Регулируемый многоячейковый преобразователь Советский патент 1991 года по МПК G05F1/22 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике, в частности к преобразователям постоянного напряжения в источник тока, и может найти применение при регулировании тока в широком диапазоне с высоким качеством выходных параметров.

Цель изобретения - повышение качества выходного тока путем более .точного воспроизведения задающего сигнала, уменьшение массы и габаритов входных и выходных фильтров, увеличение быстродействия преобразователя, его надежности.

На фиг. 1 приведена функциональная схема регулируемого многоячейкового преобразователяj на фиг. 2 регулируемый многоячейковый преобразователь как объект теории автоматического регулирования.

Регулируемый многоячейковый преобразователь содержит 11 фазорегулирую- щих узлов 1, 2 и 3 (на .фиг.1 для примера 11 3), 11 соединенных параллельно по входу инверторных ячеек 4-6 с выходными трансформаторами 7-9, ос- |Новные вторичные обмотки которых 10-12 соединены последовательно и совместно с последовательно подключенными основными выпрямителем 13 и фильтром 14 образуют основной силовой канал преобразователя, дополнительные вторичные обмотки 15-17, также соединенные последовательно и одним выводом подключенные к последовательно соединенным дополнительным выпрямителю 18 и фильтру 19, задающий генератор 20, выход которого соединен с входами синхронизации 11 фазорегулирующих узлов 1-3, основной 21 и дополнительный 22 датчики тока, усилитель 23 постоянного тока, основной 24 и допополнительный 25 узлы суммирования, источник 26 опорного напряжения и инверторная ячейка 27 с выходным трансформатором 28, вход синхронизации которой подключен к задающему генератору 20 и соединенная по силовому входу параллельно 11 . инверторным ячейкам 4-6. Вторичная обмотка 29 инверторной ячейки 27 подключена последовательно 11 дополнительным вторичным обмоткам 15-17( второй вывод V которых соединен со вторым входом дополнительного выпрямителя 18, выводы которого через дополнительный фильтр 19 подключены

0

5

0

5

0

5

0

5

к силовым входам усилителя 23 постоянного тока, управляющим входом соединенного с выходом дополнительного узла 25 суммирования, один из суммируемых входов которого совместно с одним из входов основного узла 24 суммирования образуют управляющий вход преобразователя 30. Второй управляющий вход дополнительного узла суммирования подключен к информационному выходу дополнительного датчика 21 тока, один из выводов которого образует первый выходной вывод преобразователя, подключенный к нагрузке 31, а второй через последовательно подключенный основной датчик 21 тока соединен с одним из выходов основного фильтра 14. Причем выход основного датчика 21 тока соединен со вторым управляющим входом основного узла 24 суммирования. Источник 26 опорного напряжения подключен к третьему входу основного узла 24 суммирования, выход которого подключен к управляющим входам всех фазорегулирующих узлов 1-3. Второй выход основного фильтра 14 совместно с одним из выходных выводов усилителя 23 постоянного тока образуют второй выходной вывод преобразователя, подключенный к нагрузке 31. Второй выходной вывод, усилителя 23 постоянного тока подключен между основным 21 и дополнительным 22 датчиками тока.

В регулируемом многоячейковом преобразователе предусмотрена также возможность параллельного подключения еще К (М 1 на фиг.1) основных силовых каналов, выполненных на последовательно соединенных вторичных обмотках 10-12 выходных трансформаторов 7-9 с последовательно подключенными выпрямителем 13 и фильтром 14. Выходы М параллельных основных силовых каналов подключаются к выходным выводам усилителя 23 постоянного тока.

На фиг. 2 многоячейковый регулируемый преобразователь показан как объект теории автоматического регулирования. При этом полученная структурная схема устройства отражает процессы взаимодействия основного и дополнительного силовых каналов преобразователя и цепей управления и может быть использована для получения расчетных соотношений. Как объект

теории автоматического рсгупирования (фиг.2) многоячейковый регулируемый преобразователь состоит из задатчи- ка 32 управляющего сигнала I,. , суммирующих узлов основного канала 33 регулирования и дополнительного канала 34, звена 35 с передаточной функцией, эквивалентной передаточной функции основного силового канала, звена 36 с передаточной функцией, эквивалентной передаточной функции дополнительного силового канала, датчиков тока основного 37 и дополнительного 38 каналов регулирования с коэффициентами передачи, равными единице, а также эквивалентной нагрузки 39.

