Регулятор напряжения с многозонной импульсной модуляцией Советский патент 1983 года по МПК G05F1/20 H02P13/14 

Изобретение относится к электро технике, в частности к преобразова теЛям и регуляторам песюменкого и постоянного напряжений, и может бы использовано при регулировании нап ряжения в большом диапазоне при сохранении высоких энергетических показателей, а также в тех случаях когда требуется высокое быстродействие регулирования и минимальная масса и габариты регулятора. Известны регуляторы напряжения, содержгицие генератор переменной час тоты, соединенный с управляющими цепями ключевых элементов, включенных последовательно с линейным дросселем Однако такие регуляторы позволя ют регулировать напряжение в ограниченном диапазоне, так как снижа йиё частоты приводит к значительно му росту массогабаритных показателей трансформаторов и дросселей . Кроме того, увеличение диапазона регулирования приводит к резкому рю ту искажений. Известны также регуляторы напряжения, содержащие -высокочастотные трансформаторы и регулируе1уие комму таторы (мостовые или с выводом сред ней точки трансформатора), первичные цепи которых соединены параллельно, .а вторичные - последовательно через высокочастотные трансформа торжл, реализующие многозонную импульсную модуляцию. Такие регуляторы вне зависимости от диапазона регулирования имеют высокие энергетические показатели за счет незначительных искажений потребляемого тока и выходного напр женин, а наличие звена повышенной частоты позволяет снизить массу и габариты t2 . Однако такие регуляторы требуют трансформаторной гальванической развязки силовых цепей и цепей управления и характеризуются низкой надежностью при резких изменениях управляющего сигнала, так как это приводит к насыщению трансфО 4ато;ров, цепей управления и высокочастотных силовых трансформаторов. Наиболее близким техническим ре1шением к предлагаемому является регулятор напряжения с многозонной импульсной модуляцией, содержащий Ц параллельно включенных инверторны ячеек на полностью управляемых ключах, к выходам которлх подключены первичные обмотки ц. высокочастотных трансформаторов, вторичные обмотки которых подключены к И выпрямительным мостам, блок управления, включа щий в каждом канале по числу инверторных ячеек задающий генератор и пороговый элемент, первых вход которого предназначен для подключения нап- ряжения управления З. Недостатком известного регулятора являются большие коммутационные паузы выходного напряжения и токи намагничивания, снижающие его технико-энергетические показатели. Это обусловлено тем, что вследствие синхронное.ти работы широтно-импульсных модуляторов п каналов, моменты зак1%1тых состояний всех ключей совпгшают и в выходном напряжении присутствуют паузы, искажающие его форму и увеличивающие его коэффициент пульсаций. В известном регуляторе также не устранена возможность замагничивания сердечников трансформаторов цепи управления и силовых высокочастотных трансформаторов .в случае несимметрии относительной продолжительности включения плеч инвертора, продолжающейся хотя бы несколько периодов коммутации инвертора. Такие режимы возникают при резких изменениях входного управляющего напряжения и создают необходимость применения специальных устройств по борьбе с замагничиванием, снижающих КПД регулятора и повышающих его массу и габариты. . Целью изобретения является повышение технико-энергетических показателей регулятора напряжения. Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе напряжения с многопозиционной импульсной модуляцией К) выпрямительных мостов включены последовательно, блок управления выполнен многоканальным по числу инверторных ячеек, каждый канал которого снабжен расширителем импульсов, инвертирующим каскадом, генератором пилообразного напряжения, сумматором, широтно-импульсным формирователем, неуправляемым и управляемым блоками развязки и усиления, причем второй вход каждого из пороговых элементов предназначен для подключения опорного напряжения, выход его через задающий генератор и расширитель импульсов подключен к генератору пилообразного напряжения, инвертирующему каскаду и неуправляемому блоку развязки и усиления, выход которого подключен к соответствующей паре ключей инверторной ячейки, выходы генератора пилообразного напря жения и инвертирующего каскада подключены к первому и второму входам сумматора, третий вход которого предназначен для подключения сигнала управления, выход сумматора подключен к первому входу широтно-им-ч-. пульсного формирователя, второй вход которого предназначен для подключения опорного напряжения, а выход через управляемый блок развазки и усиления подключен к соответ.ствующей паре ключей инверторной ячейки.

