Регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием Советский патент 1986 года по МПК H02M5/25 

билизации. Цель изобретения - повьппение энергетических показателей и улучшение использования ключевых элементов. Устройство содержит задающий генератор 1, соединенный с входом .кольцевого распределителя импульсов 2 с N выходами, соединенными с синхронизирующими входами 6-8 модуляторов ширины импульсов (11111И) 9-11, управляющие входы 12-14 которых объединены. Каждый из МШИ 9-П вьшолнен в виде двух каналов, включающих генератор пилообразного напряжения 15 (17) и компаратор 16 (18). Одноименные входы 19 и 20 компараторов 16 и 18 объединены, образуя управляющие входы 12-145 к которым подключен выход

дополнительно введенного.блока суммирования (БС) 57. К двум входам 58 и 59 БС 57 подключены дополнительно введенные двусторонний ограничитель напряжения 60 и источник постоянного напряжения 61. Вход ограничителя напряжения 60 является вводом управляющего напряжения 62. Благодаря введению указанных дополнительных элементов устройства под действием изменения сигнала управления, поступающего на ввод 62, среднее значение выходного напряжения трансформатора 53 изменяется как по величине, так и по знаку, что приводит к регулиррванию напряжения на нагрузке 56 и достижению поставленной цели. 3 ил

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в мощных регуляторах и стабилизаторах сетевого переменного напряжения, изменяющегося в широком диапазоне, требующих 11епскаженной формы выходного напряжения и высокого быстродействия регулирования и ста

Изобретение относится к электротехнике, в частности к регуляторам переменного напряжения, может найти применение в мощных регуляторах и стабилизаторах сетевого переменного напряжения, изменяющегося в широком Диапазоне вверх и вниз от своего номинального значения, а также там, где требуется практически неискаженная форма выходного напряжения, высокое быстродействие регулирования и стабилизации, высокие энергетические показатели и является усовершенствованием устройства по авт.св. 1026278.

Цель изобретения - повышение энергетических показателей и улучшение использования ключевых элементов.

На фиг. 1 представлена схема регулятора переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регул1фованием; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого регулятора.

Регулятор содержит задающий генератор 1, соединенньй с входом кольцевого распределителя 2 импульсов, которьй имеет N выходов (для однозначности рассмотрен распределитель с тремя выходами 3-5). Выход распределителя 2 (проведен пунктиром) показьшает, что число выходов может быть любым. Выходы 3-5 соединены с синхронизирующими входами модуляторов 9-11 ширины импульсов. Управляющие входы 12-14 объединены.

Каждый из модуляторов 9-11 выпол- i

нен в виде двух каналов. Цервьй канал состоит из последовательно включенных генератора 15 пилообразного напряжения и компаратора 16, а второй канал - из генератора 17 пилообразного напряжеьшя и компаратора 18. При этом синхронизирующие входы генераторов 15 и 17 объединены и образуют синхронизирующие входы 6-8 модуляторов 9-11. Одноименные входы 19 и 20

компараторов 16 и 18 также объедине- ны и образуют управляющие входы 12-14 модуляторов 9-11. Выходы компараторов 16 и 18 образуют выходы 21-26 модуляторов 9-11. Выходы 21-26 соедииены с управляющими входами 27-32 коммутаторов 32-35 через устройства гальванической развязки и усиления, выполненные, например, в виде усилителей 39 с оптронной или

трансформаторной связью.

Каждьм из коммутаторов 33-35 выполнен в виде мостового инвертора на полностью управляемых ключах 40-43, управляющие цепи которых образуют

