Преобразователь напряжения Советский патент 1993 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к области элек- .трбтехники, в частности, к преобразовательной технике, и может быть использовано в многофункциональных системах вторичного электропитания, программируемых регуляторах напряжения, обеспечивая высокое качество преобразованной электроэнергии и улучшение массогабаритные показатели при питании от раз- личных первичных источников электроэнергии (не только переменного тока).

Целью изобретения является расширение области применения преобразователя напряжения.

На фиг. 1 представлена блок-схема преобразователя напряжения: на фиг. 2 -- функциональная схема задатчика формы выходного напряжения.

Преобразователь напряжения (фиг. 1) содержит два одинаковых преобразовательных тракта 1 и 2, входы которых являют- ся входами преобразователя напряжения, а выходы соединены последовательно и подключены к силовому входу демодулятора 3, а к управляющему входу демодулятора 3 подсоединен выход генератора тактовой ча- стоты 4, а также задатчик формы выходного напряжения 5 и выходной аналого-цифро- вой блок 6, вход которого соединен с выходом демодулятора 3, а выход с одним из входов компенсирующего делителя 7, на второй вход которого подключен сумматор 8, причем выход компенсирующего делителя соединен со входом регулирующего умножителя 9, на регулирующий вход которого подается сигнал регулирования величины выходного напряжения Q.

Структура преобразовательных трактов 1 и 2 одинакова. Каждый преобразовательный тракт содержит последовательно соединенные модулятор 10.1 (10.2). (В скобках указана нумерация блоков преобразовательного тракта 2), на управляющий вход которого подключен выход генератора тактовой частоты 4, амплитудный квантователь 11.1 (11.2), с двумя группами силовых ячеек, причем выход вторых групп силовых ячеек соединены последовательно и подключены к входу демодулятора 3. Кроме того преобразовательный тракт 1 (2) содержит измеритель амплитуды напряжения питания 12.1 (12.2) и детектор нулевого напряжения 13,1 (13.2), входы которых подключены к входу модулятора 10.1 (10.2), а выходы детектора нулевого напряжения 13.1И3.2/К входу начальной установки задатчика формы выход- ного напряжения 5 и выход измерителя амплитуды напряжения 12.1 (21.2) к одному из входов первого делителя 14,1 (14.2), на второй вход которого подключен выход задатчика формы выходного напряжения 5, причём выход первого делителя 14.1 (14.2) поразрядно подключен к управляющему входу второй группы силовых ячеек амплитудного квантователя 11.1 (11.2) и одному из входов второго делителя 15.1 (15.2), на вто- рой вход которого подключен анэлого-циф- ровой блок 16.1 (16.2), вход которого подключен к выходу амплитудного квантователя 11.1 (11.2), а выход второго делителя 15.1 (15.2) на один из входов умножителя 17.1 (17.2), на второй вход которого подключается выход регулирующего умножителя 9, а выход поразрядно подключен на управляющий вход первой группы силовых ячеек амплитудного квантователя 11.1 (11.2).

Задатчик формы выходного напряжения 5 (фиг. 2) включает в себя циклические двоичные счетчики 18,19 на счетные входы которых подключен выход генератора тактовой частоты 4, а выходы соединены с адресными входами блоков памяти 20 и 21.

Преобразователь напряжения работает следующим образом. Входное напряжение произвольной формы, иВл, поступает на вход модулятора 10.1, преобразованного тракта Uex2 на вход модулятора 10.2, преобразованного тракта 2. На модуляторах 10.1 и 10.2, выполненных, например, по мостовой схеме инвертора напряжения на полностью управляемых ключах, входное напряжения Uexi и Uex2 модулируются промежуточной высокой частотой fnp, задаваемой генератором тактовой частоты 4.

Высокочастотное импульсное напряжение UM, с выхода модулятора 10.1 и UM, с выхода модулятора 10.2 поступает на входы соответственно амплитудного квантователя 11.Т и 11.2, где происходит формирование высокочастотного импульсного напряжения UAK-I и 1Мк2 требуемой формы за счет изменения амплитуды, величина которой задается задатчиком формы выходного напряжения 5 в каждом такте промежуточной высокой частоты fnp.

