专利名称：一种直流电转换为交流电的装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种直流电转换为交流电的方法及装置，属于二次电源技术， 特别是涉及一种将飞机上27V直流主电源转变成单相或多相交流电源的方法及装置。
背景技术：
在航空电源系统中，需要将飞机上27V的直流主电源转换成115V或36V， IKHZ的单相或三相交流电源，供飞机上的一些用电设备使用。目前飞机上所用的航空 电源系统采用的旋转变流机，它虽然具有输出频率稳定、电路结构简单、输出波形失真 小，对其它用电设备干扰小的特点。但由于旋转变流机体积大，重量重，成本高，效率 低，输出电压精度不高、负载突变时电压恢复慢，连续工作时间短等缺点，越来越不能 满足现代飞机及用电设备的需要。
发明内容本实用新型的目的在于，提供一种直流电转换为交流电的方法及装置，可保持 现有飞机供电系统的优点，进一步减小飞机供电系统的体积和重量，降低成本，提高效 率，以满足现代飞机及其它用电设备的需要。本实用新型的技术方案一种直流电转换为交流电的装置，包括依次连接的时 钟电路、分相电路、功率放大电路、变压器和滤波电路，在分相电路与功率放大电路的 连接处设有升压电路。前述的直流电转换为交流电的装置中，所述时钟电路包括晶体振荡器M，晶体 振荡器M的固有频率为3072kHz，晶体振荡器M与电阻Rl并联后再与电容C2串联；电 容C2两端的3072kHzX4 = 12288KHz信号和晶体振荡器M两端的3072kHz信号分别与 二进制振荡器N2连接。前述的直流电转换为交流电的装置中，所述分相电路包括J-K触发器Dl D6， J-K触发器D2 D6经整形电路Nl与二进制振荡器N2的12KHz输出端连接；J-K触发 器Dl经双J-K触发器N5和异或门N3与二进制振荡器N2的3KHz输出端连接。前述的直流电转换为交流电的装置中，所述功率放大电路包括功率放大器Pl P5,功率放大器Pl P5分别与J-K触发器Dl D6的输出端连接。前述的直流电转换为交流电的装置中，所述变压器的原边包括6η个线圈，每个 线圈包括5个绕组，通过6η个线圈中不同绕组的相互串联，实现阶梯波叠加及3η相交流 电压的变换，交流电压按星形或三角形连接；所述变压器有6η组线圈，通过6η组线圈之 间绕组的串联，实现阶梯波叠加及3η相交流电压的星形或三角形连接，构成一组3η相交 流电源输出。与现有技术相比，本实用新型通过分相电路将直流电源转换成相互之间相差 η/6η的一组准方波，通过功率放大电路功率放大后，利用特殊设计的变压器将6η组 准方波按正弦(或余弦)幅值规律叠加成近似于正弦波的阶梯波，抵消掉其中的高次谐波；在变压器的副边通过滤波处理后，获得纯净的3η相交流电源。可进一步减小机载 供电系统的体积和重量，降低成本，提高效率，以满足现代飞机及用电设备的需要。并 且保持了现有飞机供电系统的优点。本实用新型具有输出频率稳定、输出电压精度高、 负载突变时电压恢复快，效率高，输出波形失真小，对其它用电设备干扰小，连续工作 时间长等特点。特别适合于直流27士4V输入环境、带均衡非线性负载能力强、变换效 率高。特别是在三相、六相乃至九相交流变换中，电路相对较简单。适用于航空航天机 载、导载等供电领域。本实用新型已应用于多种机载电源产品中，为高效率，低失真度，大功率，多 相输出的DC/AC电源设计开发以及推广应用开辟了新思路。该DC/AC变换技术方案是一种新颖的二次电源设计思路，具有效率高，可靠性 高、输出功率大、稳定性高等特点，为我国DC/AC电源的设计积累了宝贵的经验。其产 品可广泛用于航空、航天飞机及相关用电设备供电。本实用新型特别适于直流27士4V输入环境，特别是在三相、六相乃至九相交流 变换中，相对简单的电路却具有带均衡非线性负载能力强、变换效率高、可靠性高的效