управляющие входы 27-32 коммутаторов 33-35. При этом силовые входы 44: и 45 коммутаторов 33-35 подключены к сетевым выводам 46 и 47, а силовые выходы 48 и 49 - к первичным обмоткам 50-52 вольтодобавочных трансфор маторов 53-55, вторичные обмотки ко торых соединены последовательно меж ду собой и нагрузкой 56 и подключены к сетевым выводам 46 и 47. Кроме того, к объединенным управляющим входам 12-14 подключен выход блока 57 суммирования, к двум входам 5 и 59 которого подключены двусторонн ограничитель 60 напряжения и источник 61 постоянного напряжения, причем вход двустороннего ограничителя 60 является вводом 62 управляюще го напряжения. На фиг. 2 обозначены напряжение 6 сети, импульсы 64 задающего генератора I, импульсы 65-67 на выходах 3 кольцевого распределителя импульсов соответственно, выходные напряжения 68 и 69 генераторов 15 и 17 пилообразного напряжения модулятора 9 соответственно, выходное напряжение 70 блока 57 суммирования при от сутствии сигнала управления на входе 62, выходное напряжение 7I и 72 блока 57 суммирования при максималь ном и минимальном сигналах управления:, равных соответственно верхнему и нижнему уровням ограничения ог раничителя 60, выходное напряжение 7 и 74 блока 57 суммирования при промежуточных значениях сигнала управления, выходные напряжения 75, 76 я 77,78 (в зоне изменения управляющего сигнала) генераторов 15 и 17 пилообразного напряжения модуляторов 10 и 11 соответственно, выходной сигнал 79 и 80 модулятора 9 на выходах 21 и 22 соответственно при максимальном входном сигнале 71,рав . ном верхнему уровню ограничения 81 и 82 - то же, при сигнале 73. на выходе блока 57 суммирования, 83 и (84 - то же, при сигнале 70, 85 и 86 - то же, при сигнале 74,.87 и 88 то же, при сигнале 72. , На фиг.. 3 обозначены напряжение 8 на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 53 при сигнале 71, 90 - то же, при сигнале 73, 91 - то же, при сигнале 74, 92 - то же, при сигнале 72, напряжение 93 - на нагрузке при сигнале 71,уровень напряжения сети, напряжение 95-98 на нагрузке при сигналах управления 73 70, 74 и 72 соответственно. Предлагаемый регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием работает следующим образом. Напряжение 63 сети подается на первичные обмотки 50-52 вольтодобавочных трансформаторов 53-55 через коммутаторы 33-35, выполненные на полностью управляемых ключах 40-43. Величина и форма выходных напряжений, вольтодобавочных трансформаторов 5355 определяются как напряжением 63 сети, так и алгоритмами переключения полностью управляемых ключей 40-43. Вторичные обмотки трансформаторов 5355 соединены последовательно между собой, нагрузкой и сетью, так что на нагрузке 56 действует напряжение, равное алгебраической сумме напряжения 63 сети и всех напряжений вторичных обмоток вольтодобавочных трансформаторов 53-55. Алгоритмы переключения, в свою очередь, определяются напряжением управления Uy, подаваемым на ввод 62 управляющего напряжения, и развертывающим напряжением модуляторов 9-11 ширины импульсов. В исходном состоянии задающий генератор 1 вырабатывает импульсы 64, синхронные с напря-. жением 63 сети и имеющие частоту, много большую частоты сети. Импульсы 64 поступают на вход кольцевого распределителя 2 импульсов и распределяются по его выходам 3-5 в соответствии с диаграммами 65-67. Импульсные последовательности 65-67 синхронизируют генераторы 15 и 17 пилообразных напряжений модуляторов 911 ширины импульсов соответственно. Причем генератор 15 вырабатывает пилообразные линейно падающее напряжение 68, а генератор 17 - линейно рас-, тущее напряжение 69. Напряжения 68 и 69 являются развертьшающими напряжениями для модулятора 9 ширины импульсов, а напряжения 75-78 - развертывающими напряжениями для модуляторов 10 и 11 соответственно. На управляющие входы 12-14 модуляторов 9-11 подается напряжение с выхода блока 57 суммирования, равное . сумме управляющего напряжения Uy и напряжения источника 61. Так как напряжение иу проходит через двусторонний ограничитель 60 (в качестве которого может использоваться операционный усилитель с регулируеьым уровнем насыщения) , напряжение на входе 58 блока 57 суммирования изменяется в пределах от -U (нижний уровень, ограничения) до Ug (верхний уровень ограничения). Напряжение на выходе блока 57 суммирования также изменяется при изменении U, причем при максимальном входном сигнале, равном 4-и,, это напряжение максимально и равно уровню 71 (фиг. 2), при нулевом управляющем сигнале это напряжение равно уровню 70 и при минимальном управляющем сигнале, равном это напряжение минимально и равно уровню 72. Уровни 73 и 74 соответствуют некоторым промежуточным значениям, управляющего сигнала. .. -in -II Напряжения 70-74, определяемые разными уровнями управляющего напряжения Uy, сравниваются с развертывающими пилообразными напряжения;:ми 68-69, 75-76, 77-78 на компараторах 16 и 18 соответственно модуляторов 9-11 ширины импульсов. В ре|зультате сравнения напряжений 68-69 с напряжением 70-71 на выходе компараторов 16 и 18 модулятора 9 вырабатываются импульсные последовательности 79-83, которые через устройство. 36 развязки и усиления поступают на управляющие цепи ключей 40-43 ком мутатора 33 и определяют алгоритм пе реключения ключей коммутатора 33.При чем напряжению 71 соответствуют импульсные последовательности 79-80, напряжению 73 -последовательности 81 82, напряжению 70 - последовательности 83-84, напряжению 74 - последовательности 85-86, напряжению 72 последовательности 87-88. Другими словами, при изменении управляющего сигнала от +Ug до -U импульсные по следовательности, определяющие алгоритмы переключения ключей 40-43, изменяются непрерывно от 79-80 до 8788. При этом выходное напряжение воль тодобавоЧ:ного трансформатора 53 также непрерьшно изменяется от напряжения 89, до напряжения 92, причем,как .видно из диаграмм, среднее значение выходного напряжения трансформатора изменяется от своего положительного значения до отрицательного. Т.е. под действием изменения сигнала управления Цу, поступающего на ввод 62, среднее значение выходного напряжения трансформатора 53 изменяется как по величине, так и по знаку, что при водит к регулированию напряжения на нагрузке 56. Аналогичные процессы происходят в других вольтодобавочных трансформаторах 54 и 55. Отличие состоит в том, что фазы импульсов в выходных напряжениях трансформаторов 5А и 55 сдвинуты за счет синхронизации модуляторов 10 и 11 с других вьшодов 4 и 5 кольцевого распределителя 2 импульсов. В результате напряжение 93, 96, 98 на нагрузке 56 имеет неискаженную синусоидальную форму .при уровне сигнала 71, 70 и 72, а при промежуточных уровнях сигнала 73 и 74 напряжение 95 и 97 на нагрузке 56 имеет утроенную, по отношению к напряжению одного трансформатора, частоту f f t з пульсаций. Величина среднего напряжения на нагрузке изменяется при этом от напряжения 93, равного сумме напряжения сети и добавочного напряжения трансформаторов 53-55, до напряжения 98, равного разности напряжения сети и напряжении траисфор-, маторов 53-55. Рассмотрим формирование напряжения 89-92 на выходной обмотке трансформатора 53 под действием Управляющих импульсных последовательностей 79-88. Пусть напряжение 79 поступает на полностью управляемые ключи 40 и 41, а напряжение 80 - на ключи 42 и 43, причем положительное значение напряжений 79 и 80 соответствует включенному состоянию ключей 40 и 43 и выключенному состоянию ключей 41 и 42, а отрицательное значение напряжений 79 и 80 - включенному состоянию ключей 41 и 42 и выключенному состоянию ключей 40 и 43. Тогда на первом интервале времени 0-t (фид. 3, диаграммы 79, 80 и 89 соответственно) включены ключи 40 и 42, первичная обмотка трансформатора 53 отключена от сети и закорочена этими ключами, на трансформаторе 53 напряжение равно нулю. В момент времени t ключ 40 выключается и включается ключ 41, при зтом первичная обмотка 50 трансформатора 53 подключается к выводам 46 и 47 (началом к вьшоду 47) и на вторичной обмотке трансформатора 53 действует напряжение, определяемое соответствующим коэффициентом трансформации и включенное согласно с напряжением сети. Такое состояние ключей продолжается до

