Способ регулирования напряжения Советский патент 1979 года по МПК H02M5/12 

(54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

I

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике регулирования переменных и постоянных напряжений, и может найти применение в тах случаях, когда требуется регулирование напряжения в большом диапазоне при сохранении высоких энергетических показателей, а также в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие регулирования при минимальной массе и габаритах самих регуляторов.

Известны способы регулирования как переменного так и постоянного напряжений, реализукпциа частичную модз 1яцию выходного напряжения. При небольшой глубине модуляции (5-15%и с()) такие способы и реализующие их устройства позволяют получить довольно высокие энергетические показатели за счет незначительньгх искажений напряжения источника питания. Однако увеличение диапазона регулирования сводит эти преимущест- ва на нет и энергетические показатели таких систем не отличаются от глубокорегулируемьос. Установка же входных и вькодных фильтров, с целью уменьшения, искажений входных токов и выхЬдньох напряжений, приводит к резкому снижению . быстродействия регулирования, что в ряде случаев недопустимо. /

Наиболее близким по существу технического решения к изобретению является способ регулирования переменного напряжения, реализованный в системах со зве0ном повышенной частоты поср1едством преобразования напряжения источника питания в напряжение повышенной частоты, передачи энергии через высокочастотный трансформатор) и преобразования ее в на5пряж:очие с частотой источника питания мостовьпл демодулятором на полностью управляемых юирчах путем сдвига фаз управляющих импульсов соответствуюших пар ключей демодулятора.

