Регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием Советский патент 1983 года по МПК H02P13/04 

Изобретение относится к электротехни ке, в частности к регупяторам переменно го напряжения, и может найти применение в мощных регуляторах и стабилизаторах сетевого переменного 1юпряжения, изменяющегося в широком диапазоне вверх и вниз от номинального а также там, где требуется практически неискаженная форма выходного напряжения, высокое быстродействие регулирования и стабипизации, высокие энергетические показатели. Известны регуляторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием, содержание трансформатор промежуточной частоты, коммутаторы первичной и вторичной/ о&моток тpaнcфop Iaтopa, выпалненнь е на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, схему управления зЛ . Недостатком данного регулятора явпяется сложность реатгазации полностью управляемых ключей вторичного коммутатора в мощных системах регулирования И стабилизации, так как ключи вторичного коммутатора должны быть рассчитаны На ток нагрузки. Известен также регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно-импупьсным регулированием, содержащий трансформатор, вторичная обмотка КОТОР9ГО включена последовательно с наг грузкой, а первичная подключена к KOMMJ татору на полностью управляемых кл1очах с двусторонней проводимостью, схему управления с задающим генератором и модулятором ширины импульсов jbj . Однако такой регулятор имеет большую амплитуду пупьсаций вопьгодобавочного напряжения, равную диапазону регулирования выходного напряжения, и низкий коэффициент полезного дегйствия из-за коммутации, трансформатора с частотой, много -большей частоты сети, в то время как его проектная частота равна чаототе сети (потери в контурах коммутации пропорциональны величине паразитной индуктивности pacceamSj которая в свою очередь, обратно пропорциональна проектной частоте трансформатора). Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является регупятор, содержащий трансформатор, вторичная обмотка которого соединена последовательно с нагрузкой, первичная подключена к выходу коммутатора, выполненного на полностью управляемых кточах с двусторонней проводимостью, а входные зажимы последнего соединедаг с зажимами сети, причем управляющие цепи полностью управляемых ключей . коммутатора сое динены через устройство усиления и гальванической развязки с выходом модулято- pia ширины импульсов, управляющий вход которого образует управляющий вход регулятора переменного напряжения рз. Однако известный регулятор обладает низкими энергетическими показателями из-аа низкой частоты искажающих гармоник, в вы ходнсы напряжении и выходном токе и большой величины регулируемой части вольтодобавочного напряжения, которая определяется диапазоном регулирования для регулятора и диапазоном изм&нения входного напряжения для стабилиза- тора. Увеличение частоты коммутации : приводит к снижению коэффициента полезного действия регулятора из-за несоответствия проектной частоты трансформатора (он рассчитывается на частоту сети) и частоты коммутации. Реально частоту удается повысить лишь в 3-8 раз,, . а этого недостаточно, потому что фипьтры, рассчитанные на сглаживание пульсаций соответственно 150 - 4ОО Гц, бу дут существенно ухудшать удельномассовые и энергетические показатели регулятора в цепом. Цепь шобретения - улучшение энергетических показателей-за счет увеличения частоты искажающих гармоник и умень шения величины регулируемой части вольтодобавочного напряжения. Указанная цель достигается тем, что известный регулятор переменного напряжения, содержащий первый трансформатор, вторичная обмотка которого соединена поспедоватепьно с нагрузкой, первичная подключена к выходным зажимам первого коммутатора, выполненного на полностьао управляемых ключах с двусторонней проводимостью, а входные зажимы последнего соединены с зажимами сети, причем