момента времени t. , когда происходит выключение ключа 42 и включение ключа 43. На интервале первичная обмотка трансформатора опять отключена от сети и закорочена ключами 41 и 43, на вторичной, обмотке напряжение опять равно нулю. Далее процессы повторяются.

При изменении управляющего напряжения UY изменяются интервалы работы ключей 40 и 41, а значит и изменяется относительная длительность включенного состояния ключей 42 и 41, что приводит к уменьшению величины добавочного напряжения 90 при сигнале, равном уровню 73. При уровне сигнала 70 алгоритм переключения ключей таков, что попеременно замкнуты то ключи 42 и 40, то ключи 41, и 43, так что. первичная обмотка трансформатора все время закорочена. При дальнейшем изменении алгоритмов 85 и 87 появляются интервалы времени , когда одновременно включены ключи 40 и 43. При этом первичная обмотка подключается к сетевым вьшодам 46 и 47 (началом к вьшоду 46) и на вторичной обмотке получается напряжение, включенное встречно с напряжением сети. Так происходит вычитание напряжения вторичной обмотки трансформатора 53 из напряжения сети.

Формула изобретения

Регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием по авт.св. № 1026278, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей и улучшения использования ключевых элементов, введены блок суммирования, двусторонний ограничитель напряжения и источник постоянного напряжения, причем входы блока суммирования соединены с выходами двустороннего ограничителя напряжения и источника постоянного напряжения, а выход соединен с управляющим входом регулятора, вход двустороннего ограничителя напряжения является вводом управляющего напряжения.

ГХ X 7 t Х 7 / 1/ 1/ 1/ 1/

5

Г7Г

О

..

ИГ

.

Щ

Щ

сл-гЯ