Однако в этом случае увеличение глубины регулирования также приводит к увеличению искажений напряжения и снижению энергетических показателей, а установка фильтрующих устройств приводит, как следствиС;К резкому сниженгао быстродействия. Целью изобретения является повышение энергетических показателей во всем диатпазоне регулирования и быстродействия регулирования. , Поставленная цель достигается тем, .что в известном способе диапазон регулирования разделякэт- на 2 И зон и ре TyitftpoiEiiuHHbie напряжения в первых И ; зонах осуществляют последовательным сдвигом на 18О управляющих импульсов с:б1этвёт 5тёующи.х пар ключей каждого демодулятора, а в остальных И зонах посЙедойтёльным встречным сдвигом на ISO уйуэаМяЮщих импульсов други.х пар ключей демодуляторов. Другое отличие состоит в том, что, с целью поддержания энергетических пока затёлёй систем е вольтодобавочнымй сек циями на заданном уровне вовбей Д апазоме регупй ования, объединяют верхние И зон в одну и регулирование в этой ( h +1)-ой зоне осуществляют одновреMettHbiM встречньш сдвигом на 180° фйззамыкания других пар ключей всех демодуляторов. Это позволяет в каждой из 2 И (либо Ц+1) зон регулировать напряжение методом однополярной вьюокочастотной ши отйЬ-импульсной модуляции при диапазоне регулирования, причем процесс регулирования основан на сочетании 2И+1 (либо П+2) уровней неискаженййо аа11ряжеиия источник питания и вьюокЪчастотной мротно-импуЛьснрЙ мод пяпйей между любыми сосбйнимй уровнями. При таком способе рёгулирова ядя удается во всем диапазоне сохранить высокие эНерг е йчёС КйёпдкЙз§ ёпйГвсле ctBtie чего незначительные фильтры, либо tint отсутствие, позволяет повысить быстр дёйствие процесса р ГуЖрОй&нйяво всём диапазоне. Причем увеличение промежуточной повышенной частоты и числа 2 И зоЧя йрийодит к резкому снйжейик иска женйй, массы фильтров и к повьииению быстродействия. Сущность изобретения поясняется при мерами конкретной реализации способа н прйвёденнь1х ниже чертежах. На фиг. 1 и 2 представлены функционаЛЬныё схемы реЬуляторов напряжения , со звеном повышенной частоты. В регуляторе на фиг. 1 нагрузка гальванически связана с питающей сетью. Диапазон регулирования здесь определяется колиеством и 11еличиной вэльтодобавочпых веньев. ПрВдельный целесообразный диапазон изменения выходного напряжения от О до 2 lJce,Tn -В схеме на фиг. 2 нагрузка гальванически разделена с питающей сетью. Напряжение здесь может реверсироваться, его регулирование обеспечивается в пределах от максимального положительного до минимального отрицательного значений. На фиг. 3,4,5 приведены временные диаграммы, поясняющие сущность способа регулирования при питании от источника переменного и постоянного напряжений. На фиг. б представлена функциональная схема регулятора напряжения, позволяющего регулировать выходное напряжение в каком-либо ограниченном, наперед заданном диапазоне.. На фиг. 7 приведены временные диаграммы, поясняющие сущность способа регулирования при частичной модуляции. Регуляторы на фиг. 1 и 2 содержат И последовательно включенных мостовых демодуляторов, обозначенных Д1, Д2... Дм , каждый из которых выполнен на полностью управляемых ключах К1:1, К1:2,К1:3,К1:4}К2:1,К2:2,К2:3,К2:4; ...{Ки 1:Кп:2, Кп: 3, Kh.4 соответственно. высокочастотный тpaнcфojpмaтop 1,первйчная обмотка NiV которого включена в одну диагональ мостового инвертора 2,3,4,5, а вторая его диагональ подключена к источнику питания. Трансформатор 1 имеет h вторичных обмоток Wj /|,,.,(/,,включенных в диагонали повышенной частоты демодуляторов Д1, Д2, ..., ДИ соответственно. В схеме по фиг. 1 крайние выводы низкой частоты последовательно соединенных демодуляторов включены последовательно с источником питания и с , нагрузкой б, а в схеме по фиг. 2 - соединены с нагрузкой б непосредственно. Регулятор по фиг. б, кроме перечисленных элементов, имеет нерегулируемую секцию, включающую в себя дополнительную вторичную обмотку и демодулятор ДО на ключах К0:1, КО:2, К0:3, КО:4. На фиг. 3, 4, 5, 7 обозначено: 7 напряжение источника питания переменного тока, например напряжение сети . . 8 - напряжение повышенной частоты, действующее в каждой из вторичньсх обмоток трансформатора 1, при питании от источника переменного напряжения; 9,9а, 96, 10, 1Оа, 1Об - диаграммы состояния одних пар ключей, смежных относительно зажимов низкой частоты демодуляторов, В частности 9 - диаграмма сост ний ключейКи:2, Км :4 демодулятора Дц Ю-диаграмма состояний ключей К ( 2, К (и 1):4 демодулятора Д ( h -1) итакдалее до демодулятора Д1, причем положительные . импульсы этих диаграмм соответствуют включенному сос тоянию ключей Кп :2, К { П -i):2 и т.д., а отрицательные - Kh-4, К ( h:4 и т.д., 11, На, 116, 12. 