Рассмотрим более подробно процесс формирования высокочастотного импульсного напряжения UAKI и UAKJ в амплитудных квантователях 11Л и 11.2.

Входное напряжение UBx ,и UBX параллельно с поступлением на модуляторы 10.1 и 10.2, поступает на входы измерителя напряжения питания 12.1 и 12.2 соответственно, где значение их амплитуды преобразуется в двоичный код, в каждый такт частоты fnp, причем частота преобразования на порядок больше частоты fnp. Двоичные коды UBX, и UeV выходов измерителя напряжения питания f2.1 и 12,2, соответствующие значениям амплитуд входных напряжений ивхуи UpxjJ каждом такте частоты fnp поступают на входы первых делителей 14.1 и 14.2 соответственно, на вторые входы которых поступают двоичные коды , и иэт блоков памяти 20 и 21, последовательная выборка которых с помощью двоичных циклических счетчиков 18 и 19 и задает требуемую форму огибающей высокочастотного импульсного напряжения UAKI и UAK2 амплитудных квантователей 11.1 и 11.2 при постоянном значении входных напряжений UBX., и UBX. Значения U|x.и UeXiпоступают на вход первых делителей 14.1 и 14.2 соответственно, на вторые входы которых поступает значение Uar, и U3rx из задатчика

ррфния Q, увеличивается значение КрС-Q, itociTViiaioiMeie на один из входе умножите- лейi 17.1 и 17.2 и, как следстйгё, увеличивается код, поступающий на управляющие электроды ключей первой группы силовых 5 ячеек амплитудных квантователей 11.1 и Т1.2, что ведет к одинаковому изменению

коэффициента трансформации высокочастотных трансформаторов амплитудных квантователей 11.1 и 11.2. одинаковому 10 приращению значений амплитуд UAK иУдк и, как следствие, увеличению (уменьшению) амплитуды ивых.

Синхронизация работы всех блоков и узлов схемы осуществляется частотой fnp, 15 вырабаты ваемой генератором тактовой частоты 4. Все аналого-цифровые блоки и пре- обра зователи работают от общего

.источника опорного напряжения. При необходимости (если диапазон АЦП не еовпад а- 20 ет с реальными значениями напряжения) перед аналого-цифровыми блоками и преобразователями ставятся масштабирующие усилители, а выход делителей 14.1, 14.2 и умножителей 17.1, 17.2.подключаются куп- 25 рзвляющим электродам ключей амплитуд H-btx квантователей 11.1 и 11.2 через буферные регистры хранения. : Далее более ясного представления рассмотрим работу преобразователя, который 30 питается от трехфазного источника электроэнергии и осуществляет преобразование переменного синусоидального напряжения в постоянное..

Амплитудные квантователи 11.1 и 11.2 35 «одержат в первой и второй группах по пять силовых ячеек. Причем отношение количества витков силовых ячеек в первой и второй труп пах вьгсокочастотного импульсного трансформатора составляют весовые коэф- 40 фицйенты двоичного кода. То есть, если ко- ;лй {ество виткрв первой силовой ячейки (младшей) составляет 10, то второй 20, третьей 40, а четвертой 80 витков и т.д. А ключевые элементы каждой силовой ячейки 45 работают в прЬтивофазе. На вход преобразовэтельнрго тракта 1 поступает фазное напряжение фазы А трехфазного источника электроэнергии, т.е. Uex UA, (действующее значение 220 В, Гц). Вход преобразо- 50

