Регулятор напряжения и способ управления этим регулятором Советский патент 1983 года по МПК H02P13/16 G05F1/22 

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к технике регулирования и стабилизации переменных и постоянных напряжений, и может найти применение в качестве регулируемых источников питания в тех случаях, где требуется высокое качество электроэнергии, минимальные массогабаритные характеристики и высокое быстродействие. Известен регулятор напряжения, содержащий высокочастотный трансфор матор, инверторную ячейку, N последовательно включенных демодуляторов на полностью управляемых ключах и схему управления с задающим -генератором, соединенным с управляющими входами инверторной ячейки и фазосдвигающими блоками с регулируемыми углами задержки и опережения, связа ные через пороговые элементы с упра ,ляю1цим входом регулятора и управляю щими входами ключей демодуляторов C Известен способ управления таким регулятором, заключающийся в формир вании опорной последовательности противотактных импульсов для управления ключами инверторной ячейки и ряда, по числу демодуляторов, регулируемых по фазе в сторону задерж ки и опережения противотактных последовательностей для управления ключами демодуляторов, причем пооче редно изменяют Лазы последовательностей, пс даваемых на ключи, смежны относительно, зажимов низкой -частот демодуляторов. 2 . Такой регулятор напряжения и способ управления им позволяют реал зовать многозонную импульсную модул цию. Однако в цепи нагрузки всегда включено большое число ключей демодуляторов, что снижает КПД, а способ управления позволяет реализоват каждым демодулятором однополярное одностороннее широтно-импульсное регулирование напряжения, имеющее худшие энергетические показатели по сравнению с двусторонним. Известен регулятор напряжения, выполненный по нулевой схеме Сз . Однако для реализации двусторонней однополярной реверсивной модуля ции он снабжен дополнительным нулевым кетючом, что приводит к увеличению установленной мощности ключей в полтора раза. -Известен способ управления та.КИМ регулятором, заключающийся в формировании изменяющихся по длительности импульсных последовательностей для управления основными и дополнительным ключами 4 . В практических устройствах- из-за конечного времени рассасывания неосновных носителей в полупроводниковых приборах приходится ограничивать минимальную и максимальную длительность импульсных последовательностей, а это приводит и резкому уменьшению диапазона регулирования выходного напряжения, что вызывает резкое повышение установленной мощности, снижение КПД, рос пульсаций. Кроме того, для реализации многозонной импульсной модуляции необходимо регуляторы соединять , последовательно, что снижает КПД регулятора. Наиболее близким к предлагаемому является регулятор напряжения, содержащий N преобразовательных ячеек, каждая из которых содержит два трансформатора, одни разноименные концы которых через ключи соединены с общей шиной регулятора, а другие концы первого из упомянутых двух трансформаторов объединены и включены в рассечку линейного провода регулятора и последовательно между преобразовательными ячейками. Отпайки, которыми снабжены трансформаторы, для первого трансформатора подключены к другим разноименным концам второго трансформатора, а отпайки последнего объединены через ключи демодуляторов. Схема управления регулятором содержит задающий генератор и фазрсдвигающие блоки с регулируемыми углами задержки -и с регуяг-: лируемыми углами опережения, которые связаны с управляющим входом регулятора (Иу) через пороговые элементы с последовательно нарастающими уровнями Cs . Однако в регуляторе неоправданно снижены технико-энергетические показатели, так как в цепи протекания тока нагрузки в любой момент времени включеноN ключей демодулятора,.увеличивающих потери регулятора. При регулировании переменного напряжения необходимо опорную импульсную последовательность подавать на все ключи демодулятора, что также приводит к увеличению потерь в цепи управления этими ключами. К такому регулятору может быть применен только способ управления, заключающийся в поочередном изменении фаз пар импульсных последовательностей с регулируемыми углами задержки и опережения, который ограничивает функциональные возможности регулятора в целом. Известный способ управления регулятором заключается в формировании опорной последовательности противотактных импульсов для управления ключами дембдулятора и NJ противотактных импульсных последовательностей, фазовые сдвиги половины из которых изменяют в сторону задержки, а второй половины - в сторону опережения для управления ключами инвер- , торных ячеек. Цель изобретения - повышение технико-энергет ческих показателей ,за счет уменьшения в цепи протекани тока нагрузки ключевых элементов И расширение функциональных возмож.ностей за счет устранения необходимости поочередного изменения фаз пар импульсных последовательностей. Поставленная цель достигается тем, что в регуляторе содержащем N высокочастотных трансформаторов, обмотки которых выполнены в виде двух полуобмоток с отпайками, одни разноименные концы которых соединены через полностью управляемые ключи инверторных. ячеек с общим выводом регулятора, а другие разноименные концы первого трансформатора объединены и образуют входной вывод регулятора, выходной вывод кото рого подключен к отпайкам последнег трансформатора через пару полностью управляемых ключей демодулятора, схему управления с задающим генератором и фазосдвигающими блоками с регулируемыми углами задержки и опе режения, вxoдaми подключенными к задающему генератору и через порого вые элементы-к управляющему входу регулятора, а противотактными выходами - к управляющим цепям ключей и н- верторяых ячеек, отпайки каждой полуобмотки упомянутых трансформато ров, кроме последнего, подключены к другим разноименным концам последующих трансформаторов непосредственно, управляющие входы ключей половины инверторных ячеек соединены с противотактными выходами фазосдви гающих блоков с регулируемыми углам задержки, а другой половины - с противотактными выходами фазосдвига щих блоков с регулируемыми углами опережения. . Кроме того,согласно способу управления регулятором напряжения, заключа щемусяв формировании опорной последовательности противотактных импуль соч для управления ключами демодуля тора и N противотактных импульсных последовательностей, фазовые сдвиги половины из которых изменяются в сторону задержки, а второй половины -в сторону опережения, для упра ления ключами инверторных ячеек, регулирование выходного напряжения осуществляют поочередным изменением фаз N импульсных последовательносте На фиг. 1 представлена функциональная схема регулятора; на фиг. 2 временные диаграммы, поясняющие сущ ность предлагаемого способа управле ния этим регулятором. Регулятор содержит N высокочастотных трансформаторов 1, 2, 3, 4 . 