Кроме того, при регулировании переменного напряжения ключиИ упомяну тых вьптрямительных мостов выполнены полностью управляемьвди, при этом управлякядие входы ключей выпрямительных мостов подключены к соответствующим выходам неуправляемых блоков развязки и усиления,

На фиг. 1 приведена функциональная схема регулятора напряжения; на фиг. 2 - временные диаграммы работы узлов- регулятора; на фиг. 3 - эпюры напряжения на нагрузке для известного и предлагаемого регуляторов напряжения; на фиг. 4 - временные диаграммы/ поясняющие устранение возмож. ности замагничивания сердечников трансформаторов регулятора.

Регулятор напряжения содержит и параллельно включенных инверторных ячеек на полностью управляемых ключах 1.If И t 4/ в диагонали высокой частоты которых включены первич ные обмотки высокочастотных транс-форматоров 2.1 - 2.:И /подключенных вторичньми обмотками к входным зажимам вьтрямительных мостов 3.1 - 3.И, соединенных последовательно н подключенных к нагрузке 4. Блок 5 управления, выполнен многоканальным, каждый канал снабжен подключенным к .управлякяцему входу регулятора дополнительным пороговым элементом 6 с задающим резистором 7, .выход которого подключен к задающему, генератору 8 с последовательно соединенными расширителем 9 импульсо связанным с выходом задающего генератора, ч неуправляемым блоком 10 развязки и усиления, подключенным к управляющим входам ключей 1.2, 1. -П.2,Ц .4, Иинвертирующим каскадом 11, вход которого, объединен с входом генератора 12 пилообразного нап ряжения и подключен к выходу расширителя 9 импульсов..

Один вход широтно-ймпульсного формирователя 13 подключен к цепи из пороговых элементов 14, а к второму его входу через сумматор 15 подкошчены выходы генератора 12 пилообразного напряжения; инвертирующего каскада 11 VI управляющий вход регулятора напряжения. Выход ииротно- 1мпуяьсног6 форфирователя 13 че- рёэ управляемый блок 16 развязки и усиления соединен с управляюашми входаш ключей 1.1 и 1..3 инверто 7но ячейки 1. При регулирований переменного напряжения выпрямительные мосты 3.1-3.и и инвёрторные ячей ки 1-й выполнены на полностью управляемых ключах с двухЬторонней проводимостью, при этом упр%вля1о е

входы ключей выпрямительных мостов соединены с выходами неуправляемых блоков 10 развязки и усиления.

На фиг. 2 цифрой 17 показано вы.. ходное напряжение задающего генератора первого канала; 18 - выходное напряжение расширителя 9 импульсов; 19 - выход генератора 12 пилообразного напряжения; 20 - напряжение инвертирующего каскада 11; 21 - управлякяций входной сигнал регулято- . .ра; 22 - сумма напряжений 19, 20 и 21; 23 и 24 - пороговые напряжения задающего генератора 8 и ыиротноимпульсного формирователя 13; 2-5 выходное напряжение имротно-импульсного формирователя;26,27,28 и 29 соответственно входной сигнал пиротно-импульсного формирователя, пороговые напряжения задаквдего генератора и широ.тно-импульсного формирователя и выходное напряжение пиротно-импульсного формирователя второго канала; 30 и 31 - выходные напряжения неуправляемого блока 10 развязки и усиления; 32 и 33 - напряжения управляемого блока 16 развязки и усиления, 34 - выходное напряжение инвертора первого канала; 35 - напряжение на выходе выпрямительного моста первого канала; 36 - выходное напряжение регулятора; 37 - среднее значение напряжения на нагрузке;

На фиг. 3 эпюр.а 38 означает напряжение на выходе выпрямительного моста первого канала с учетом коммутационных пауз напряжения; 39, 40 и 41 - выходные напряжения выпря мительных мостов последующих каналов; 42. - выходное напряжение регулятора с широ,тно-импульсным управлением; 43-46 - напряжения на выходе выпрямительных мостов предлагамого регулятора, 47 - его суммарное выходное напряжение.