. вательного тракта 2 подключен к линейному напряжению фаз В и С, т.е. UBX UBC {действующее значение 380 В Гц). Та- к,им образом на входе преобразовательного тракта 2 поступает синусоидальное нэпря- 55 жение UBX.C амплитудой в Г раз больше и сдвинутое по-фазе на 90° относительно входного синусоидального напряжения UBXJ преобразовательного тракта 1. Входные переменные напряжения UBX и UBX, поступают на вход модуляторов 10.1 и 10.2 соответственно преобразоадтельных трактов 1 и 2, где преобразуется в промежуточное высокочастотное импульсное напряжение им/;И частотой fnp. Причем частота fnp 16tipO Гц, вырабатываемая генератором тактовой частоты 4 в 2П (,6,7„.) раз больше частоты входного напряжения UBx, и UBxЈ. Входное переменное напряжение UBX 1 одновременно поступает на вход детектора нулевого напряжения 13.1 преобразовательного тракта 1, где при прохождении огибающей напряжения UBx, через О срабатывает детектор нулевого напряжения и происходит обнуление двоичного счетчика 18. В блоке памяти 20, начиная с нулевого адреса, записаны двоичные коды иэт,, соответствующие функции Sin2x, а в блоке памяти 21 - 1Йтг соответствующий Cos2x. Двоичные коды Uar (Sln2x) и 1)этг (Cos2x) поступают на входы первых двигателей 14.1 и 14.2 соответственно преобразовательного тракта 1 и 2, где происходит формирование управляющего кода Уфу, и ифукг для второй группы силовых ячеек амплитудных квантователей 11.1 и 11.2, в зависимости от величины амплитудных входных напряжений UBX,и UBX., значения которых UBX и иВхл поступают соответственно с измерителей напряжения питания 12.1 и 12.2. Таким образом на вторичных обмотках импульсных трансформа;- торов амплитудных квантователей 11.1 и 11,2 в каждом периоде входного переменного напряжения UBX формируются высококачественные импульсные напряжения UAKJH иАКг, огибающие которых соответствуют функции Sin х и Cos х. Вследствие поеяедо-, вательного соединения вторичных обмоток амплитудн ых квантователей 11.1 и 11.2, происходит суммирование импульсных напрйже- ний UAK, и UAK в каждом такте частоты fnp

OAK-I + идка - + Cos2x 1.

Таким образом, выделив на демоДуАято- ре 3 огибающую BHcdK04aCTOtH6ro импульсного напряжения UAK, .+ UAKA. получим постоянное выходное напряжение UBHX. величина которого зависит от сб.отношения количества витков в первичной и вторичной обмотках импульсных трансформаторов мо-. жет быть как понижающей, так и повышающей амплитудных квантователей 11.1 и 11.2 регулируется по первой группе силовых ячеек. ; . ,. .. . -.- ...;

Для приведенного случая (питание от трехфазного источника) коэффициент транс-, формации амплитудного квантователя 11.2, преобразовательного тракта 2, должен быть в V3 раз меньше чем в амплитудном кванто- -вателе 11.1, преобразовательного тракта 1,

918141.77 1р.