5, 6 и инверторных ячеек на полност управляемых ключах 7-8, 9-10, 11-12 13-14, ... 15-16, 17-18, демодулятЬ на ключах 19 и 20 и схему управления 21 с задающим генератором 22 и фазосдвигающими блоками с регулируемыми углами задержки 23-25 и опережения 26-28, входами подключенными к задающему генератору и через пороговые элементы 29, 30 ... 31 к управляющему входу регулятора, а выходами к управляющим входам ключей инверторных ячеек.. Обмотки каждого высокочастотного трансформатора выполнены в виде двух полуобмоток 32-33, 34-35, 36-37, 38-39, ... 40-41, 42-43 с отпайками. Одни из разноименных концов полуобмоток всех трансформаторов 1-6 соединены с входными зажимами ключей 7-8, 9-10, 11-12, 13-14, ... 15-16, 17-18 инверторных ячеек, а выходные зажимы последних объединены и образуют общий с нагрузкой 44 вывод регулятора 45. Отпайки каждой полуобмотки трансформаторов 1, 2, 3, 4 ... 5 подключены к другим разноименным концам полуобмоток последующих трансформаторов 2, 3, 4 ... 5, 6, причем отпайки полуо.бмоток последнего трансформатора 6 подключены к входным зажимам ключей 19 и 20 демодулятора, выходные зажимы которых объединены и образуют выходной вывод 46 регулятора. Разноименные концы полуобмоток первого трансформатора 1 также объединены и образуют входной вывод 47 регулятора. Управляющие входы ключей 7-8, 11-12, ... 15-16 половины инверторных ячеек, например, с нечетными номерами трансформаторов 1, 3, ... 5 соединены с противотактными выходами фазосдви- . гающих блоков с регулируемыми углами задержки 23-25, а ключи 9-10, 13-14, . .. 17-18 другой половины инверторных ячеек (с четными номерами трансформаторов 2, 4, ... 6) - с противотактными выходами фазосдвигающих блоков 26-28 с регулируемыми углами опережения. При регулировании постоянного напряжения демодулятор может быть выполнен на неуправляемых ключах (диодах), а при регулировании переменного напряжения - на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, .причем управляющие входы ключей 19 и 20, демодулятора должны быть подключены к противотактным выходам задающего генератора 22. На фиг. 2 обозначено напряжение опорной последовательности импульсов 48, напряжение последовательностей противотактных импульсов, регулируемых по фазе в сторону задержки 49, 51, напряжение последовательностей проти ; вотактных импульсов, регулируемых по фазе в сторону опережения 50, 52, напряжение на нагрузке 44 - 53, 54.и 55. .напряжение, действующее на обмотках трансформаторов 5 и 6 соответственно 56 и 57. Способ управления регулятором заключается в следующем. Формируют опорную последовательность противотактных импульсов 48 (фиг. 2) и подают их (при регулиро вании переменного напряжения) на управляющие цепи ключей 19 и 20 дем дулятора, формируют ряд последовате ностей импульсов 49, 50, 51 и 52 по числу инверторных ячеек, регулируе мых по фазе в сторону задержки Ыр и опережения /5р и подают на упI равляютие цепи ключей 7-18 инвер торных ячеек. При этом последовательности импульсов 49, 50, ... с регулируемыми углами задержки подают на ключи 7-8, 11-12, ... 15-16 половины инверторных ячеек, а на ключи другой половины 9-10, 13 и 14, ... 17-18- импульсы 50., с регулируемыми углами опережения fbp , причем поочередно изменяют фазы пар 49, 50, 51, 52 ... последовательностей импуЛьсов с регулируемыми углами задержки и опере жения fbp. Это позволяет создавать регуляторы напряжения с минимальным коли чеством ключей(Обтекаемых током нагрузки, управлять ключами инверт ных ячеек гальванически связанными цепями управления без изменения от носительной длительности управляющих импульсов и повысить техникоэнергетические показатели и диапаз регулирования выходного напряжения Регулятор напряжения работает следующим образом. В исходном состоянии при .максимальном сигнале (Jy все импульсы 48, 49,50, 51, 52, ... (фиг. 2) находятся в фазе, ключи инверторных яч ек замыкаются синхронно между собо и с ключами 19 и 20 демодулятора. На нагрузке 44 при этом действует напряжение 53, равное сумме напряж ний источника питания и всех отпаек трансформаторов 1, 2, 3, 4, 5, 6. Причем, если положительное напряжение последовательностей 49, 50,... соответствует замкнутому состоянию ключей 7, 9, 11, 13, ... 15, 17, то отрицательное - ключей 10, 12, 14, ... 16, 19, а.последовательности 49 - ключей 19 и 20 демодулятора соответственно. Уменьшение сигнала управления ниже опорного уровня порогового эл мента 31 приводит к изменению угло сдвига фазосдвигающих блоков 27 и 28 и, следовате.ьно, к регулированию фазы последовательностей 49 и 50 по отношению к фазе опорной последовательности 48, Согласно углам сдвига и /}р (фиг. 2) изменяются фазы замыкания ключей 15, 16 и 17, 18. Выходное напряжение 54 на ; нагрузке в этом режиме регулируется в верхней .зоне, и эта регулируемая величина определяется суммой напряжений 56 и 57, действующих на отпайках трансформаторов 5 и 6. При (Р напряжения на отпайках указанных трансформаторов равны по величине, но находятся в противофазе, что обеспечивает на нагрузке неискаженный уровень. При ,2 - 7i .. „2 Ji «-Р у и fjp изменяется на 280 фаза суммарного напряжения 56 и57 трансформатор ров 5 и 6-. Напряжение между входным 47 и выходным 46 выходами регулятора равно сумме напряжений, действующих на отпайках всех предьщуших трансформаторов 1, 2, 3, 4, ... минус суммарное напряжение отпаек и трансформаторов 5 и 6. На нагрузке в этом режиме действует напряжение 55, равное сумме напряжений источника питания и действуклаее между выводами 47 и 48. При dp и р равных 180° импульсная составляющая напряжения 55 становится равной нулю и на нагрузке снова действует неискаженное напряжение. . Дальнейшее уменьшение сигнала управления ниже опорного уровня порогового элемента 30 приводит к изменению углов сдвига фазосдвигающих блоков 25 и 26 (при ) и, как следствие, - к изменению фаз замыкания ключей 11, 12 и 13, 14, осуществляя регулирование выходного напряжения в следующих двух зонах и т.д. Таким образом, предлагаемый регулятор напряжения и способ управления этим регулятором позволяют исключить блоки гальванической развязки цепей управления, повысить КПД, надежность регулятора, расширить диапазон регулирования выходного напряжения, снять ограничения на динамический диапазон изменения управляющего сигнала.

