Регулятор напряжения со звеном повышенной частоты Советский патент 1979 года по МПК G05F1/22 H02P13/16 

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к преобразователям HJ регуляторам переменного и постоянного напряжений, и может найти применение в тех случаях, когда требуется регулирование напряжения в большом диапазоне при со фанении высоких энергетических показателей, вне зависимости от глубины регулирования, а в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие регули- рования и минимальная масса и габариты регулятора. Известны регуляторы напряжения дискретного действия, содержащие транс(} орматор, несколько мостов на ключах с двухсторонней проводимостью, одними выводами соединенные последовательно и включенные между одним из входных и выходных выводов регулятора, а между и другими выводами включены вторичные обмотки трансформатора l. Однако такие регуляторы имеют низкие массогабаритные показатели иэ-за j трансформатора, работающего на частоте источника питания, и неудовлетворительные регулировочные характеристики. Известен также регулятор напряжения со звеном повышенной частоты, содержащий высокочастотный трансформатор, мостовой модулятор на полностью управляемых ключах, к одним из выводов которого подключена первичная обмотка трансформатора, а другие его выводы образуют входные вьюоды регулятора, мостовой демодулятор на полностью управляемых ключах, одними силовыми входными вьшодами подключенный ко вторичной обмотке трансформатора, а другими - между входным и выходным выводами регулятора, и блок управления в виде задающего генератора, связанного с управляющими входами ключей модулятора Непосредственно и с управляющими входами ключей демодулятора через фазосдвигающне узлы с регулитгемыми углами задержки в опережения 2, Однако .использование известного регулятора Целесообразно в узкодиааазонных устройствах, поско71ьку увеличение диапазона регулирования приводит к сниженшо технико-энергетических показателей. Целью изобретения является повышение технико-энергетических показателей при широкодиапазонном регулировании Для этого каждый из дополнительно увеличенных демодуляторов снабжен упомянутыми фазосдвигающими узлами и пороговыми элементами с последовательно нарастающими уровнями, включенными между управляющими входами фазосдвигающих узлов и управляющим входом бло ка управления, причем половина пороговых элементов с последовательно нарастающими уровнями, начиная с первого, со динены с управляющими входами фазо- сдвигающих узлов, например, с регулируемым углом опережения, а половина других - с регулируемым углом задержки; в системах с ограниченным диапазоном введена дополнительная секция высок частотного трансформатора с демодулятором, выходными выводами соединенным - последовательно с упомянутыми демодуля торами} в системах нерегулирования постоянного напряжения, демодулятор дополнительной секции трансформатора выполнен на неуправляемых вентилях; в системах регулирования переменного напряжения демодулятор дополнительной се ции трансформатора выполнен на полностью управляемых ключах с двухсторон ней проводимостью, управляющие входы . которых соединены с выходом задающе-го генератора, С целью упрощения устройства во всем диапазоне регулирования фазосдвигающие узлы с одноименным углом регулирования объединены и соедине ны с управляющим входом блока управле ния через общий пороговый элемент. Это позволяет улучщить технико-энергетические показатели при щирокодиапазонном р гулировании. На фиг. 1 приведен регулйтор напря жения со звеном повышенной частоты, функциональная схема, в котором нерегул руемый источник напряжения образован напряжением источника питания,,на фиг. 2 регулятор напряжения с нерегулируемым источником, образованным дополнительно секцией трансформатора и мостовым демодулятором} на