图1是本实用新型的电气原理及波形变换图；图2是六分相电路的电气原理图；图3是变压器的接线示意图；图4是准方波波形图；图5是六分相准方波叠加形成的阶梯波波形图。附图中的标记为1-时钟电路，2-分相电路，3-功率放大电路，4-变压器， 5_滤波电路，6-升压电路。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但不作为对本实用 新型的任何限制依据。实施例。本实用新型如图1所示。一种直流电转换为交流电的装置，包括依次 连接的时钟电路1、分相电路2、功率放大电路3、变压器4和滤波电路5，在分相电路2 与功率放大电路3的连接处设有升压电路6。所述时钟电路1如图2所示，包括晶体振荡 器M，晶体振荡器M的固有频率为3072kHz，晶体振荡器M与电阻Rl并联后再与电容 C2串联；电容C2两端的3072kHzX 4 = 12288KHz信号和晶体振荡器M两端的3072kHz 信号分别与二进制振荡器N2连接。所述分相电路2如图2所示，包括J-K触发器Dl D6，J-K触发器D2 D6经整形电路Nl与二进制振荡器N2的12KHz输出端连接；J-K 触发器Dl经双J-K触发器N5和异或门N3与二进制振荡器N2的3KHz输出端连接。 所述功率放大电路3如图2所示，包括功率放大器Pl P5，功率放大器Pl P5分别与 J-K触发器Dl D6的输出端连接。所述变压器4如图3所示，变压器的原边包括6η个 线圈，每个线圈包括5个绕组，通过6η个线圈中不同绕组的相互串联，实现阶梯波叠加及3η相交流电压的变换，交流电压按星形或三角形连接；所述变压器4有6η组线圈，通 过6η组线圈之间绕组的串联，实现阶梯波叠加及3η相交流电压的星形或三角形连接，构 成一组3η相交流电源输出。本实用新型的工作原理本实用新型是通过3η (η为自然数)分相电路将直流电源转换成相互之间相差 η/6η的一组准方波，通过功率放大电路功率放大后，在变压器的原边将6η组准方波按 正弦幅值规律叠加成近似于正弦波的阶梯波，抵消掉其中的高次谐波；在变压器的副边 通过滤波处理后，获得纯净的交流电源。所述分相电路采用晶体振荡器作为振荡源，构 成RC时钟电路，晶体振荡器分频出两路输出；一路用以获得稳定的工作频率，另一路经 整形后提供触发信号，触发信号的间隔为η/6η电导角。所述近似于正弦波的阶梯波是 单相阶梯波或是相差η/3η度电角度的3η相阶梯波。所述变压器的原边由6η组完全相同 的线圈组成，线圈按星形或三角形连接，每组线圈由5个匝数不等的绕组构成，通过对5 个绕组的串联组合来实现正弦交流电的正、负半周的叠加。所述变压器的副边有6η组线 圈，通过6η组线圈之间不同绕组的相互串联，实现阶梯波叠加及3η相交流电压的星形或 三角形连接，构成一组3η相交流电源输出。所述的功率放大电路之前设有升压电路，用 以提升输入电压，实现输出端电压的稳定。所述的变压器副边输出的类正弦交流电压经 LC滤波后输出。下面以“六分相准方波叠加-谐波抵消”的直流电转换为三相交流电的方法及 装置做具体说明，“六分相准方波叠加-谐波抵消”技术，关键是靠特殊设计的变压器功 率转换及谐波抵消连接实现的。所用的变压器称为“六合一变压器”。并联开关升压器 的作用在于提升输入电压，以控制输出端电压的稳定。为保证频率稳定，采用晶体振荡 器产生12ΚΗζ时钟触发六分相电路产生彼此相移η /6的六级准方波。六相准方波通过桥式功率激励放大后，驱动“六合一变压器”原边，通过变比 关系产生副边多重绕组的幅值变换，按正弦(或余弦)幅值规律“抵消谐波”连接成所 需电压有效幅值阶梯三相，然后星形连接，经三相LC滤波电路，实现双三相输出。六分相电路的电原理图见图2。六分相功率驱动电路输入直流27V电压，数字 电路部分输入5V电压(也可由27V变换5V供电)。这里以型号为Τ078的J-K触发器 Dl输出IKHz方波为例，振荡频率为3072kHz的晶体振荡器M通过型号为CT4060的二 进制振荡器N2分频出12KHz和3KHz两路输出。3KHz输出经型号为T079的双J-K触 发器N5和型号为T4086的异或门N3实现2KHz输出电压，给J-K触发器Dl提供2KHz 的触发输入信号。12KHz输出通过型号为T067的整形电路Nl整形并略延时后提供给型 号为T078的J-K触发器D2 D6触发信号。根据J-K触发器Dl D6触发信号的差别