зг

V7

J3l

н.п

f3

г

SllII1,1

1. Регулятор напряжения, содержащий N высокочастотных трансформаторов, обмотки которых выполнены в виде двух полуобмоток с отпайками, одни разноименные концы которых соединены через полностью управляемые ключи инверторных ячеек с общим выводом регулятора, а другие разно- именные концы первого т эансформатора объединены и образуют входной вывод регулятора, выходной вывод KOTOjJoro подключен j отпайкам последнего трансформатора через пару полностью управляемых ключей демодулятора, схему управления с задающим генератором и фазосдвигающими блока. ми с регулируемыми углами задержки и опережения, входами, подключенными к задающему генератору и через пороговые элементы - к управляющему входу регулятора, а противотактными выходами - к управляющим цепям.ключей инверторных ячеек, отличаю. щ и и с я тем, что, с целью повы1иения технико-энергетических показателей и расширения функциональных возможностей, отпайки каждой полуобмотки трансформаторов, кроме последнего,з подключены к другим разноименным кон-iB цам последующих трансформаторов непо(Я средственно, управляющие входы ключей половины инверторных ячеек соединены с противотактными выходами фазосдвигающих блоков с регулируемыми углами задержки,, а другой половины - с противотактными выходами фазосдвигающих блоков с регулируемыми углами опережения. сд 2. Способ управления регулятЪром напряжения, заключающийся в формировании опорной последовательносOt) ти противотактных импульсов для управления ключами демодулятора 00 и N противотактных импульсных посю ледовательностей, фазовые сдвиги половины из KOTOpfcjx изменяют в сторону задержки, а второй половины - в сторону опережения для управления ключами инверторных ячеек, отличающий с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, регулирование выходного напряжения осуществляют пооче-редиым изменением фаз N импульсных последовательностей.