что позволяет упростить работу задатчикаФормула изобретения формы выходного напряжения 5. При коэф- 1. Преобразователь напряжения, содер- фицйенте трансформации КТр 0,25 транс- жащий преобразовательный тракт в виде форматора амплитудного квантователя 11.1 последовательно соединенных модулятора и ,25/ vT амплитудного квантователя 5 и амплитудного квантователя, который вы- 11.2 можно получить постоянное регулируе- полнен в виде двух групп последовательно мое выходное напряжение иВых-±(12,5 - 50) соединённых по выходу силовых ячеек, каж- В, с шагом регулирования 2,3 В. Реализация дая из которых представляет собой замкну- амплитудного квантователя описана в . тую цепь из последовательно включенных В качестве полностью управляемых си- 10 обмотки трансформатора и двух ключевых ловых ключей с двухсторонней проводимо- элементов, работающих в противофазе, си- стью модулятора 101 (Т0.2) и модулятора 3. ловые выводы одного из которых образуют выполненных по мостовой схеме инвертора выходы ячеек, а также демодулятор, задат- напряжения, могут использоваться полевые чик формы выходного напряжения, генера- транзисторы со статической индукцией типа 15 тор тактовой частоты, подключенный к КП701А, которые имеют обратное напряже- управляющим входам модулятора, демоду- нйе В, большой частотный диапа- лятора, задатчика формы выходного напря- зон до 1 МГц и малые потери. Этот же тип жения, и последовательно соединенные транзисторов можно использовать в ампли- выходной аналого-цифрозой блок, вход ко- тудных квантователях 11.1 и 11.2. В зависй 20 торого подключен к выходу демодулятора, а мости от мощности преобразователя, выход - к одному из входов компенсирую- силовой ключ может состоять из нескольких щего делителя, регулирующий умножитель, параллельно включенных транзисторов. сумматор, о г л и ч а ю щ и и с я тем, что, с В системе управления силовыми транзи- целью расширения области использования, сторами используются оптроны типа 25 он снабжен вторым преобразовательным АОД130А. трактом, выполненным аналогично перво- В качестве сердечника высококачест- му, причем выходы а мплитудных квантова- венноготрансформатора амплитудных кван- телей первого и второго тователей 11.1, 11.2 используются преобразовательных трактов соединены по- ферритовые кольца марки М2000НШ, кото- 30 следовательно и подключены на силовой рые обеспечивают работу трансформатора вход демодулятора, каждый преобразована высокой частоте до 100 кГц. Размеры и тельный тракт дополнительно содержит йз- тип ферритового сердечника, а также коли- меритель амплитуды напряжения питания, чество ви тков в каждой обмотке определя- детектор нулевого напряжения, два делите- ются частотой промежуточного 35 ля, аналого-цифровой блок и умножитель, высокочастотного преобразователя и мощ- причем вход измерителя амплитуды напря- ностью преобразователя. В качестве знало- жения питания и детектора нулевого напря- го-цифровых блоков 6, 16.1, 16.2 женил каждого преобразовательного используется интегральный быстродейству- тракта объединены с входом модулятора со- ющий АЦП типа 1113ПВ1. 40 ответствующего преобразовательного трак- Схематическая реализация детектора та, выход детектора нулевого напряжения нулевого напряжения освещена в моногра- подключен к соответствующему входу на- фии Шило В.Л. Линейные интегральные схе- чальной установки задатчика формы выход- мы в радиоэлектронной аппаратуре. - ного напряжения, а выход измерителя М.:Сов. радио, 1979, с. 185-188. 45 амплитуды напряжения питания к одному из Реализация блоков деления 7,14.1,14.2, входов первого делителя, на другой вход 15.1, 15.2 умножения 9, 17.1,17.2 суммирова- которого подключен соответствующий вы- ния 8 подробно рассмотрена в монографии: ход задатчика формы выходного напряже- Самофалов К.Г... Корнейчук В.И., Тарасенко ния, выход первого делителя подключен В.П. Электронные цифровые вычислительные 50 поразрядно к управляющим входам второй машины. - Киев: Вища школа, 1976. группы силовых ячеек амплитудного кванто-

Все вичислительные цифровые блоки, а вателя и к одному из входов второго делите- также счетчики и элементарные логические ля, а на его другой вход подключен выход схемы реализованы на базе интегральной аналого-цифрового блока, вход которого со- серии К555. В качестве блоков памяти 20,21 55 единен с выходом амплитудного квантова- используется перепрограммируемое посто- теля, а выход второго делителя соединен с янное запоминающее устройство серии . одним из входов умножителя соответствую- К573РФ6. В схеме генератора тактовой час- щего преобразовательного тракта, на дру- тоты 4 используется кварцевая стабилиза- гой вход которого подключен выход ция частоты.регулируемого умножителя, а выход поразрядно подключен к управляющим входам первой группы силовых ячеек амплитудного квантователя, причем выход аналого-цифро- вых блоков каждого из преобразовательных трактов также подключены к выходам сумматора, выход которого подключен к второму входу компенсирующего делителя.

2. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что задатчик формы выходного напряжения содержит два циклических двоичных счётчика, выходы которых подключены соответственно ic адресным входам Двух блоков памяти, причем счетные входы циклических двоичных счетчиков объединены и использованы как управляюсцие входы, а входы обнуления использованы как входы Й и чальной установки за датчика выходного Напряжения, в качестве выходов которого использованы выходы блоков памяти,. Vv::O:..: y -r -i/ --: /:.: : :/:- - . :.. Ч :

Прербразователь напряжения обеспечивает получение высококачественногр выходного напряжения при питании преобразователя от источника либо постоянного, либо переменного напряжения. При .этом обеспечивается быстродействующее широкодиапазоннйе регулирование и стабилизация выходного напряжения, л ричем на программном уровне, что достигается за счет введения второго прербразовательнЬ- го тракта, а также дополнительное введение в каждый из преобразовательных трактов анализатора напряжения питания, формирователя управляющего кода, аналого-циф- рового блока, делителя и умножителя, 2 ил. 5 Ё 00 si

W /