Регулятор напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием Советский патент 1983 года по МПК H02M7/48 H02P13/16 

Изобретение относится к преобразованию и регулированию электрической энергии и может найти применение в усилителях сигналов звуковой частоты, амплитуа- ных модуляторах, быстро перестраиваемых к глубокорегулируемых вторичных источниках электропитания при высоких энергетических показателях с минимальными массой и габаритами. Известен регулятор напряжения со звеном невышенной частоты, в котором высокочастотный трансформатор инвертора содержит 1 вторичных обмоток, поцклю- ченных к диагоналям мостовых модуляторов и соединенных последовательно друг с другом. Система управления обеспечивает работу полностью управляемых полупроводниковых ключей демодуляторов таким образом, что реализуется многозонная широтно-импупьсная модуляция регулиру- емого напр$)жения. Данный регулятор позвопяет осуществить регулирование выходного напряжения в большом диапазоне с незначительными искажениями при любой глубине модуляции l . Основным недостатком регуляторов подобиого типа является то, что при большом числе ячеек, когда необходимо высокое качество электроэнергии, послеарвательно с нагкгзкой включается большое число ключевых элементов, что существенно снижает КПД и усложняет устройство. При большом напряжении нео ходимо иметь трансформвто| в 1 управления с изоляцией на это напряжен ие что суще ственно повышает габариты, а при малых напряжениях и больших токах показатели ухудшаются из-за повышенного падения напрвжения на ключах. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регулятор напряжения с промемсуточным высоко: частотным преобразсжанвем, содержащий инвертор, соединенный с задающим гене- оратором, а мскхуляиисшных ячеек с согласующими трансформаторам HrKOTojHJe вто жгчнымя обмоткамя подключены через демодулятор и фильтр к вагруа&е,- а так блок управления ячейками соеолненный с управляющим входом регулятора 2 . В этом регуляторе частично устраняются ранее указанные недостатки, но. соаервкится столько же мостовых модуляажжных ячеек, в которых прн большом напряжении источника (пггавия (часто вььпрямленное напряжение промышленнсА сети) требуется повышенное количество клю чевых элементов на напряжение сети, Что повышает габариты и массу. Кроме того, через ключевые .элементы всегда течет ток при любом уровне регулируемого на- цряжэния, что естественно понижает КПД устройства в целом. Большое количество ключей неоправданно усложняет устройство. Цель изобретения - упрощение, повыщение КПД во всем диапазоне регулирова- ния, уменьшение массы и габаритов Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе напряжения с промежутхучным высокочастотным преобразованием, содержащем инвертор, соединенный с за- аающим генератором, Ц модуляционных ячеек с согласующими трансформаторами, своими вторичными обмоткамиг подключенными через демодулятор и фильтр к ВЫХСЧ1НЫМ, выводам, а также блок управления ячейками, соединенный с управляк щим входом регулятора, каждая моауляцишшая ячейка выполнена из соецинениых последовательно первичной обмотки трансформатора и полупроводникового ключа, а все ячейки параллельно подключены к силовому выходу инвертора, причем управляющие входы ключей соединены с блоком управления, выполненным из модуляторов длительности, импульсов с нарастающими от irapeoro к последукшему уровням опорного напряжения, подключенных к выходу фо(Яу ирователя управляю 1ШГО сигнала; один вход которого связан с задакяднм генератором,.а второй образу ет управляющий вход регулятора. С целью расширения функциональных возмсжностей силовой выход инвертора образован введенным трансформатором. Для уменьшения аинамнческнх потерь, выход задающего генератора, свя:занный с инвертором, образован делителем частоты. Кроме того, в блоке управления первый вход образован генератором линейно изменяющегося напряжения, подключенно го к сумматору, второй вход - другим входом этого сумматора, выходом соеди;Ввнного с модуляторами длительности импульсов, дополнительные входы которых соединены с узлами последователмых резисторов, попключенных к источнику onopioro напряжения. На фиг. 1 и 2 приведены фун.кциональ-нью схемы регулятора напряжения; на (Jar, 3 - блок-схема управления регулятором напряжения; на фиг. 4 к 5 диаграммы, поясняющие работу регулятора. J1O Регулятор напряжения с промежуточным высокочастотным преобразова};ием. (фиг. 1 и 2) содержит инвертор 1 на ключах 2-5, соеаиненных с задающим генератором 6, Ц модуляционных ячеек 7 с трансформаторами 8 и полупроводниковым ключом 9 переменного тока в каждой, подключенных параллельно силовому выходу Ю, 11 инвертора. Вторичные обмотки трансформаторов 8 подключены через демодулятор 12 я, фильтр 13 и нар рузке 14. Управляющие ккоды ключей 9 подсоединены в блоке 15 управления через модуляторы 1в длительности ймпульсов к формирователю 17 управляюще- tjS