12а диаграммы состояний других пар клк чей каждого демодулятора, причем положительные импульсы этих диаграм соответствуют включенному состоянию, ключей kh :3, К ( И-1): 3,..;, К1:3, а Iотрицательные - Кп :1, К (Vv-1):,.., :К1:1; 13 - максимальное напряжение на нагрузке: 14, 14а, 15, 13а - напряжение на нагрузке в процессе регулировани 16 - напряжение источника питания tiocтоянного тока, в качестве которого Может быть использовано, например, напряжение аккумуляторной батареи, либо выпрямленное и отфильтрованное напряже ние сети и т. д.; 17 - напряжение повышенной частоты при питании от ис:точника постоянного тока; 18, 18а - напря жение на нагрузке в процессе регулирования} 19, 19а, 2О, 2Оа - иапряжение на нагрузке в процессе регулирования для схемы по фиг. 6. Н а фиг. 8 приведены зависимости коэ фициента мошности К ( 0) и коэффициента гармоник K. f(0, для регулятора .по фиг. 1 при условии равенствэ 1 , VK/Z 2, на фиг. 19 и 10 N«2 2эти же зависимости для регуляторов по фиг. 2 и 6 соответственно, при том же условии, а на фиг. 11 зависимости К f С Uj) и К р f ( 0) при УСЛОВИИ поддержания этих xapaктepиctик на задан ном уровне во всем диапазоне регулирования. Следует отметить, что приведенные на фиг. 8,9,1О и 11 Эависик ости носят качественный характер, таК как количественная их оценка может быть дана лишь при конкретном числе И- . Естественно, что врегуляторах при питании их от источника переменного напряжения ключи как модулятора, так и демодуляторов Должны выполняться на ключах с двухсторонней проводимостью, а при питании От источника постоянного напряжения - на ключах с односторонней проводимостью. Однако, поскольку про1.ЭССЫ регулирования переменного и постоянного Напряжений идентичны, то наиболее подробное рассмотрение сущности способа достаточно провести на одном устройстве, например, по фиг. 1 при регулировягши переменного напряжения. Согласно изобретению, преобразование напряжения источника питания, наnpliMsp, напряжения сети 7 (фиг, 3) в напряжение пОвУШейной частоты 8 осуществляется модулятором на ключах 2,3, 4,5, а передача энергии - через высокочастотный трансформатор 1. Обратное преобразование напряжения повышенной частоты в напряжение с частотой источника питания осуществляется h последовательно включенными демодуляторами Д1, Д2,..., . Далее способ регулирования удобнее рассматривать С режима, когда напряжение на нагрузке максимально. В таком режиме состояния ключей демодуляторов определяются диаграммами, обозначенньши на фиг. 3 цифрами 9, 1О,... и 11, 12... При этом одновременно замкнуты противоположные ключи всех демодуляторов К1:2 и К1:3, К2:2 и К2:3,..., Ки2 и Кц :3, а в другой полупериод па-пряженйя 8 повьпиенной частоты - ключи ;К1:1 и К1:2, К2:1 и К2:4,... Кц :1 и КИ :4, подключая при этом ЭДС всех вторичных обмоток. ,.--,iJ cornacao с Напряжением 7 источника питания. Напряжение 13 на нагрузке максимально, имеет неискаженную синусоидальную форму .и соответствует .(2П+1) -ому неискаженному уровню. Согласно предложенному изобретению весь диапазон регулирования (для рассмэ:гриваемого примера - отОдо 2 Оц.пит разделяют на 2И зон и-регулирование напряжения в первых Н зонах (от 2 и.пит- Д н-пиГ. ) осушесгвляюг последовательным сдвигом на 180 фаз замыкания одной на пар ключей, например ключей К1:2 и К1:4,К2:2 и К2:4..., К :2 и KnJ4 каждохх) демодулятора. Регулирование в зоне 2 И осуществляют, например, сдаигом йй угол регул фования -ipH (фиг. 3) фаз замыкания ключей К п:2 и ten :4 демодулятора Дп задавая алгоритм его работы. При этом дновременно будут замкнуты ключи Кн-3 Кп :4 (в интервале ) , Kti:2 н и-З (в ИнтервалеЯг-qt р„, Кп:1 и K.:2, м :1 и KhV 4. Такой алгоритм обеопэивает либо исключение ЭДС обмотки из онтура суммирования напряжений вторичых обмоток с напряжением источника , ;7 питания (в d. п V либо под(в интерваключвнке ее к этому контуру ле 1C -4 pnV орма напряжения на нагрузке при этом будет иметь вид приведенный на фиг. 3 кривой 14. Дальнейшее; увепиченяе сдвига фазы замыкания указанных ключей приводит и к уменьшению напряжения в зоне 2Vi , а следовательйо, и к умей.шейию напряжения на нагрузке. При изменении фазы замыкания на пол периода напр жения повьшюннрй частЬты (d. 2pj на фиг. 3) ключи демодулятора Ди, диа граммЬ с осто;аиий которых показана пунктир jHoft линией 96, замык.аются по циклу . Кп :4 и Кп ;3, Кп :2 и КП :1, все $ремя исключая ЭДС обмотки V/ из контура суммирования. Напряжение на нагрузке при этом снова ймечт. синусоидальный характер, но уже на другом; уровне 2(1. Для дальнейшего, регулирования напряжения в зоне (2Ц-1) необходимо аналогично сдвигать на 180 фазу замыкания пары ключей демодулйтора Ди -1, Диаграмма состояний ключей которого при некоторой промежуточной фазе сСр() приведена на фиг. 3 пунктирной линией Юа. Теперь на время Н p(j,) из контура суммирйвания будет исключаться обмотка и будет определять величину выходного напряжения 14а. Очевидно, что дальнейшее последовательное изменение, фаз замыкания одной из пар ключей остальных демодуляторов приводит к поочередному исключению остальных вторичных обмоток трансформатора 1 из контура суммнроваНИИ,- а Следовательно, и. к плавному позонному регулированию в.