фиг. 3 показана схема для регулирования постоянного напряжения, где д модулятор нерегулируемой сек ции выполнен в виде неуправляемого выпрямителя на диодах; на фиг. 4 приведена схема, позволяющая поддерживать эне гетические показатели на заданном уровне во всем диапазоне регулирования при одновременном упрощении самого регулятора на фиг, 5,6 - временные диаграммы, поясняющие работу указанных регуляторов, Регулятор напряжения содержит высокочастотный трансформатор 1, мостовой модулятор на полностью управляемых ключах 2-5, к одним из выводов которого подключена первичная обмотка NWj трансформатора, а другие его выводы образуют входные выводы регулятора, Y мостовых демодуляторов на полностью управляемых кшочах, одними вьшодами соединенных последовательно и включенных между одним из входных и выходных вьшодов, а между их другими выводами включены вторичные обмотки . V ... Wj трансформатора, и блок управления в виде задающего генератора 6, связанного с управл51ющими входами ключей модулятора непосредственно и с управляющими входами ключей демодулятора через фазосдвигающие узлы с регулируемыми углами задержки и опережения, причем каж-. дый из демодуляторов Д1, Д2..,ДП. снабжен упомянутыми фазосдвигающими узла1, Bfty и пороговыми B|i,,|,-«..B элементами П1, П2,..ПГ1 ... последовательно нарастающими уровнями, включенными между управляющими входами фазосдвигающих узлов и управляющим входом блока управления, причем И пороговых элементов. П1, П2..,Пп. , начиная с первого, соединены с управляющими входами фазосдвигающих узлов, например, с регулируемым углом, опережения, а других П(п+1), П(+2),., П2 Пс регулируемым углом задержки, В регулятор (фиг. 2-3) введена дополнительная секция 2 высокочастотного трансформатора 1 с демодулятором ДО причем в системах регулирования постоянного напряжения (фиг, 3) демодулятор ДО. выполнен на неуправляемых вентилях К0.1, К02 и включен последовательно с нагрузкой 7, а в системах регулирования переменного напряжения демодулятор ДО выполнен на полностью управляемых ключах КО1,, К02, КОЗ, К04 с двухсторонней проводимостью, ут раБЛ5пощиф входы которых соединены с выходом задающего генератора 6, Регулятор (фиг. 4) упрощен тем, что П фазосдвигающих узлов В , В 2 ... В у с одноименным углом регулирования, например, oL объединены в один В , и соединены с управляющим входом блока управления через обший пороговый элеме П (И+1Ь На фиг, 5-6 напряжение 8 источни-v ка питания переменного тока, например, напряжение сети; напряжение 9 повышенной частоты, действующее в обмотках трансформатора 1, при питании регулятора от источника переменного тока; выходные импульсы 10, 10а, 106 фазосдви гающего узла В J,которые подаются на управляющие цепи пары ключей К . 2 и демодулятора Д j ; выходные импульсы 11, На, 116, фазосдвигающего узла В ( п-1;; выходные импульсы 12, 12а, 126 фазосдвигающего узла Ван которые подаются на управляющие цепи другой пары ключей К.-i и К. 3 демодулятора Д , выходные импульсы 13, 13а фазосдвигающего узла Во, ( п-1, которые подаются на управляющие цепи другой пары ключей демодулятора Д (у не показанного на фиг. 1-5; напряжение 14, 15, 15а, 16, 16а, на нагрузке при различных углах регулирования; эпюры 17-19а иллюстрирующие процесс регулирования постоянного напряжения. Работает регулятор следующим образом. При включении напряжения 8 источника питания .п (фиг. ij и подаче импульсов задающего генератора на ключи 2-5 модулятора, посяедиий преобразует напряжение 8 в напряжение 9 повышенной частоты, которое действует во всех обмотках ЧМ ,2 I,- W (W|) высокочастотного трансформатора. 