На фиг. 4 эпюра 48 отображает входной управляющий сигнал регулятора; 49-50 - соответственно напряжение на обмоТке высокочастотного трансформатора и индукция в его сердечнике для регулятора с широтноимпульсным управлением; 51 -.Граница насыщения сердечника; 52 и 53 - напряжение на обмотке, высокочастотного трансформатора и индукция в его сердечнике Для предлагаемого ре гулятора при входном управляющем синале 48..

Регулятор работает следующим образом.

При включении питающего напряжения и отсутствии управляющего входного сигнала Вещающий генератор В (выполненный на компараторе, к одному из входов которого приложено опоное напряжение, а к другому присоединена емкость времязадающей ЯС-цепи, шунтированная транзистором, база которого связана с выходом компа ратора) формирует импульсы 17, частота которых определяется опорным на ряжением дополнительногопорогового элемента б.Импульсы18 с выхода расш рителя 9 импульсов поступают на вход неуправляемого блока развязки и усич Ленин, выполненного на основе Зк-триН гера с последовательно соединенными усилителем мощности по нулевой схеме и развязывакмцим трансформатором. Неуправляе1 ый 6:rtoK развязки и усиления формирует напряжения 30 и 31, управ ляющие ключами 1.2 и. 1.4 первой инверторной ячейки.

Кроме того, импульсы 18 поступают в инвертирующий каскад 11, выполненный на логическом элементе 2И-НЕ, который формирует напряжение 20, и на вход генератора 12 пилообразного напряжения, формирующего сигналы 19, равные по длительности импульсам 18 и 20. Поступающие на сумматор 15 напряжения 19, 20 и 21 складываются в сигнал 22, который сравнивается в широтно-импульсном формирователе 13 с опорным напряжением 24, равным по величине сумме амплитуд напряжений 19 и 20. Выходное напряжение 25 на выходе широтно-импульсного формирователя равно нулю, что определяет отсутствие сдвига по фазе выходных напряжений 32 и 33 управляемого блока 16 развязки и усиле- . ния относительно 30 и 31. Ключи инвертора работают по циклу 1.1 и 1.2, 1.3и 1.4. Выходное напряжение 34 инверторной ячейки, так же как и напряжение 35 выпрямительного моста первого канала, равно нулю, напряжение на выходе регулятора отсутствует.

При появлении входного управляющего сигнала 21 напряжение 22 на входе широтно-импульсного формирователя 13 превышает.пороговое значение 24 и на управляемый блок 16 развязки и усиления поступают импульсы 25, частота которых постоянна, а относительная длительность увеличивается пропорционально сигналу управления 21. Управляемый блок 16 развязки и усиления формирует управляющие напряжение 32 и 33, сдвинутые относительно напряжений 30 и 31 на величину длительное ; ти импульса 25. Диаграммы 30-33 в этом режиме соответствуют одноврет менному замкнутому состоянию ключей 1.1 и 1.2, 1.2 и1.3, 1.3 и 1.4 1.4 и 1.1. .

