Стабилизатор переменного напряжения (варианты) Советский патент 1982 года по МПК G05F1/44 

(54) СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

(ВАРИАНТЫ)

Изобретение относится к электротехнике, в частноети к устройствам стабилизации переменного нагфяжения, и может найти применение там, где необходимо стабилизировать не только среднее, эффективное или амплитудное значения переменного напряжения, но и поддерживать заданную ферму выходного напряжения при изменяющейся форме входного нагфяже.ния и выходного тока, а также в стаби. лизированных источниках переменного напряжения произвольной формы. Известен стабилизатор переменного напряжения, содержащий входной и выходной фильтры, ключевой регулирующий орган, источник эталонного ступенчато-сину соидального напряжения синхронного с напряжением сети, блок обратной связи, осуществляющий преобразование стабили- 31фуемого переменного напряжения в ступенчатое напряжение, блок сравнения, осу ществляющий сравнения эталонного ступенчато-синусоидального напряжения и напряжения с выхода блока обратной, связи ri. Наиболее близким техническим реще- нием к изобретению является стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к Входным клеммам, а выходом - к .силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к выходными клеммам, компаратор, выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, одним из входов соединенный с выходом первого выпрямителя, а другим входом - с выходом второго выпрямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения 21Однако известные стабилизаторы переменного напряжения имеют низкую точность, обусловленную непостоянством коэффициента передачи ключевого регулирующего органа (по среднему значению) и ограниче|шые функциональные возможности, вьфожающиеся в том, что они не способны работать в режиме регулирования по возмущению. Если ключевой регу лирующий орган работает на частоте, в N раз превышающей частоту сети, то пр изменении коэффициента заполнения импульсов от О до 1 среднее выходное нагфяжение на каждом периоде высокой ча тоты изменяется от О до Таким об разом, статический коэффициент передач регулирующего органа по среднему значению напряжения на периоде высокой частоты будет изменяться от периода к периоду и его можно выразить следующим образом: гPi - изменение среднего значения нагЕряжения пря изменении от О до 1. uf - изменение коэффициента заполнения импульсов. Таким образом (аы)л s -oiTВьфажение (2) можно угфостить: .gi-DJi Kpor nioi aN K.)- максимальный коэффициент передачи разомкнутой системьь Из вьфажений (2) и (3) видно, что статический коэффициент передачи ключе вого 1)1егулирующего qpraHa является величиной переменной, зависящей от номера периода ВЫСОКОЙ частоты, на котсрой он работает ( i 1,2,3...N). Статический коэффициент передачи разомкнутой системы стабилизации опре деляется произведением статических коэффициентов передачи всех звеньев, входящих в контур регулирования. Статичес кие коэффшхиенты передачи всех остальных звеньев постоянны и для простоты 1фимем их равными единице. Тогда ста тичаскйй коэффициент передачи разомкнутой системы определяется вьфажением (З). в то же время точность замкнутой системы стабилизации огфеделяется, как известно, выражением йХр ТПГ где ЛХа - ощибка замкнутой системы стабилизации;дХр - ошибка разомкнутой системы, К - статический коэффициенгг передачи разомкнутой системы. Подставляя в вьфажение (4) вместо К вьфажение (З) получим АХр . ДХ,м. .)7Г S.K,(N) Из вьфажения (5) видно,что при больших N и изменении i от I до N коэффициент передачи разомкнутой системы изменяется от нуля до максимального значения K,T,(W). При этом ошибка разомкнутой системы изменяется от какой о минимальной величины до величины ошибки разомкнутой системы, что и определяет низкую точность известных стабилизатсров переменного напряжения. В режиме регулирования по возмущению (для Этого необходимо контролировать не входную величину напряжения, а входное напряжение, для чего необходимо подключить блок обратной связи на вход стабилизатора); ошибка равная разности входного и задающего (эталонного) синусоидальных на1фяжёний будет также синусоидальной, что приведет к низкочастотной модуляции выходного натфяже ния, т.е. в этом режиме известные стабилизаторы неработоспособны, что является ограничением их функциональных возможностей. Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональньдс возможностей. Указанная цель в варианте достигается тем, что известный стабилизатор переменного нахфяжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам, а выходом - к силовому входу ключевого регул 1фую1цего органа, выход которого через фильтр подключен к вь ход1и 1М клеммам, компаратор, Выходом соединенный с у1фавляющим входом ключевого регул фующего qpraHa, одним из входов соединенный с выходом первого выпрямителя, а другим входом - с выходом второго вы1фямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения, снаб59жен блоком перемножения и блоком суммирования, причем один из входов блока перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, другой вхо с выходом блока формирования опорного напряжения и первым входом блока суммирования, а выход блока перемножения подключен ко второму входу блока суммирования, выход которого подключен ко входу первого выпрямителя, гфи этом вход второго выпрямителя соединен с клеммами для подключения сравниваемого нащзяжения, могут быть подключены как к входным, так и к выходным клеммам. Во втором варианте указанная цель достигается тем, что тот же известный стабилизатор переменного напряжения снабжен блоком перемножения и блоком суммирования, причем первый вход блока перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, втсрой вход - с клеммами для подключения срав нивающего напряжения и первым входом блока суммирования, втсрой вход которого соединен с выходом блока перемножения, а выход блока суммирования подклю чен ко входу первого выпрямителя, причем Выход блока формирования оперного нагфяжения соединен со входом второго выгцэямителя, при этом клеммы для подключения сравниваемого напряжения могут быть поцключены как к вхош1ым, так и к выхоаным клеммам. На фиг, 1 приведен первый вариант блок-схемы предлагаемого стабилизатора на фиг. 2 - второй вариант; на фиг. 3, 4 гфиведены временные диаграммы работы первого и второго вариантов стабилизаторов соответственно. Устройство -ПО первому варианту (фиг. l) состоит из первого фильтра 1, входом подключенного к входным клемма а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего фгана 2, второго фильтра 3, входом соединенного с выходом ключевого регул1фующего фгана 2, а выходом - с выходными клеммами, ком паратора 4, выходом соединенного с управляющим входом ключевого регул1фующего органа 2, Второй выпрямитель 5, входом соединенный с первым входом компаратора 4, вторсй вход которого соединен с выходом первого вьшрямителя .6, вход которого соединен с выходом бл ка суммирования 7. Блок 8 формирования оперного напряжения входом подключен к входным клеммам, а выходом - к пер9Sвому входу блока сумм1фовалия 7 и ко второму входу блока перемножения 9, выход которого соединен со вторым входом блока суммирования 7, а первый вход с блоком развертывающего нагфяжения 10. При этом в режиме регулирования по возмущению вход второго Выпрямителя 5 соединен с входными клеммами. Устройство по второму варианту (фиг. 2) содержит первый фильтр I, ,входом подключенный к выходным клеммам, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа 2, вь1ход которого соединен со входом второго фильтра 3, Выход которого соединен с выходными клеммами. Управляющий вход ключевого регулирующего органа 2 соединен с выходом компаратора 4, второй вход которого соединен с выходом второго выпрямителя 5, а первый Вход - с выходом первого выпрямителя 6, причем его выход с выходом первого выпрямителя 6, причем его вход, в свою очередь, подключен к выходу блока суммирования 7, вход выпрямителя 5 через блок 8 формирователя опорного напряисения, при этом первый вход блока суммирования 7 соединен с выходными клеммами и вторым Входом блока перемножения 9, а второй Вход блока суммирования 7 соединен с выходом блока перемножения 9, Первый вход блока перемножения 9 соединен с выходом блока развертывающего нащэяжения 10, Выход блока формирования опорного напряжения 8 соединен со входом второго выпрямителя 5, а вход подключен к выходным клеммам, В режиме регул 1фования по возмущению объединенные первый вход блока суммирования 7 и второй вход блока перемножения 9 подключены к входным клеммам. На фиг. 3 показаны временные диаграммы работы стабилизатора переменного нагфяжения по первому варианту (фиг, l). Здесь обозначено: 11 - напряжение на выходе блока формирования опорного напряжения. Напряжение 11 синусоидально по форме, стабильно по амплитуде и синхронно с напряжением сети, что достигается подключением блока формирования опорного нагфяжения 8 к входным клеммам; 12 - напряжение на выходе блока развертывающего напряжения 10, которое представляет собой пилообразное напряжение с частотой намного большей частоты сети. Это нагфяжение может иметь любую другую форму, причем закон изменения этого нагфяжения определяет Вид регулировочной характеристики ключевого регулирующего органа 2; 13 - напряжение на выходе блока .