1, Дальнейшую работу регулятора удобнее рассмотреть с момента, когда сигнал управления системы регулирования максимален и выш уровня, задаваемого всеми пороговыми элементами, включая П2,,, и требуемого максимального уровня сигнала блока , При этом выходные импульсы всех фазосдвигающих узлов В |, 1. Во, 2,,,.. В fty, находятся в фазе друг с другом, как показано на фиг. 5 эпюрами 10,1L.. 12, 13.,. и в фазе с импульсами задающего генератора 6, т. е. углы регулирования oL р и Вр всех демодуляторов равны нулю. Следует иметь в виду, что положительные полупери ды импульсов 10, 11...фазосдвигающнх узлов с регулируемым углом задержки соответствуют одновременному замкнутому состоянию ключей к h2, к ( И -1}.2,.... К 2,2, к1.2 соответствующих демодуляторов, а отрицательные - состояншо ключей Kh4, к ( h -1),4,,.,. к 2.4, к1,4. Аналогично положительные попу- периоды импульсов 12, 13... фазосдвигаюших узлов с регул1фуемым углом опережения соответствуют однов1земенному замкнутому состоянию ключей кИ-З, к( 3,... к2.3; к1.3, а отрниательные состоянгао ключей Ktl-1, к(и-1).1,,.. к2.1, к1.1. Днаграм ы включенного состояния указанных ключей соответствуют этим пульсам. Таким образом, как показывают диаграммы 10,11.,, 12, 13 в рассматриваемом режиме в момент времени одновременно замкнуты либо ключи кН-2 и кИ-3, K{n-lJ.2 и К( П-1).З....к2.2 и К2.3, к1.2 и К1.3 (при положительной полуволне напряжения 9 повьпиенной частоты), либо ключи к VI.4 и к 11.1, к(и-1.4 и к(ц-1Д.., к2.4 и к2,1, к1.4 и к1.1(при отрицательной полуволне напряжения 9 повышенной частоты) соответствующих нм демодуляторов Д , Д (п-1)... Д2, Д1. Такой алгоритм переключения ключей демодуляторов обеспечивает согласное включение напряжения 8 источника питания сР полупериодно выпрямленными напряжениями всех вторичных обмоток Ч, rWg... ,ХИ/ трансформатора 1, На нагрузке при этом действует максимальное напряжение 14, амплитудное значение (J которого равно сумме всех напряжений ч имеет синусоидальную форму, соответствующую + 1 неискаженному уровню. Уменьшение управляющего сигнала U системы регулирования приводит к уменьщению потенциала на управляющем входе фазосдвигающего узла ,что, в свою .очередь, приводит к изменению угла регулирования в сторону задержки его выходных импульсов 10. Так, на фиг. 5 некоторый промежуточный угол обозначен cL ,jY 3 импульсы 10, соответствующие этому углу - 10а, При этом и алгоритм переключения ключей демодулятора Д будет иметь следующий вид к п-4 и кП-3 к h3 и к И-2 - к 11-2 и кп-1 - кП-1 и кИ4. Такой алгоритм обеспечивает либо исключение ЭДС обмотки W из контура суммирования ЭДС вторичных обмоток с напряжением источника питания в интервале угла , (когда одновременно замкнуты ключи KVT4 и кп-3, кц2 и кут1), либо согласное включение ее в этот контур, в интервале1t-ol.;,pj, (когда одновременно замкнуты ключи кИЗ и Kh 2, кИ-1 и к). Напряжение на нагрузке в этом режиме будет иметь вид, приведенный на фиг. 5 эпюрой 15, амплитуда пульсаций которого определяется вели769чиной ЭДС обмотки NW , Дальнейшее уменьшение сигнала управления Уч, приводит к увеличеншо угла регулирования С р) и, следовательно к уменьшению нат,. пряжения на нагрузке. Так осуществляетюру, ся регулирование напряжения в зоне При.сигнале управления Uvj равном или меньшим нижнего порога отсечки порогового элемента VI ,угол регулирования фазосдвигающего узла Ъ/ становится максимальным и равным 180 ° , а диаграмма состояний ключей к п-2 и.кУ1-4 (зуде т ;;характеризоваться импульсами 106, что определяет следующий алгоритм переключения ключей демодулятора Ду, . КУтЗ и к U-4, кУ12 и кп-1. В таком режиме обмотка )У постоянно исключена из контура суммирования, а на нагрузке действует неискаженное напряжение, равное сумме напряжения источника питания иЭДС обмоток ,VJ27 2 Так достигается неискаженный уровень 2 ЦДальнейдлее уменьшение сигнала управления не приводит к измененшо фазы им , . пульсов 106, но поскольку нижняя гранш1а отсечки порогового элемента 12 равна верхней границе отсечки порогового элемента П(2У1-1), что начнет изменяться угол.