В результате, к первичной обмотке высокочастотного трансформатора . первого канала прикладывается напряжение 34, а на выходе выпрямительного моста. - импульсная последовательность 35, относительная длительность импульсов которой пропор(циональна управляющему входному сиг.налу. К моменту времени t, когда входное напряжение широтно-импульсного модулятора 13 достигает порогового значения 23, равного по величине сумме порогового напряжения 24 и пилообразного 19, фиксируется длительность импульсов (fttMCKc фиг. 2) В этот момент управляющее входное напряжение 21 превышает(опорное напряжение порогового элемента 6 и частота задающего генератора 8 растет соответственно управляющему входному сигналу регулятора, за счет чего относительная длительность выходных импульсов широтно-импульсного формирователя 13 с дальнейиим увеличением управляющего сигнала стремится к единице, а диаграмма одновременного замкнутого состояния ключей - к режиму 1.2 и 1.3, 1.4 и 1.1. Среднее значение напряжения на выходе выпрямительного моста 3.1 приближается к своему максимальному уровню.

В момент времени: tg порюговый элемент 6 ограничивает величину поступающего на задающий генератор & управляющего напряжения, тем самым устанавливая частоту защающего генератора первого канала на максимально уровне. В.этот же момент времени суммарный сигнал 26 на входе широтно-импульсного формирователя второго канала достигает порогового эначения 28 и на вход управляемого блока развязки и усилении второго канала начинают поступать импульсы 29, длительность которых растет до дости жения напряжением 26 уровня 27, затем начинается частотно-импульсная модуляция во втором канале.

С последующим ростом входного управляющего сигнала вступают в действие все каналы, вплоть до VI-ного, каждый из которых работает lio замкнутому циклу, сперва с широтно-импульсной, затем с частотно-импульсной модуляцией. На эпюре 36 изображе но напряжение на выходе регулятора и среднее значение мгновенного напряжения на нагрузке 37, образованные суммой напряжений всех каналов при произвольно нарастающем входном управляющем сигнале без учета коммутационных пауз напряжения как управляющей, так и силовой цепи.

На фиг. 3 изображены эпюры вы-. Ходных напряжений известного и пред. лагаемого регуляторов при нарастающем сигнале.управления с учетом коммутационных пауз напряжения. При увеличении управляющего входного сигнала от нулевого уровня в регуляторе- с широтно-импульсным управлением (прототипе) вступает в действие инвертор первого канала, на

выходе вьтрямительного мо.ста формиг руется напряжение 38, относительная длительности импульсов которого изменяется от нуля до максимальной величины, определяемой длительностью паузы, необходимой для переключения ключей инвертора. При достижении :длительности импульсов напряжения иа выходе выпрямительного моста первого канала максимального значения вступает в действие второй канал, напряжение на выходе вш1рямительного моста которого показанЬ на эпюре 29, затем третий канал (40), четвертый (41) и т.д.

Суммарное напряжение на выходе регулятора показано на эпюре 42. Как видно из эпюры 42, при любом уровне выходного напряжения сохраняются коммутацирнны1Ь паузы, частота которых равна частоте задающего генератора. Ввиду синхронности работы схем управления, паузы: напряжения всех каналов приходятся на одни и те же моменты времени, что и определяет повышение пульсации выходно-го напряжения.

В предложенном регуляторе напряжение на выходе выпрямительных мостов (эпюры 43-46) изменяется в каждом канале сначала по закону имротнО импуль-сной, затем по закону частотно-импульсной модуляции. В результате нарушается синхронность работы каналов регулятора и коммутационные паузы напряжения не совпадают во времени. Из эпюры 47 суммарного выходного напряжения регулятора видно, что а11шлитуда пульсаций выkoднoгo напряжения предлагаемого регулятора значительно меньше (особенно npv. большом каналов и.), чем у известного. Это позволяет обводиться меньшими фильтрами для -Обеспечения того же коэффициента пульсаций.

.Кроме того, в случае несиютетрии относительной продолжительности включения плеч инвертора (например, при входном управляющем сигнале, изображенном на эпюре 48 фиг. 4) хотя бы в течение небольшого числа периодов ко(104утации инвертора, что показано на эпюре 49, неизбежно следует замагничивание сердечника высокочастотного трансформатора, кривая

изменения индукции которого показа. на на эпюре 50, где линия 51 означа ет насыщение сердечника.