(J-K触发器Dl的触发信号为2kHz，J-K触发器D2 D6的触发信号为12kHz)，J-K 触发器Dl完成一个方波输出的时间内，分别依次触发了 D2 D6五次，且每次触发时间 为1/6周期。通过以上变换，J-K触发器Dl D6产生彼此相移π/6 (对应30°电导 角)的六相准方波。六合一变压器是实现阶梯波叠加_谐振滤波的关键。“六合一变压器”由6组 线圈组成，每组线圈有5个匝数不等的绕组。完成六相准方波叠加的过程实际就是绕组 匝比的叠加过程，在叠加过程中，应注意同名端极性的变换，来实现正弦波正、负半周的叠加。 图3为六合一变压器谐波抵消接线图，变压器TB是“六合一”功率变压器，图 中示意的是关于变压器对某三相交流正弦波变换原理。六分相驱动方波信号Ql Q6， 按一定的规律组合经单元环六分相桥式功率开关电路放大以后，推动变压器TB原边线圈 Al-Bl-Cl (或A2-B2-C2) “Δ”形连接环工作，使按正弦幅值规律设计的TB副线 圈(多级串联)在“Y”形连接环上各自叠加，输出彼此相差120°的三相正弦波UA、 UB、UC波形。
0028]“方波叠加_谐波抵消”的原理
0029]图4为六分相后未叠加时的准方波波形图。
0030]准方波付立叶级数展开式
0031]f ( ω t) =4Ε/ π [οοβΦβ ηω +Ι/βοοββΦβ ηβω +Ι/δοοβδΦβ ηδω +
0032] 六波依次序相移30°电导角的准方波付立叶级数展开
0033]fl(cot)=4El/
0034]f2 ( ω t) =4E2/
0035]
ω t~2 π
0036]
ω t_3 π
0037]
ω t_4 π
0038]
f3 ( ω t) =4E3/ /6) +…] f4 ( ω t) =4E4/ /6) +…] f5 ( ω t) =4E5/ /6) +…] f6 ( ω t) =4E6/
τι [cos Φ sin ω t+l/3cos3 Φ sin3 ω t+l/5cos5 Φ · sin5 ω t+ * · ·] π [cos Φ sin ( ω t- π /6) +l/3cos3 Φ sin3 ( ω t_ π /6) +l/5cos5 Φ sin5 (
π [cos Φ sin (ω t-2 η /6)+l/3cos3 Φ sin3 (ω t-2 π /6)+l/5cos5 Φ sin5 π [cos Φ sin (ω t-3 η /6)+l/3cos3 Φ sin3 (ω t-3 π /6)+l/5cos5 Φ sin5 π [cos Φ sin (ω t-4 η /6)+l/3cos3 Φ sin3 (ω t-4 π /6)+l/5cos5 Φ sin5 π [cos Φ sin (ω t-5 η /6)+l/3cos3 Φ sin3 (ω t-5 π /6)+l/5cos5 Φ sin5
cot-5 π /6) + *··]
0039]基波叠加
0040] 6) +
0041]
0042]
0043]cos ω t[ (E2+E6) sin π /6+ (E3—E5) sin π /3+ E4]}
0044]
0045]
ω t-3 π /6) +E5sink (ω t_4 π /6) +E6sink (ω t_5 π /6)]
0046]
0047]
0048]
f (Al) =4/ π cos Φ [El sin ω t+E2sin ( ω t_ π /6) +E3sin (ω t_2 π /6) +E4sin (ω t_3 π