Инверторные ячейки 4-6 и 27 могут быть выполнены, например, однотакт- ными или двухтактными по любой из ин верторных схем, фаэорегулирующие узлы 1-3 могут быть выполнены на ком- парат.орах, а задающий генератор 20 может быть, например, мультивибратором, стабилизированным кварцем.

Датчики 21 и 22 тока -,например, шунты постоянного тока, причем для датчика 22 он должен быть прецизионным. Выпрямители 13 и 18 выполнены, например, по нулевой схеме, фильтры 14 и 19 пассивные сглаживающие, например, L - С - I, - фильтры, узлы 24 и 25 суммирования могут быть выполнены, например, на операционных усилителях. Усилитель 23 постоянного тока может быть выполнен, например, на составных транзисторах, причем его мощность рассчитывается по мощности искажений тока в основном канале и составляет, как правило, 1-2% от номинальной мощности регулируемого мно гоячейкового преобразователя. Величина опорного напряжения (26) соответствует половине диапазона регулирования усилителя постоянного тока. Величина вольтодобавки нерегулируемой инверторной ячейки 27 определяется типом транзисторов усилителя постоянного тока, например, для усилителя 23 постоянного тока, выполненного на кремниевых биполярных транзисторах, она составляет 2,5-3 В.

Регулируемый многоячейковый преобразователь работает следующим образом.

При отсутствии напряжения управления на управляющем входе 30 преобразователя на выходе преобразова-

5

0

тепя напряжение и ток отсутствуют. При появлении, например, линейно нарастающего управляющего напряжения Uu. в диапазоне до величины Uon источника 26 опорного напряжения основной узел 24 суммирования формирует отрицательное напряжение Uu- Uon , которое подается на фазо- регулирующие узлы 1-3, при этом ключи инверторных ячеек 4-6 управляются в противофазе по закону, исключающему возможность закорачивания источника питания, но при этом с первичные обмотки трансформаторов 7-9 закорочены. На входе основного выпрямителя 13 напряжение отсутствует. Одновременно на усилитель 23 постоянного тока через дополнительный узел 25 суммирования подается напряжение управления U,.- UgTgot)) в результате ток нагрузки обеспечивается только дополнительным силовым каналом.

При увеличении Uи, больше, чем U.

0

5

0

5

0

0(1 , положительное управляющее напряжение с выхода основного узла 24 суммирования поступает на управляющие входы фазорегулирующих узлов 1-3 с последовательно нарастающими уровнями сравнения, которые последовательно (по мере нарастания Uu) регулируют фазу управляющих напряжений инверторных ячеек 4-6, реализующих последовательное регулирование методом широтно-импульсной модуляции напряжения на первичных обмотках трансформаторов 7-8. Напря-, жение вторичных основных обмоток 10- 12, соединенных последовательно, суммируется и через основные выпрямитель 13 и фильтр 14 поступает на нагрузку 31. Таким образом, напряжение на нагрузке 31 регулируется в

5 основном силовом канале по методу многозонной импульсной модуляции. При этом основному силовому каналу присущи следующие недостатки: нелинейность силового регулирующего органа на

0 инверторах 4-6, обусловленная неидеальностью ключей, коммутационная пауза в выпрямителе 13, высокочастотные пульсации, обусловленные ши- ротно-импульсным методом регулиро-

5 вания в каждой зоне.

При выполнении регулируемого многоячейкового преобразователя с несколькими параллельными основны- ми силовыми каналами (фиг.1) основ

ной датчик 21 тока включается в цепь только первого из этих каналов. В этом случае показания основного датчика 21 тока считаются правильными для всех основных силовых каналов, так как деление тока осуществляется в общих для всех каналов выходных трансформаторах 7-9.

