей подключены к общему полюсу "земля". К делителям напряжения подключены выходные полюсы блока питания 25₀…25_2k. Этими полюсами блок питания подключается к вторым входным полюсам 11₀-11_2k коммутационной матрицы 9, см. фиг. 3. Делители напряжения также выполняют функции фильтра. Каждая схема делителя напряжения позволяет получить на выходе два источника постоянного напряжения E_2i-1 и E_2i, i=1…k противоположной полярности и полюс с нулевым потенциалом Е₀=0 (земля). После делителей напряжения на конденсаторах 19 получаем требуемое число источников постоянного напряжения положительной и отрицательной полярности с требуемыми значениями E_p, р=0…2k. Этот вариант исполнения блока питания может использоваться в стационарных условиях, где возможно подключение к сети переменного тока.

6. Описание работы устройства

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии на регистре 5 по входу 13 записан код числа временных интервалов n. На это число интервалов разбивается период синусоидальной функции Т при аппроксимации синусоидальной функции последовательностью импульсных функций. На счетчике 3 хранится код нуля (вход сброса в ноль на счетчике 3 на фиг. 2 и 3 не показан). Работа устройства начинается после подачи пускового сигнала по входу 6 логического элемента И 2. После подачи пускового сигнала импульсы с выхода генератора тактовых импульсов 1 через открытый элемент И 2 начинают поступать на вход счетчика 3. Код с выхода счетчика 3 поступает на вход дешифратора 7. На выходе дешифратора появляется единичный сигнал только на одном из n его выходов. Единичный сигнал на i-м (i=1…n) выходе дешифратора 7 подается на вход одноименного формирователя сигнала 8_i, выход которого подсоединен к управляющим электродам управляемых ключей 12_i,j,p. Входы управляемых ключей подключаются полюсами 11_i, i=0…2k, к источникам напряжения E₀…E_2k, а выходы ключей 12_i,j,p к выходным полюсам фаз устройства 10₁…10_m. В каждый временной интервал к каждому выходному полюсу генератора 10₁…10_m подключается только один источник постоянного напряжения из набора Е₀…E_2k. В записи ключа 12_i,j,p первый индекс i указывает на номер временного интервала i=1…n, второй индекс j указывает на номер фазы многофазной системы, j=1…m, последний индекс р указывает на номер источника постоянного напряжения, р=0…2k. На фиг. 2, фиг. 3 и фиг. 4 в коммутационной матрице 9 показаны ключи, которые управляются в первый и второй, на периоде Т, временные интервалы. Они коммутируют соответствующие данному интервалу времени источники постоянного напряжения из набора Е₀…E_2k к соответствующим выходным полюсам 10₁…10_m. Управление ключами для других интервалов времени осуществляется аналогично и с целью упрощения на фиг. 2…4 не показано. С формирователей импульсов 8₁…8_n на управляющие электроды ключей 12_i,j,p поступают управляющие импульсы длительностью TI. Они управляют соединением выходных полюсов 10₁…10_m с соответствующими конкретному временному интервалу источниками постоянного напряжения Е₀…E_2k. На фиг. 2-4 ключи и соответствующие им коммутации для интервалов 3…n не показаны. Какие выходные полюса 10₁…10_m подключаются к каким источникам постоянного напряжения E₀…E_2k, указано в таблицах 2…4 для конкретных значений m и n. Так, в соответствии с таблицей 3, при m=3 и n=24 с выхода формирователя импульса 8₁ поступают управляющие импульсы на силовые ключи 12_1,1,0, 12_1,2,5 и 12_1,3,8. В результате к выходному полюсу устройства 10₁ подключается источник Е₀, к выходному полюсу второй фазы 10₂ подключается источник ЭДС Е₅, к выходному полюсу третьей фазы 10₃ подключается источник E₈. После прекращения действия импульса с выхода 8₁ включается управляющий сигнал с выхода 8₂. Управляющий сигнал поступает на управляющие электроды ключей 12_2,1,1, 12_2,2,3, 12_2,3,10. В результате к выходному полюсу устройства 10₁ подключается источник ЭДС Е₁, к выходному полюсу 10₂ подключается источник Е₃, к выходному полюсу 10₃ подключается источник Е₁₀. После прекращения действия импульса с выхода формирователя импульса 8₂ включается управляющий импульс с выхода формирователя импульсов 8₃, который управляет открытием соответствующих силовых ключей, см. табл. 3. Блоком управления задается очередность следования управляющих импульсов. За управляющим импульсом от формирователя импульсов 8_j, j=1…n следует управляющий импульс от формирователя импульсов 8_j+1, пока j+1 не станет равным n=24. После прекращения действия импульса с выхода формирователя 8₂₄ включается формирователь импульса 8₁. При этом текущее значение счетчика числа импульсов 3 совпадет с заданным при помощи входа 13 числом n, счетчик обнуляется и процесс повторяется.

Источники напряжения E₀…E_2k вырабатываются блоком питания 17₁ при питании устройства от аккумуляторной батареи или блоком питания 17₂ при питании устройства от сети переменного тока. Напряжения поступают от полюсов блока питания к соответствующим полюсам 11₀…11_2k коммутационной матрицы 9. Блок питания 17₁ в качестве источника питания использует аккумуляторную батарею 15, которая через полюсы 16₁ и 16₂ подключается к преобразователю DC/DC 14. Преобразователь 14 преобразует напряжение аккумуляторной батареи в набор источников постоянного напряжения Е₀…E_2k. Их значения для конкретных значений m и n приведены в таблицах 2…4. Полюсами 26₀…26_2k блок питания 17₁ подключается к соответствующим полюсам 11₀…11_2k коммутационной матрицы. При использовании блока питания 17₂ первичная катушка трансформатора 20 подключается к сети переменного тока. Напряжения с вторичных катушек трансформатора, число которых равно k, поступают на входы схем выпрямления 18₁…18_k. Выходы схем выпрямления подключаются к делителям напряжения на конденсаторах 19₁…19_2k с емкостью С. Делители напряжения выполняют функции фильтров и позволяют получить напряжения положительной и отрицательной полярности величиной E₀…E_2k. Полюсами 25₀…25_2k блок питания 17₂ подключается к соответствующим полюсам 11₀…11_2k коммутационной матрицы 9.

7. Источник информации

1. Патент №2259629, кл. H03B 27/00, 2003, Миронов Л.М., Третьяк Г.А., Благодаров Д.А. Устройство для формирования гармонического сигнала.