го сигнала, образующему своим входом вход 18 регулятора.,

В регуляторе напряжения Чфйг. 2) силовые выходы 1О и 11 инвертора образованы вторачной обмоткой 19 согласующего трансформатора 2О, у которого первичная обмотка 21 подключена к диагонали мостового инвертора 1,. причем силовой выход 11 инвертора заземлен. Первый вход..22 формирователя 17 управляющего сигнала (фиг. 3)образован генератором 23 линейно изменякщессшя напряжения, так же, как и втброй вход 18, подключен к сумматору 24, связанному с модуляторами 16 длительности импульсов.Выход задающего генератора 6, соединенный с инвертором 1, может быть об разован делителем 25 частоты. На фвг. 4 в 5 показаны временные диаграммы в наиболее ха рактерных точках схемы: 26 -форма напрвжения на выходе (швертора; 27 - входной сигнал; :28 - треугольное напряжение с выхода генератора 23 линейно иамешиощегося напрЕокенйя после суммирования его со входным сигналом в сумматоре 24{ 29 - уровни напряжения с которых начинают работать модуляторы 16 длительности импульсов, на выходе которых формируется сигнал 3Q-32 управления ключами 9; 33-35 - напряжение на обмотках трансформаторов 8 модуляционных ааеек 36- су.ммартый сигнал яа выходе демодулятора (выпрямителя - сумматора); 37- напряжение на нагрузке после фильт ра; 38 - TftKTbi работы инверггора; Регулятор напряжения с промежуточны высокочастотным преобразованием (4я1г. 1 и 2) работает следующим образом. Задающий генератор 6 формирует прямоугольное напряжение повышенной

ты, преобразуется в сигнал, модулированный по длителыюсти ЗО-32, у которого полсис ательная полирность соответ ствует замкнутому ключу (интервал tg

на фиг. 4), а отрицательная - разомкнутому (интервалы tp t на фиг. 4).

Эти сигналы управляют .ключами 9, поочередно подключающими требуемое число трансформаторов, на обмотках