регулирования выходных импульсов 11 фазосдвигающего узла SOL ( h-1). Принекоторой .величине сигнала управления угол регулирования этих импульсов будет равен, сС р (.Vi-1) (фиг. 5;, а диаграмма состояний ключей к { П-1).2 и. к( И-1).4 демодулятора Д () будет определяться импульсами На, Соответственно этому изменяется цикл переключения ключей демодулятора Д (V)-l) и будет аналогичен алгоритму замыкания ключей демодулятора Д в таком режиме: к (И-1).4 и к (П-1).35 к(п-1).3 и к ().2-к{ h-l).2-и к( ).1-к( Vl-r-l). и к(п-1).4. Теперь на время угла регулирования dn ( П -1) из контура суммирования будет исключать ся обмотка приводит к регулированию выходного напряжения 15а в зоне 2 У1-1. Очевидно, что снижение сигнала управления Uv| до нижней грани цы отсечки порогового элемента П (n+l (что равно верхней границе отсечки порогового элемента П ) приводит к позонному уменьшению выходного напряжения до уровня л +1за счет поочередного исключения остальных вторичных обмоток из контура суммирования. Величина этого уровня соответствует неискаженному ряжению, 8 источника питания, поскольку казанная величина сигнала управления беспечивает сдвиг выходных импульсов последнего фазосдвигающего узла срегулиуемым углом задержки на 180°. В этом режи t-г ме демодуляторы снова работают синхронно, поскольку все выходные импульсы 105, 116.,., фазосдвигающих узлов В f)--B,,B HayioaR-rcsi на фазе друг с другом, но в противофазе с импульсами 12, 13,., фазосдвигающих узлов Вр,, ,... В |з,2, в (i Это обеспечивает в каждый момент вре- , мени одновременное замкнутое состояние либо ключей к V( 2 и Khl, ... к2,2 и . к2.1 к12 ик1.1, либоключейк п-4 ик П .3 р.. к 1,4 и к1„3 соответствующих им демодуляторов. Так достигается режим неискаженной передачи на Harpyaicy напряжения 8 источника питания. Дальнейшее снижение сигнала управления приводит к выходу из режима отсечки порогового элемента П yi , и, следовательно, к измененшо фазы импульсов 12 а фазосдвигающего узла В на некоторый о.л. г угол опережения (фиг. 6). Поскольгi 1рп ку импульсы 12а поступают на смежные ключи к h-1 и к h 3 демодулятора Д j, то изменение фазы управляющих импульсов на регулируемый угол опережения определяет такой алгоритм переключения ключей этого демодулятора (к М-3 и к h4 - кЦ4 и к ml - к и-1 и кП2 - кН-2 и к.-3), который обеспечивает встречное подключение обмотки fJ (в интервале напряжением 8, либо исключение ее из контура суммирования. Напряжение на нагрузке 7 регулируется теперь в зоне 11 и представлено на фиг. 6 эпюрой 16. При достижении угла регулирования 180° ( 2рц на фиг. 6) напряжение снова синусоидальное а дальнейшее уменьшение сигнала управления J ) приводит к изменению фазы импульсов фазосдвигающего узла В 1 « следовательно, к регулирова - напряжения 16а в зоне и-1 . И наконец, при минимальном сигнале управления, когда фаза импульсов фазосдвигающего узла В а станет равной 180°, импульсы всех блоков В , .... В j dL-l ЙИ) fta. fe-i в фазе другие другом, но в противофазе с . импульсами задающего генератора 6. Демодуляторы Д Д2, Д1 снова работают синхронно, так одновременно будут замкнуты противоположные ключи каждого демодулятора . и к yq .4,,... к2.1 и к2.4, к1.1 и к1,4, пибо к Ис2 и к (тЗ,..,к2.2ик2.3к1-2и к1.3,В этом случае обмотки W,...W|,W трансформатора все время подключаются встречно с напряжением источника питания и на нагрузке напряжение равно нулю. Таким образом, регулятор (фиг. 1/ позволяет регулировать напряжение на тагрузке от 2 U j., до нуля с сохранением энергетических показателей, близ ких к предельно возможным во всем диа пазоне регулирования. Процесс рагупирования постоянного напряжения- принципиально ничем не отли чается от рассмотренного выше, что под верждается приведенными на фиг,, 6 эпю рами 17-19, 19 