перемножения 9, полученное путем перемножения мгновенных значений напряжений II и 12, поданных на входы блока перемножения 9; 14 - напряжение на выходе блока суммирования 7, полученно путем сложения напряжения 11 и 12, которые поданы соответственно на первый и второй входы блока суммирования Т; 15 и 16 - выпрямленные напряжения соответственно с выхода блока суммирования 7 и выходных клемм стабилизатора, причем напряжение 15 выпрямляется первым выпрямителем 6, а 16 - вторым выпрямителем 6. Эти напряжения подаются соответственно на второй и первый входы компаратора 4; 17 - сигнал на выходе компаратора 4, который подается на управляющий вход ключевого регулирующего органа 2; 18 -.напряжение на выходе стабилизатора переменного нагфяжения. На фиг. 4 показаны, временные диаграммы работы Стабилизатора переменного напряжения по второму варианту, Зцесь обозначено: 19 - развертывающее напряжение на выходе блока развертываю щего напряжения Ю, которое может иметь вид как линейно нефастающего пил образного, так и линейного падающего; 20 - напряжение на выходе блока перемножения 9, полученное путем умножени мгновенного значения выходного напряжения 18, на развертывающее напряжение 19, которые подаются соответственно на второй и первый входы блока пере множения 9; 21 - напряжение на выходе блока суммирования 7, равное сумме нагряжения 20 и выходного напряжения 18 стабилизатора переме1шого напряжения; 22 - нахфяжение на выходе блока суммирования 7, выпрямленное первым . выпрямителем 6; 23 - сигнал на выходе , компаратора 4, подается на у1фа й ляющий вход ключевого регулирующего органа 2. Принцип работы гфедлагаемого стабилизатора переменного напряжения по варианту первому состоит в следующем. Частота работы ключевого регулирующего qpraHa 2, определяемая частотой работы блока развертывающего напряжения 1О,1Выб1фается намного болыией частоты сети. При этом на входе фильтра 3 фсфмируютсягфямоугольные импульсы на1фя кевия, огибающая которых 96S представляет собой синусоиду, частота которой равна частоте сети. Фильтр 3 выделяет основную гармонику напряжения сети. Регулируя коэффидиент заполнения импульсов у от О до I, можно изменять выходное напряжение от нуля до напряжения, подаваемого на вход стабилизатора. Этот факт используется для осуществления стабилизации. Выходное напряжение 18 через второй вьшрямитель 5 подается на первый вход компаратора 4, на другой вход которого подается опорное на19)яжение 11, перемноженное с развертывающим на1Ч5яжением 12 блоком перемножения 9 и гфосуммированное блоком суммирования 7 опять с опорным на1фяжением 11. Полученное таким образом напряжение 15 выпрямляется выпрямителем 6 и сравнивается с выпрямленным выходным напряжением 16 на компараторе 4. Допустим, что исходный коэффициент заполнения импульсов f , соответствующий выходному номинальному на1Ч)яженИю, равен О,5 ( У огфеделяется как отношением времени замкнутого состояния ключевого регулирующего органа 2 к длительности периода высокой частоты). Тогда на выходе напряжение, отфильтрованное фильтром 3, будет синусоидальным и равным номинальному 18. При изменении выходного напряжения {как показано на фиг. 3, во втсрой половине второго полупериода выпрямленное выходное напряжение 16 из.меняется скачком) в сторону увеличения длительности замкнутое состояние также изменяетсяскачком в сторону уменьшения, что 1ФИВОДИТ к уменьщению коэф|фициента заполнения импульсов Г и, |таким образом, к уменьщению выходного напряжения 18, т.е. к возврату его к номинальному значению. При изменении выходного напряжения в сторону уменьшения коэффициент заполнения импульсов f будет возрастать, что опять же приведет к всзвращению выходного напряжешш к номинальному . Покажем, что в этом случае изменение статического коэффициента передачи ключевого регулирующего органа 2 компенсируется встречным изменением коэффициента передачи компаратора 4. Действительно, при изменении амплитуды выходного нащзяжения 16 от величины опорного напряжения до верхней огибающей коэффициент заполнения импульсов изменится от I до нуля. При этом изменение среднего значения натфяжения на каждом периоде высокой частоты различно. Принимая 9 вовнимание его синусоидальную форму, можно записать вucpr oткA.) гдеЧ лр - изменение qpeaaero значен входного нащ)яжения комп ратора на 1 .-том периоде высокой частоты; UQJKA.ITI - .амплитуда отклонения. Поскольку статический коэффициент п редачи компаратора равен отношению из менения выходной величины по изменени входной, получаем: V - У И . 91пШ1М %ТКЛ.т i.N Общий коэффициент передачи ключевого регулирующего органа 2 и компаратора О1феделяется произведением, вьфажений (З) и (7), т.