которых формируется напряжение 33-35. Эти напряжения затем суммируются и вьшрямляются в демодуляторе 12, который выполнен из П последовательно соединенных вьшрямител й, в результате 71 частоты, которое подается на управление ключевыми элементами 2-5 инвертора 1, преобразующего напряжение сети (например, .постоянное) в переменное (фиг. 4, кривая 2б с частотой задающего генера тора 6. При нулевом входном сигнале 27 все модуляционные ячейки 7- отключены ключами 9 от силового выхода 10, 11 инвертора 1. При нараста|1ии (спадании) входного сигнала 27 результат суммиро- вания 28 с треугольным напряжением (суммирование осуществляется в форм рователе 17 управляющего сигнала) в модуляторах 16 длительности ш лпульсов. настроенных на разные уровни 29 рабофоЕмируется напряжение, пропощиональное входному 36, которое фильтруется фильтром 13 и поступает в нагрузку 14. , Для того, чтобы иметь возможнрсть управлять ключевыми элекюнтами 9 мо- ду)Я1иионных ячеек 7 относительно обшей, заземленной щины, силовой выход инвертора 1 образован трансформатором 20. Это дает возможность использовать любые ключи в ячейках. Увеличение массы при высокой частоте преобразовав ния за счет т{ополнительного трансформатора незначительное и оправдано из-за . простоты управления ключами так как не требуется допопнителысых трансформаторов управления. С целью уменыаения динамических потерь задающий генератор 6 соединен с инвертором 1 через делитель 25 частоты. На фиг. 5 показан режим работы, который аналогичен описанному, но инвер тор 1 работает на пониженной частоте, а модуляторы длительности и ключи ячеек так же, как и ранее. Качество выходного напряжения повышается за счет уменьшения количества переключений 38 (фяг, 4 и 5), при которых, как правило,, формируют паузу для нормальной работы янвертора. Форма и частота пульсаций точно такая же. Уменьшаются и аинамические потери в инверторе и трансформаторах. В том и другом случаях ключи мо дуляционных ячеек работают в режиме переключения только тогпа, когда ивет плавное широтно-импульсное регулирование и только в оаяой ячейке, в других же режимах или ключ открыт независимо от инвертора, или же закрыт, так как ключ 9 может быть как угодно долго открыт или закрыт. Предлагаемый регулятор выгодно отличается от прототипа, так как существен но уменыиается количество ключевых эле ментов, что упрснцает как управление, так и сам регулятор, а это неизбежно уменг шает массу и габариты. Так как при малых уровнях выходного напряжения ячейки полностью отключены и не потребляют ток (через ключи не течет ток от других ячеек), повьпиается средневзвешенный КПД. КПД вьшде за счет меньше го количества элементов (ключей). Качество выходного напряжения и быстродействие не ухудшаются, а с применением делителя частоты в задающем генераторе могут быть существенно повьщ1ены. Удается при тех же габаритах увеличить количество ячеек, что повышает качество преобразовательнсЛ .электроэнергии. Предлагаемый регулятор испытан на анодном модуляторе мощностью 200О и 5ОО ВА, в нем удалось по сра&нению с прототипом уменыпить массу в 2-3 раза, а КПД довести до 96%.

1. РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ПРЕОБРАЗСЖАНИБМ, соаержашай ювертор, соеаиненный с ааваюшкм генератором, h моауляовонных ячеек с согласующими трансформаторами, своими вторичиь1мн обмотками пооключевными через пемоаулятор в фильтр к выхоаным «ыво::вам, а также блок Я1рввпвняя ячейками. соеаи1юниый с управляющим шсооом регу лятора, отличающий ся тем, что, с целью упрощения, повышеню КПД в зацавиом аиапазоае регулирования, уменьшения массы в габаритов, кажаая моауляоионная ячейка выполнена в сое« аиненных послеоовательао пе1 нчной об мотки трансформатс и П0)лупр(жсч1нико вого ключа, а все ячейки 1кщкл1о 11вны паллельно к силовому вивертора. при этом управляют вхоаы ключей соеавнены с блоком управления, вьшопнен ным ва И модуляторов алитвльности импульсов с нарастакяцими суг первого к пос юаукхпему уровнями опорного вепря ження, попклю нных к выходу формирователя управляющего скшала, оцин БХОО. которого соединен с зааающим генератором, а второй образует управляющий вхоа регулятора. 2.Регулятор по п. 1, отличающий с я тем, что, с целью | асщи« рения функциональных возмомшостей, си л(жой выхоа инвертора с разован ввеве шшм трансформатором. 3.Регулятор по пп. 1- и 2, о т л в - чающийся тем, что, с пелью уменьшения аинамических потерь, выход задающего генератора, соедшюнный с вн верторсж, образован делителем частоты. 4.Регулятор по пп. 1-3, отличающийся тем, что в блоке управления первый вход образован генераю ю ю м торам линейно изменяюо1егоая напряжения, подключенного к сумматору, вторсА вход - другвм входом этого сумматора, выходом соединенного с модуляторами длительности импульс, дополнительные вхоаы которых соединены с узлами п следовательных резисторов, подключенных к источнику опорного напряжения.

фиг. /

/2 У

12

-I 20 .

{ /

о

W

t

V

и

фаг, 2

Ьшллл Н

vw

mMTlM

JMWMA ji 1|и1111Ш 1Ю

jbj5

-/«

иг.

JBJB JS

fU

LJL-Г

J7

Л.

t

JO

9t

ftftf

J/

t t

±Af

ЗУ

«

n nrv

L

1t

t U U

«re./