а, поясняющими регули рование напряжения в зонах И и hпри углах регулирования P pn-Следует иметь в виду, что при. регулировании напряжения переменного тока полностью управляемые ключи как коммутатора первичной цепи, так и демодуляторо должны выполняться на npvi6opax с двухсторонней проводимостью, а при регулировании напряжения постоянного тока с односторонней проводимостью, В тех случаях, когда требуется гальваническая развязка цепи нагрузки с сетью, наиболее целесообразно применять регулятор напряжения со звеном повышенной частоты (фиг. 2), у которого нерегулируемый источник образован дополнительной секцией и высокочастотного трансформатора с мостовым демодулятором ДО, управл55ющие входы клю чей ко. 1, КО.2, ко.З, К0.4 которого сое динены с одним из выходов задающего генератора 6. Пороговые элементы П1 Пп,П ( .., П2, фазосдвигающие узлы B|,,...,BP,H-,B,.--BJ демодуляторы Д1 ... Д j и связи их меноду собой и задающим генератором 6 аналогичны рассмотренным в регуляторе на фиг. 1 и обеспечивают те же самые алгоритмы) переключения ключей указанных демодуляторов Д1 ... Д . Соединение же одного из выходов задающего генератора с управляющими входами ключей демодулятора ДО обеспечивает синхронное замыкание его ключей с ключами 2-5 коммутатора первичной цепа трансформатора, на выходньк зажимах которого действует неискаженное напряжение. В системах регулирования постоянног напряжения можно существенным образом упростить регулятор напряжения, приве дениьп : на фиг, 2, для чего необходимо демодулятор нерегулируемого источника выполнить в виде мостового выпрямителя на неуправляемых вентилях KO.l, КО.2, КО.З, К0.4 (фиг. 3/, На зажимах постоянного тока этого моста будет действовать постоянное напряжение, В остальном работа регулятора на фиг. 3 не отличается от рассмотренных вьпле. В тех случаях, когда требуется регулировать напряжение от макспма;тьного положительного до максимального отрицательного с реверсированием (по tjase для nepeiMSHHoro напряжения, нли по зиаку. для постоянного), наиболее целесообразно применять регулятор напряжениЯа у которого выходные залсимы последовательно включенных демодуляторов Д1, Д2... Д у, соединены с нагрузкой непосредст1венно„ Во всех рассмотренных вьшге регуляторах напряжения вторичные обмотки ,; трансформатора имеют равные ЗДС и величина калсдой из них соответствует величине любой зоны регулирования. По о этой причине при регулировании напряжения от нуля вверх, энергетические показатели улучшаются. Существует целый ряд потребителей электроэнергии, для которых достаточно поддерживать anepi-xsтические показатели на наперед заданном сколь угодно малом уровне, во всем диапазоне регулирования. Для выполнения Этого условия необходимо число витков каждой последующей обмотки Nf/ Л V- соответствующим образом увеличивать. Очевидно, что это условие позволяет резко снизить необходимое число VI де-модуляторов при заданном диапазоне ре.гупирования. Однако процесс регулирования в верхних зонах можно существенно упростить и упростить сам регулятор, для чего Vi фазосдБИгающих узлов с одноименным углом регулирования (в рассматриваемом случае - с углом задериски oL объединить в один блок & (фиг, 4;, а его управляющий вход соединить с управляющим входом системы регулирования через общий пороговый элемент П И+1. Выходы объединенного фазосдвигающего узла соединены с парами смежных ключей KV1-2, к П-4.,... к 2.2, к2.4, к1.2, к1.4 всех демодуляторов. Это позволяет изменением фазы выходного импульса узла В после неискаженной передачи напряжения нсточника итання вводить 6 контур суммирования все вторичные обмотки V; , .l., У 2одновременно при регулировании напряжения теперь уже в общей зоне ji+l. Так удается поддерживать энергетические показатели близкими наперед заданному уровню во всем диапазоне регулирования. Таким