В результате основным силовым каналом стабилизируется среднее значение тока, поступающего в нагрузку 31 через основной датчик 21 тока в соответствии с сигналом ошибки UL, - UQ(1 - U,gT формируемым основным узлом 24 суммирования.

Существенно при этом, что требования к коэффициенту стабилизации и коэффициенту пульсации тока основного силового канала лежат в области легко достижимых для метода многоэон ной импульсной модуляции значений 4-0,1-1%. Следует отметить, во-первых что значение стабилизируемого основным силовым каналом тока на определенную постоянную величину, соответствующую величине Uon, меньше заданного тока в нагрузке, соответствующего значению I u., и, во-вторых, что основной силовой канал вместе с основным датчиком 21 тока и узлом 24 суммирования образуют, независимый контур регулирования и стабилизации тока.

Дополнительный силовой канал вместе с дополнительными датчиками 22 тока и узлом 25 суммирования образуют дополнительный контур регулирования по полному току нагрузки 31. При этом силовым регулирующим органом является усилитель 23 постоянного тока с высокими качественными и динамическими свойствами.

Управляющее напряжение формирует дополнительный узел 25 суммирования

в виде сигнала ошибки Uu - U

Зт.ЭоЛ

Так

Ju

как основной силовой канал (каналы) в пределах своей погрешности отдает в нагрузку ток в соответствии с вели чиной 11ц - U

ьп

то для получения заданного суммарного тока в нагрузке необходимо(чтобы среднее значение отдаваемого дополнительным силовым каналом тока в нагрузку в точности соответствовало величине Uon с учетом средней статической ошибки основного силового канала. Кроме этого, усилитель 23 постоянного тока отрабатывает искажения, вызванные в основ

ном силовом канале и прелвключенном сетевом выпрямителе.

Действительно, предлагаемый регулируемый многоячейковый преобразователь в диапазоне частот до верхней границы fB (fg,Jc 2fp/10 2 кГц при промежуточной частоте преобразования fp 10 кГц) может быть представлен как двухконтурный объект автоматического регулирования (фиг.2), передаточная функция которого определяется выражением

Wi +W2 Wi

1 1 + W

wz+w,W,

где

W,

и W,

H

коэффициенты передачи звеньев 35 и 36, соответствующих основному и дополнительному силовым каналам регулирования; заданный ток управления; ток нагрузки.

0

Таким образом, относительная ошибка воспроизведения тока в предлагаемом устройстве определяется (в области низких частот) выражением

,1 1

W, +WЈ+WrW2

,(D

5

0

5

0

5

Запитывается усилитель 23 постоянного тока через последовательно соединенные дополнительные вторичные обмотки 15-17 выходных трансформаторов 7-9 инверторных ячеек 4-6, на которых формируется напряжение, в точности равное напряжению в основном силовом канале на вторичных обмотках 10-12, а также через последовательно соединенную вторичную обмотку 29 выходного трансформатора 28 инверторной ячейки 27, ключи которой управляются непосредственно задающим генератором 20 и осуществляют постоянную вольтодобавку в дополнительном силовом канале, В результате демоду- лированное выпрямителем 18 напряжение, поступающее через фильтр 19 на усилитель 23 постоянного тока, всегда больше на определенную величину, равную величине вольтодобавки инверторной ячейки 27, чем напряжение на выходе фильтра 14 основного силового канала. Причем эта величина не зависит ни от мощности, отдаваемой в нагрузку 31, ни от уровня тока в ней.

Тем самым усилитель 23 постоянного тока, обеспечивая высокие требования к качеству выходного тока (до 0,01% по коэффициентам пульсаций и нестабильности), находится в оптимальном тепловом режиме, а именно, потери в нем не зависят ни от мощности, отдаваемой в нагрузку, ни от величины тока в ней. Тепловые потери в усилителе 23 постоянного тока определяются лить произведением напряжения вольтодобавочной ячейки 27 и его среднего тока, соответствующего величине U0

Таким образом, изобретение позволяет обеспечить более высокое качество выходного тока за счет бо1- лее точного воспроизведения задающего сигнала в соответствии с выражением (1) для относительной ошибки отклонения $н.