ыходного напряжения. При установлении фаэь замыкания ключей К1:2 и К1:4 последнего демодулятора Д1, равной 180, одновременно будут замкнуты в один полупериод напряжения 8 ключи К1:1, К1:2, К2:1 ,и К:2, ..fKn :1 иКп : 2, а другой полупериод-ключв К.1:3 и К1:4,К2гЗиК2:4„.. К11:ЗиКп.4, обеспечивая тем самым неискажённую передачу на нагрузку на. пряжения 7 источника питания. Так осуществляется регулирование в первых TV зонах. . Регулирование же напряжения 6 остальных И зонах осушествляют встреч ным сдвигом на 180 фаз замьшанйя других Пир ключей и К1:3, К2:1 /и К2:3, ..., Кй:1 и Кн :3 демодуляторов Д1, Д2, ...| Дп .Фазы замыкания первъох пар ключей {К1:2. и К1:4„ К2:2 69 33 и К2:4, ,.., Кп :2 и Км :4) при регули- ровании в нлжних h зонах неязменны и характеризуются диаграммами, обозначенными на фиг. 4 цифрами 96, 1Об,... Регулирование напряжения в зоне И (фиг. 4) ос;;/шествляют встречным изменением фазы замыкания ключей Кп :1 |и Кп ;3 .демодулятора Ди на угол . Диаграмма состояний ключей этого де-. модулятора Ди приведена на фиг. 4 эпюреми 96 и На, согласно которой будет определяться и цикл замыкания этих ключей: Кп :3 и Кп :4, КИ :4 и Kh :1, Км:1 и Кц:2, Kh:2 и Кп :3. Это приводит к встречному включению ЭДС обмотки Чи/2 с напряжением 7 источника питания и к уменьшению Напряжения 15 на нагрузке. При установлении фазы замыкания гшючами КП :1 и Кп :3 равной 1,80 ( 4) цикл зам э1кания ключей демодулятора Ди будет следующий; Кр:4 и КШ, Кн:2 и Ktl :3 (чхо иллюстрируется диаграммой 116). ОбмЫка NW в этом режиме будет постоянно включена встречно с напряжением 7 и на нагрузке будет действовать неискаженное напряжение. Регулирование напряженияв следукнцейч ( И-1)-Ой зоне осуществляется встречным сдвигом фазы замыкания пары ключей демодулятора Д ( П-1) на угол |Ь р(п-1 чем достигает ся введение обмотки этого демодулятора в контур регулирования и обеспечивается на нагрузке напряжение 15а. Естественно, что дальнейшеевстречное изменение фаз замыкания последовательно други.х пар ключей демодуляторов приводит к поочередному встречному включению остальных вторичных обмоток с напряжением источника питания и, как следствие, к ; плавному позонному уменьшению выходного напряжения до О, Энергетические характеристики К (0. для рассматри(0„) ваемого примера, приведенные на фиг., 8, показывают, что сочетание в процессе регулирования уровней неискаженного на- . пряжения источника питания с однопопяр и ной высокочастотной широтно-импульсной модул$шией между любыми соседними уровнями позволяет сохранить вО всем .. диапазоне регулирования высокие энергетические характарнстики, за счет малостн искажений входного напряжения. В верхних зонах регулирование можно . существенно упростить, для чего необхо;димо, начиная с уровня, когда напряжение на нагрузке равно напряжению ксточ9 Г йика питания, объединить и.х в одну и регулирование в этой ( И+1)-ой 30HG осу.шествлять одновременным встрбчпьтм сдви гом на 180.фаз замыкания другах пар ключей всех демодуляторов. При таком способе в контур суммирования вводятся одновременно всё обмотки демодуляторов, ЭДС этой зоны будет определяться . - imiii4 п, .Так удается поддеркак , S Ъ . . 50 живать энергетические пок;азатели близки ми к наперед заданному уровню во всем диапазоне регулирования (фиг. 11). Таким образрм, i изобретение позвсйтает регулировать как переменное так и постоянное напряжение в любом диапазоне при сохранении вьюоках энергетических показателей, за счет малости искажений напряжения источника питания, величина которых может быть выбрана сколь угодно малой увеличением числа И демодуляторов. С другой стороны минимапьнь1е искажения на промежуточной повышенной частоте позволяют устанавливать небс пьшие, компактные фильтрующие устройства с постоянными времени, не превышаю-- шими нескольких полупериодов напряжения повышенной частоты, либо вообще отказаться от фильтров, так каК искажения легко могут быть доведены др значений, не превышающих требований ГОСТ. А это позволяет резко повысить быстродействие, регулиров ания напряжения и от-т крьюает новые возможности в построе НИИ высокоэффективных систем преоб{зазовательной техники. Следует отметить, что при таком способе регулирования, когда энергия передается через трансформатор на прбмежуточной повышенной частоте, увеличение .д числа вторичных обмоток трансформатора не приводит к столь резкому росту массы и габаритов силовь1х регулирующих