Меры по борьбе с замагничиванием .

снижают технико-энергетические показатели регулятора. В предложенном регуляторе напряжения за счет применения частотного регулирования исключены режимы, благоприятствую.

щие замагничиванню сердечников. Так как при частотном регулировании напряжение на выходе инвертора при котором отображено на эпюре 52, продолжитеяьность импульсов напряжения

S остается постоянной, сердечники перемагничиваются до определенной постоянной величины индукции (эпюра 53) и замагничивания не происходит.

Таким образом, предложенное решение позволяет регулировть как переменное, так и постоянное напряжение, во всем диапазоне с сохранением высоких технико-энергетических показателей за счет незначительного

5 коэффициента искажений выходного напряжения, величина которот-о может быть выбрана сколь угодно малой увеличением числа ц инверторных ячеек. С другой стороны., минимальные искажения на промежуточной повышенной частоте позволяют устанавливать небольшие и компактные фильтрующие устройства с постоянными времени, не превышающими несколько

полупериодов напряжения повышенной

частоты либо вообще отказаться от фильтров, так как искажения, опреде- , ляюише массу и габариты входных и выходных фильтров, снижаются до зна

чений, не превышающих требований

гост к качеству электроэнергии.

Кроме того, предложенное решение дает возможность обходиться без дополнительных устройств по орьбе с замагничиванием. Это позволяет

существенно повысить быстродействие регулирования, уменьшить коэффициент пульсаций выходного напряжения регулятора, повысить его КПД, расширить диапазон регулирования час-

тоты и напряжения, снизить TOKW . намагничивания и на этой основе исключить аварийные режимы инверторных ячеек, повышая-тем самым техникоэнергетические показатели.

г ЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ С МНОГОЗОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ, содёржаофий и параллельно включенных инверторяых ячеек на полностью управляемых ключах, к выходам которых подключены первичные обмотки И высокочастотиых трансформаторов, втo ричные обмотки которых подключены к и выпрямительным мостам, блок . управления, включающий в кг1ждси4 кана ле по числу йиверторйых ячеек задаю1ЦИЙ генератор и пороговый элемент, первый вход которого предназначен для подклк1чения напряжения управления, о тли ч а ю щ и И с я тем, что, с целью повыщения техникоэнергетических показателей,VI выпрямительных мостов включеМл последовательно, блок управления выполнен многоканальным по числу инверторных ячеек, кажда1й канал которого снабжен расширителем импульсов, инверт , тирующим каскадом, генератором пилообразного напряжения IT сумматором, ииротно-импульсным формирователем, неуправляемым и управлЯемьв4 блоками развязки и усиления, причем второй вход каждого из пороговых элементов предназначен для подключения опорного напряжения, выход его через задающий генератор- и расииритель импульсов.подключен к генератору пилообразного напряжения, инвертирующему каскаду и неуправляемому блоку развязки и усиления, выход которого подключен к соответствую§ щей паре ключей инверторной ячейки, выхода генератора пилообразного напрйжения и инвертирующего каскада подключены к первому и второму входам cjWMaTopa, третий вход которого предназначен для подключения сигнаfi ла управления, выход сумматора под ключен к первому входу ииротно-импульсного формирователя, второй вход которого предназначен для подэ ключения опорного напряжения, а вы-ход через управляемый блок развязки NS и усиления подключен к соответствую Э щей паре ключей инверторной ячейки. 2. Регулятор по п; 1, о т Л и-чающийся тем, что про. регуND лировании переменного напряжения ключи VI упомянутых выпрямительных мостов выполнены полностью управляемыми, при этом управлякхцие vxoma ключей выпрямительных мостов подключены к соответствующим выходам неуправляемых блоков развязки и усиления.

д ппптгптп

ппп.

пп

9

I

п п

0

П

D

innfUB

D

о

I о ПППП

Р

uz 4

8

9

у

iUi

I И