образом, предложенное решение позволяет регулировать как переменное, так и постоянное напряжение в любом диапазоне с сохранением высоких энерге тических показателей за счет малости искажений, напряжения источника питани величина которых может быть выбрана сколь угодно малой увеличением числа И демодуляторов, С другой стороны минимальные искажения На промежуточной повышенной частоте позволяют устанавливать небольшие и компактные фильт рующие устройства с постоянными време ни, не превышающими нескольких полу-периодов напряжения повьпленной частоты либо вообще отказаться от фильтров, так как искажения, определяющие массу и га бариты входных и выходных фильтров, снижаются : до значений, не превышающих требований ГОСТ к качеству электр энергии. Это позволяет существенно повысить быстродействие регулирования, снизить вес регуляторов за счет фильтров, и открывает новые возможности в построении высокоэффективных устройств преобразовательной техники. Формула изобретения 1. Регулятор напряжения со звеном пбвЪгшенной . частоты, содержащий мосто вой модулятор на полностью управляемы ключах, одними вьшодами образующий входные выв одырегулятора, а другими подключенный к первичной обмотке транс форматора, вторичная обмотка которого соединена со входным силовым выводом демодулятора, включенного выходными вьшодами в цепь между входными и выходными выводами регулятора, а также блок управления, включающий в себя задающий генератор, связанный с управляющими входами ключей модулятора непосредственно и с управляемыми входам ключей демодулятора через фазосдвигающ узел с регулируемыми углами задержки и оп режения, отличающийся тем, что, с целью улучшения технико-эконо- мических показателей при широкодиапазо ном регулировании, он снабжен дополнительными Ц демодуляторами, силовым Bходными выводами подключенными К дополнительно введенным по числу демодуляторов вторичным обмоткам трансформатора, а выходными выводами включенными последовательно в цепь между входным и выходным выводами регулятора, а также дополнительными фазосдвигающими узлами и пороговыми элементами с последовательно нарастающими уровнями, включенными между управляющими входами фазосдвигаюших узлов и управляющим входом блока управления, причем одна половина пороговых элементов с последовательно нарастающими уровнями соединена с управляющими входами фазосдвигающих узлов с регулируемым углом опережения, а другая половина других - с управляющими входами фазосдвигающих узлов с регулируемым углом, задержки. 2.Регулятор напряжения по п, 1, отличающийся тем, что при ограниченном диапазоне регулирования введена дополнительная секция трансформатора с демодулятором, выходными выводами соединенным последовательно с упомянутыми И демодуляторами. 3.Регулятор напряжения по пп. 1,2, отличающийся тем, что при регулировании постоянного напряжения демодулятор дополнительной секции трансформатора выполнен на неуправляемых вентилях. 4.Регулятор напряжения по пп.1,2, отличающийся тем, что при регулировании переменного напряжения демодулятор дополнительной секции трансформатора выполнен на полностью управляемых ключах с двухсторонней проводимостью, управляющие входы которых сое- . динены с вь1ходрм задающего генератора. 5.Регулятор напряжения по пп. 1,2, 3,4, отличающийся тем, что, с целью упрощения устройства при поддержании энергетических показателей на за- данном уровне .во всем диапазоне регулирования, фазосдвигающие узлы с одноимен.ным углом регулирования объединены и соединены с управляющим входом блока управления через общий пороговый элемент. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР М9 312365, кл. Н О2 Р 13/16, 19,08.71 2.Заявка N9 2136692/07, по которой получено положительное решении о выдаче авт. св.

- -n

rpi:

LI--I

i/f

K.n.2

f2J- -1«

ДГ

«j

у.г Фт .б