Формула изобретения

1. Регулируемый многоячейковый преобразователь, содержащий N фазо- регулирующих узлов, подключенных к цепям управления N соединенных параллельно по входу инверторных ячеек с выходными трансформаторами, основные вторичные обмотки которых соединены последовательно и совместно с последовательно подключенными основными выпрямителем и фильтром, образуют основной силовой канал преобразователя, а дополнительные вторичные обмотки также соединены последовательно и одним выводом подключены к последовательно соединенным дополнительным выпрямителю и фильтру, задающий генератор, выход которого соединен с входами синхронизации N фазорегулирующих узлов, о т- личающийся тем, что, с целью повышения качества регулируемого выходного тока путем более точного воспроизведения задающего сигнала, он дополнительно снабжен основным и дополнительным датчиками тока, усилителем постоянного тока, основным и дополнительным узлами суммирования, источником опорного напряжения

и(N+1)-й инверторной ячейки с выходным трансформатором, вход синхронизации которой подключен к задающему генератору, соединенной по силовому входу параллельно N упомянутым ячейкам, вторичная обмотка введенной инверторной ячейки подключена последовательно N дополнительным вторичQ ным обмоткам, второй вывод которых соединен с вторым входом дополнительного выпрямителя, выводы которого через дополнительный фильтр подключены к силовым входам усилителя постоян5 ного тока, управляющим входом соединенного с выходом дополнительного узла суммирования, один из суммирующих входов последнего совместно с одним из входов основного узла суммирова0 ния образуют1 управляющий вход преобразователя, второй вход дополнит ль- ного узла суммирования подключен к выходу дополнительного датчика тока, один из силовых выводов которого об5 разует первый выходной вывод преобразователя, а второй через последовательно подключенный основной датчик тока соединен с одним из выходов основного фильтра, причем выход ос0 новного датчика тока соединен с вторым входом основного узла суммирования, источник опорного напряжения подключен к третьему входу основного узла суммирования, выход последнего подключен к управляющим входам всех фазорегулирующих узлов, второй выход основного фильтра совместно с одним |из выходных выводов усилителя постоянного тока образуют второй выходной

0 вывод преобразователя, а второй выходной вывод усилителя постоянного тока подключен к точке соединения соответствующих силовых выводов основного и дополнительного датчиков

5 тока.

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что, с целью расширения мощностного диапазона, в него введены М параллельных

0 основных силовых каналов, выходами подключенных к выходным выводам усилителя постоянного тока.

5

31

37

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение при регулировании тока в широком диапазоне с высоким качеством выходных параметров. Цель изобретения - повышение качества регулируемого выходного тока путем более точного воспроизведения задающего сигнала. Преобразователь выполнен по вольтодобавочной схеме в виде (N + 1) параллельно соединенных по питанию инверторных ячеек с выходными трансформаторами повышенной частоты. При этом N ячеек управляются по методу многозонной импульсной модуляции с помощью N фазорегулирующих узлов и имеют по одной или несколько основных вторичных силовых обмоток и одной дополнительной вторичной силовой обмотке у каждого трансформатора. Основные дополнительные обмотки соединяются последовательно и совместно с последовательно подключенными основными выпрямителем и фильтром образуют основной силовой канал преобразователя. Таких каналов может быть несколько, по числу основных вторичных силовых обмоток у каждого трансформатора. Аналогично выполняется дополнительный силовой канал преобразователя, но при этом к последовательно дополнительным вторичным обмоткам трансформаторов N управляемых инверторных ячеек подключается вторичная обмотка выходного трансформатора (N + 1)-ый неуправляемой инверторной ячейки. Уровень и закон изменения тока в нагрузке определяется управляющим напряжением. При этом основной силовой канал (каналы) с помощью основного датчика тока в цепи одного из основных силовых каналов и цепей управления обеспечивает в нагрузке ток на определенную величину меньше, чем задается управляющим напряжением. Тем самым усилитель постоянного тока, который запитывается дополнительным силовым каналом и управляется по разности напряжения управления и сигнала с дополнительного датчика тока в цепи нагрузки, имеет возможность отрабатывать искажения тока в основном силовом канале любой полярности. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

36

38