управ1ляющие цепи полностью управляемых кйючей коммутатора соединены через устройство усипения и гальванической развязки с выходом модулятора ширины импульсов, управляющий вход которого образует управляющий вход регулятора, снабжен дополнительно N трансформаторами, вторичные обмотки которых соединены последовательно между собой и вторичной о&моткой первого трансформатора, а первичные подключены к выходным зажимам N дополнительных коммутаторов, входные зажимы посп8дни объединены и соединены с входными зажимами первого комутатора, N дополнительными устройст.310 вами усипения и гальванической развяэки, N цопопнитепьными модуляторами ширишы импульсов и распредепитепем импульсов, вход которого соединен с выходо задающего генератора, а (N+1) выходы соединены с синхронизирующими входами первого и N дополнительных модуляторов ширины импульсов, при этом управля1ощие входы последних объединены и соединены с управляющим входом первого модулятора ширины импульсов. На фиг. 1 представле 1а структурная схема регулятора переменного напряжения с ы 1сокочастотным широтно-импульсным регулированием; на фиг. 2 и 3 временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого регулятора. Регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием содержит первый трансформатор 1, вторичная обмотка 2 которо го вкгтючена последовательно с нагрузкой 3. Первичная обмотка 4 трансформатора 1 подключена к выходным зажимам 5. и 6 коммутатора 7, выполненного на nqnностью у правляемых ключах 8 - 11 с двусторонней проводимостью. При этом выходные 5 и 6 коммутатора 7 образованы общими точками полностью управляемых ключей 8,9 и 1О,11 соответственно, а выходные зажимы 12 и 13 первого коммутатора 7 образованы общими точками ключей 8,10 и 9,11 соответственно и соединены с зажимами сети 14 и 15. Управляющие цепи полгностью управляемых ключей 8-11 соединены с выходами 16 и 17 устройства 18 усиления и гальванической ра:звязки, которое состоит из двух усилителей 19 и 2О мощности, имеющих гальваническую развязку входных и выходных цепей. Входы усилителей 19 и 20 мoщнocти являющиеся одновременно входами устройства 18 усиления и гальванической развязки, соединены с выходами 21 и 22модулятора 23 ширины импульсов с синхронизирующим 24 к управляющим 25 входами. При этом модулятор 23 ширины импульсов выполнен также двухканальным. Каждый канал состоит из генератора 26,27 развертывающего напряжения и компаратора 28,29 соответственно. Причем синхронизирующие входы генераторов 26 и.27 развертывающих напряжений объединены и образуют синхронизирующий вход 24 модулятора 23ширины импульсов, а выходы этих генераторов 26 и 27 подключены к первым входам компараторов 28 и 29, 84 ругие входы которых объединены и обазуют управляющий вход 25 модупятоа 23 ширины импульсов, который, в вою очередь, образует управляющий вхоя егулятора в целом Uy . Синхронизирузоий вход 24 модулятора 23 ширины имульсов через распределитель 30 импул1яов подключен к задающему генератору 31. Кроме того, регулятор переменного напряжения с высокочастот№1м широтноимпульсным регулированием содержит V дополнительных трансформаторов (на фиг.1 N для примера принято равным двум) 32 и 33, вторичные обмотки которых 34 и 35 соединены последовательно между собой и последовательно со вторичной обмоткой 2 первого трансформатора 1. Первичные обмотки 36 и 37 дополнительных трансформаторов 32 и 33 подключены к ш 1ходным зажимам 38, 39 и 40,41 N дополнительных коммутаторов 42 и 43 соответственно. Входные зажимъ 44,45 и 46,47 дополнительных коммутаторов 42 и 43 объединены соответственно 44, 46 и 45, 47 и подключены к зажимам 14 и 15 сети. Дополнительные коммутаторы 42 и 43 выполнены аналогично первому коммутатору 7 на полностью управляемых с двусторонней проводимостью ynpaj ляющиё цепи которых соответственно через IX дополнительных устройств 48 и 49 усиления и гальванической развязки, выполненных