E5sin (ω t-4 π /6) +E 6sin (ω t_5 π /6)]
= 4/3 οο8Φ{ sin ω t [El+ (E2-E6) cos π /6+ (E3-E 5) · cos π /3]-
高次谐波叠加通式
f (Ak) = 4/k π cos Φ [ΕIsink ω t+ Ε2 sink (ω t- π /6) + E3sink (ω t_2 π /6) + E4sink
(k=2n+l η=0,1,2, ·,⑴) 推论a)当取Φ= π/6时，贝ljcos3 0=0
f (Ak)=O 叠加波的3次、9次、15次、21次等k=6n+3次高次谐波自然抵消为0，即 但k=12n士 1次高次谐波同基波抵消条件相同，只能靠滤波器加以滤除。 当令准方波幅值E1=E4=0、E2=E6、E3=E5时，基波波形表达式推导为 f (Ak) =Em cos ω t。 其中Em为余弦波幅值。[0051]b)通过相移和叠加后波形叠加示意如图5。c)六分相准方波叠加在没有输出滤波器的情况下波形失真度为为保证换流器波形失真度满足技术指标，输出端加入滤波器，便可达到不大于 5%，得到标准的正弦波。“阶梯波叠加_谐波抵消”技术的波形变换过程见图1。
权利要求1.一种直流电转换为交流电的装置，其特征在于包括依次连接的时钟电路(1)、 分相电路(2)、功率放大电路(3)、变压器(4)和滤波电路(5)，在分相电路(2)与功率放大电路(3)的连接处设有升压电路(6)。
2.根据权利要求1所述的直流电转换为交流电的装置，其特征在于所述时钟电路(1)包括晶体振荡器M，晶体振荡器M的固有频率为3072kHz，晶体振荡器M与电阻 Rl并联后再与电容C2串联；电容C2两端的3072kHzX4 = 12288KHz信号和晶体振荡 器M两端的3072kHz信号分别与二进制振荡器N2连接。
3.根据权利要求1所述的直流电转换为交流电的装置，其特征在于所述分相电路(2)包括J-K触发器Dl D6，J-K触发器D2 D6经整形电路Nl与二进制振荡器 N2的12KHz输出端连接；J-K触发器Dl经双J-K触发器N5和异或门N3与二进制振荡 器N2的3KHz输出端连接。
4.根据权利要求1所述的直流电转换为交流电的装置，其特征在于所述功率放大 电路(3)包括功率放大器Pl P5，功率放大器Pl P5分别与J-K触发器Dl D6的 输出端连接。
5.根据权利要求1所述的直流电转换为交流电的装置，其特征在于所述变压器 (4)的原边包括6η个线圈，每个线圈包括5个绕组，通过6η个线圈中不同绕组的相互串联，实现阶梯波叠加及3η相交流电压的变换，交流电压按星形或三角形连接；所述变 压器(4)有6η组线圈，通过6η组线圈之间绕组的串联，实现阶梯波叠加及3η相交流 电压的星形或三角形连接，构成一组3η相交流电源输出。
专利摘要本实用新型公开了一种直流电转换为交流电的装置。其装置包括依次连接的时钟电路(1)、分相电路(2)、功率放大电路(3)、变压器(4)和滤波电路(5)，在分相电路(2)与功率放大电路(3)的连接处设有升压电路(6)。本实用新型该通过3n(n为自然数)分相电路将直流电源转换成相互之间相差π/6n的一组准方波，通过功率放大电路功率放大后，在变压器的原边将6n组准方波按正弦幅值规律叠加成近似于正弦波的阶梯波，抵消掉其中的高次谐波；在变压器的副边通过滤波处理后，获得纯净的3n交流电源。可保持现有飞机供电系统的优点，进一步减小飞机供电系统的体积和重量，降低成本，提高效率，以满足现代飞机及用电设备的需要。
文档编号H02M1/12GK201805365SQ20102054027
公开日2011年4月20日 申请日期2010年9月25日 优先权日2010年9月25日
发明者汤君凤, 穗贵良, 郑和俊 申请人:中国江南航天工业集团林泉电机厂