е. об и сугкл. m Поскольку коэффициенты передачи осталь Hbix звеньев контура регулирования приняты равными единице, то выражение (8 ощзеделяет общий статический коэффицие п едачи разомкнутой системы. Подстав ляя (8) в (4), получаем откуда видно, что, увеличивая коэффициен КдС, можно получить любую заданную то ность. . : Понятно, что такой стабилизатор мож работать и в режиме регулирования по в мущению, для чего необходимо лишь вход выпрямителя 5 подключить к входным клеммам стабилH3aTqpa. Очевидно, что, увеличивая N , можно добиться стабилизации мгновенного значения переменного напряжения, потому что увеличение N сближает значения среднего напряжения на периоде высокой частоты и мгновенного. Этот эффект уже заметен при N ЮО. В то же время, современные транзисторы позволяют увеличивать N до 5ОО-1ООО и более. Принцип работы стабилизатора переменного напряжения по BTqpOMy варианту поясняется на диаграммах (фиг. 4). Отличительной особенностью работы здесь является то, что перемножают вы 96 входное напряжение 18 и развертывающее нагфяжение 19 (здесь показаны два варианта развертывающего напряжения) блоком перемножения 9, а затем полученное напряжение 2О суммируют в блоке сумм15)ования 7 опять с выходным нащ)яжением 18. Компаратор 4 сравнивает вьифямленное синусоидальное напряжение 16 блока формирования опорного напряжения 8 с выходным напряжением модулированным развертывающим 19. Прк изменении выходного напряжения коэффициент заполнения импульсов у также изменяется таким образом, что происходит компенсация изменения выходного напряжения. Диаграммы 22 и 23 псжазывают, что при скачкообразном изменении напряжения на выходе скачкообразно изменяется коэффициент заполнения привода, соответственно выходное и задающее на1фяжение. В этом варианте также осуществляет- ;ся компенсация изменения статического (Коэффициента передачи ключевого регулирующего органа 2 встречным изменением коэффициента передачи компаратора 4. Очевидна также работа этого варианта стабилизатора переменного нахфяжения в режиме регулирования по возмущению, для чего необходимо лшиь объединенные входы блока суммирования (первый вход) и блока перемножения (второй вход) п еключить с выхода стабилизатора на его вход. Таким образом, данное изобретение позволяет повысить точность стабилизации и расщ1фить функциональные возможности. Формула изобретения 1. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа выход которого через второй фильтр подключен к .выходным клеммам, компаратор, выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, одним из входов соединенный, с выходом первого выпрямителя, а другим входом - с выходом второго выпрямителя, блок формирования спорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения, отличаю-. щ и и с я тем, что, с целью повышения точности стабилизации и расширения функциональных возможностей, снабжен блоком перемножения и блоком суммирования 1фичем один из входов блока перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, другой вход - с выходом блока формирования опс зного нагфяжения, другой вход - с выходом блока формирования оперного на15)яжения и первым входом блока суммирования, а выход блока перемножения подключен ко второму входу блока суммирования, выход которого подключен ко входу первого выг рямителя, гфи этом вход второго выпрямителя соединен с клеммами для подключения источника сравниваемого напряжения. 2.Стабилизатор переменногчэ нагфяжения по п. 1 отличающийся тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с выходными клеммами. 3.Стабилизатсф переменного напряжения по п. 1,отл13 чающийся тем, что клеммы для подключения сравни ваемого напряжения соединены с входными клеммами. 4.Стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к выходным клеммам, компаратчр, выходом соединен ный с управляющим входом ключевого ре гулирующего органа, одним из входов соединенный с выходом первого выпрямиеля, а другим входом - с выходом втоого выпрямителя, блок форМ1фования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего на1фяжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расш1фений функциональных возможностей, снабжен блоком перемножения и блоком суммирования, тфичем первый вход блока перемножения соединен с выходом блока раавертывающехх на141яжеш1я, второй вход с клеммами для подключения сравнивающего напряжения и первым входом блока суммирования, второй вход которого соединен с выходом блока перемножения, а выход блока суммирования подключен ко входу первого вы1Чзямителя, причем блок формирования опорного на1фяжеш1я соединен со входом второго выпрямителя. 5.Стабилизатор по п. 4, о т л и чающийся тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с входными клеммами. 6.Стабилизатор по п. 4, о т л и чающийся тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с выходными клеммами. Источники информации, принятые во внимание прн экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР по заявке М 2431О84/07, кл. 3 О5 F 1/44, 1978. 2.Авторское свидетельство СССР NS 472339, кл. Q 05 F 1/44, 1974.

/1х1/ИИ/УУИ/1Л/1/И/1

13

х

XIXIXIXMXIXIXIXIXIXIXIXIXKI