аналогично 18, подключены к N дополнительным модуляторам 5О и 51ширины импульсов с синхронвзирук щими 52 и 53 и управляющими 54 и 55 входами. Управляющие входы 54 и 55 дополнительных модуляторов 5О и 51 ширины импульсов объединены и подкшочены к управляющему входу 25 первого модулятора 23 ширины импупьсов. Си хронизирующие входы 52 и 53 допопн тепьйых модуляторов ширины импупьсов подключены к дополнительным выходам 56 и 57 распределителя 30 импупьсов, основной выход 58 которого подключен к синхронизирующему входу 24 первого модупнтора 23 ширины импульсов. На фиг. 2 и 3 приведены временные диаграммы: 59 - напряжение сети; 60 импульсы на выходе задающего генератора 31; 61 - 63 - импульсы,, посту пающие на синхронизирующие входы 24, 52и 53 модуляторов 23,50 и 51 шири ны импульсов с выходов 58,56 и 57 распределителя ЗО импупьсов; 64 - напряжение управления Uy , подаваемое на управляющие входы 25, 54 и 55 модуляторов 23,50 и 51 ширины импульсов; 65,66 и 67 - пинейно нарастающее напряжение генераторов 26 развертывающе напряжения первого канапа, модуляторов 23,50 и 51 ширины импупьсов соответственно; 68,69,70 - пинейно падающее напряжение генераторов 27 развертываю щего напряжения второго канапа модуляторов 23,50 и 51 ширины импупьсов со ответственно; 71 - 76 - импупьсы упра пения на вы коде модуляторов 23,50 и 5 шири1а и Iпyпьcoв соответственно; 77 79 - выходное напряжение на вторичных обмотках 2, 34 и 35 трансформаторов 1 32 и 33 соответственно; 80 - суммарное выходное напряжение на вторичных обмотках 2, 34 и 35 трансформаторов 1 32 и 33; 81 - 83 кривые выходных напряжений на вторичных обмотках 2, 34 и 35 трансформаторов 1, 32 и 33 соответственно при другом напряжении управления; 84-87,- сумьмрные напряжения на оЬмотках 2, 34 .и 35 трансфор маторов 1, 32 и 33 при разггачнык напряжениях управпения. Регулятор работает следующим образом. Напряжение сети (фиг. 2, диаграмма 59) подается на входные зажимы регулятора 14 и 15. На управляющие входы полностью управляемых ключей 8 - 11 коммутатора 7 подаются импульсы 71 и 72 управления. Причем положительное значение импульсов 71 управпения соответствует включенному состоянию ключа 9и выключенному состоянию ключа 8 и наоборот, а положительное значение импульсов 72 управпения соответствует включенному состоянию ключа 1О и выключенному состоянию ключа 11 и наоборот. При таком управлении ключами коммутатора 7 реализуется следующий алгоритм работы ключей 9,11-11, 8-8 10(рядом стоящие цифры обозначают одновременное замкнутое состояние соот ветствующих им ключей). Такой алгоритм работы ключей кол мутатора 7 обеспечивает на вторичной обмотке 2 трансформатора 1 напряжение 77. При этом одно временно замкнутое состояние ключей 9,11 и 8,10 .соответствует закорачиванию первичной обмотки 4 трансформатора 1, а одновременное замкнутое состоя ние ключей 11,8 соответствует вольтодо бавке. Таким образом на вторичной обмотке 2 трансформатора 1 формируется напряжение 77. Аналогично работают полностью управ ляемые ключи дополнительных коммутаторов 42 и 43, на управление которыми подаются управляющие импульсы 73, 74 и 75,76. Напряжение на вторичных обмотках 34 и 35 трансформаторов 32 и 33 приведены на фиг. 2 (диаграммы 78 и 79). При этом формы напряжений 78 и 79 на обмотках 34 и 35 трансформатороБ 32 и 33 отличаются от формы напряжения 77 обмотки 2 трансформатора 1 и друг от друга ввиду того, что синхронизирующие входы 24, 52 и 53 первого модулятора 23 ширины импульсов и дополнительных 50 и 51 подключены к задающему генератору 31 через распределитель 30 импульсов; так что тактовые интервалы модуляторов ширины импульсов 23, 5О и 51 сдвинуты по фазе на угол 2&/N +1, где N - число дополнительных коммутаторов, а угол отсчитывается относительно частоты тактовых интервалов. В пределах тактовых интервалов каждого модулятора 23, 5О и 51 ширины импульсов работают генераторы 26 и 27 