t-f f2 -л

X - -IX.

. / 33 органов, как например, в системах, у которых трансформаторы работают на промышленной частоте сети, что в случаях, где важны минимальная Масса к габариты является немаловажным фактором. ормула изобретения 1.Способ регулирования напряжения Путем преобразования напряжения источника питани:я в напрягкёнйе повышенной частоты, трансформации и посйедующего преобразования его в напряжение с частотой источника питания последовательно включёнными П мостовыми де(лодуяяторамйЕа прлнЬдтью управляемых ключах в результате сдвига фаз управляющих импульсбв, cMejKHbPt относительна выводов низкой частоты пар ключей демодуляторов, о т я и ч а Ю ш и и с я тем, что, с целью поВышен1 1Я энергетически-х показателей во всем диапазоне регулирования и бьютродействия, упймянутый диапазон разделяют на 2li. зон и в первых и зонах последовательно на угол leo управляющие импульсы упомянутых пар ключей каждого демодулятора, а в остальных И зонах - последовательно-; встречно сдвигают на 180°управляющие « импульсы других пар ключей дамодуляторов. 2.Способ регулирования напряжения по п. 1, отличающийся тем, что, с целью поддержания енергетических показателей систем с ввльтодобавочнымв секциями на заданном уровне во всем, диапазоне регулирования, объединяк верхние М ;гюшл в ойну и регулирование в этой ( П+1)-ой зона осуществляют одновременным встречным сдвигом на 180° фаззамыкания других пар ключей всех демодуляторов.

/, 2-1, 2-г.

.

л-j

Д-bbiF

о L.

.4

IJTlJlJXllJnjnJlJ

,Од . ., ...

т n r-T г-1 n ri гЧ r-i r-i ri ГТ n n n n . о

LJ LJ l) LJ UJ LJ UJ UJ l -

N f

V . .7

Кг KMI

1,0 1,0

f -2 3

Кг Км

23 ПЗ

и,

Фиг. 7

.i . - .

.-г

v4

692033

Kf KH

A

/

.Xr

7

h

LUUMJL4JLM

123 У n-f n

Pui. H

ntf