развертывающих напряжений, причем эти генераторы представляют собой генераторы линейно падающего и линейно нарастающего напряжений 66 и 65 соответственно, А налогично,в дополнительных модуляторах 50 и 51 генераторами развертывающих напряжений вырабатываются пилообразные (линейно падающие и линейно н нарастающие) напряже1гая 68,67 и 70,69 соответственно. Указанные пилообразные напряжения 65-70 сравниваются на компараторах 28 и 29 модулятора 23 ширины импупьсов (аналогично и в других модуляторах 5О и 51) с напряжением , 64 управления, и на выходе модуляторов 23, 50 и 51 формируются импульсы 71-76° управления, которые через устройства 18 48 и 49 усиления и гальванической развязки подаются на полностью управляемые ключи 8-11 коммутатора 7 и дополнительных коммутаторов 42 vi 43 аналогично описанному выше. Изменяя напряженке 64 управления, изменяют импульсы 71-76 управления, а значит и выходное напряжение 80. Суммарное напряжение вторичных обмоток 2,34 и 35 трансформаторов 1,32 и 33 равно сумме напряжений 77-79 и приведено на фиг. 3 (диаграмма 80).При уменьшении напряжения 64 управле ния по амплитуде пауза в выходном напряжении каждого трансформатора 1,32 и 33 будет увеличиваться как показано на фиг. 2 (диаграммы 81-вЗ) Это приведет к уменьшентрр суммарного напряжения на всех трех обмотках (диаграмKfti 84 и 85). Дальнейшее уменьшение 1апряжения 64 управления приведет к дальнейшему уменьшению суммарного напряжения как показано на диаграмме 86 (фиг. 3). Если величина напр1яжения 64 управления равна половине амплитуды пилообразного напряжения (65 - 7О),то суммарное напряжение иа обмотках 2, 34 в 35 будет равно нулю. При дальней шем уменьшении это напряжение сменится по знаку (диаграмма 87) в начнет возрастать по амплитуде. 10 S Таким образом, предлагаемый регулятор «еремеиного тшпр|яжения с ширртноимпульсным регулированием позволяет в () раз повысить частоту искажающих гармоник ив (W+1) раз уменьшить их амплитуду за счет уменьшения величины регулируемой части вольтодобавочного напряжения, без уменьшения диапазона регулирования выходного напряжения.При этом уменьшается коэффициент гармоник, позволяется возможность фильтровать выходное напряжение фильтрами .имеющими массу и габариты в (А/-И) раз меньше.чему прототипа.Все это приводит кулучшениюэнергетических показателей регулятора в целом. .2

РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ, содержащий первый трансформатор, вторичная обмотка которого соединена последовательно с нагрузкой, первичная подключена к выходным зажимам первого коммутатора, выполквнного на полностью yпpaвляe Jыx ключах с двусторонней проводимостью, а входные зажимы последнего соединены с зажимами сети, причем управляющие цепи полностью управляемых ключей первого коммутатора соединены через устройство усиления и гальванической развяз1си с выходом модулятора ширины импульсов, управляющий вход которого образует управляющий вход регулятора, отличающийся тем, что, с целью улучшения энергетических показателей за счет увеличения частоты искажающих гармоншс и уменьшения величины регулируемого вольтодобавочного напряжения, он снабжен дополнительно N трансформаторами, вторичные обмотки KOToja ix соединены последовател1гно между собой и вторичной обмоткой первого трансформатора, а первые подключены к выходным зажимам N дополнительных коммутаторов, входные зажимы пох:ледних объединены и соединень с выходными зажимами первого коммутатора, СО дополнительными устройствами усиления и гальванической развязки, N дополнис: тельными модуляторами ширинь импульсов и распределителем импульсов, вход которого соединен с ш 1ходрм задающего генератора, а (N +1) выходы соединены с синхронизирующими входами первого и М дополнитепьнь1х модуляторов tsD ширины импульсов, при этом управляющие Од входы последних объединены и соедине 9 ны с управляющим входом первого моду лятора ширины импульсов. 00