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

(54) СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам имлупьс ной стабилизации переменного напряжения, и может найти применение там,где необходимо стабилизировать не только срюднее, э(})фективное или амплитудное значения переменного напряжения но и поддерживать заданную форму выходного напряжения при изменяющейся величине в форме входного напряжения, а также там, где необходимо стабилизировать мгновенное значение переменного напря- жения тобой произвольной формы (треугольной, трапециедапьной и т. д.).

Известен импульсный стабилизатор переменного напряжения, позволяющий стабилизировать мгновенное значение переменного напряжения, содержащий ключевой регулирующий элемент, входной и выходной фильтры, схему сравнения, источник эталонного синусоидального напряжения, синхронизированного с напряжением сети 1 .

Однако он имеет низкую точность стабилизации переменного напряжения, обусловленную непостоянством коэффициента передачи ключевого регулирующего эпе-. мента, а значит и всей разсшкнутой системы стабилизации, и ограниченные функциональные возможности.

Наиболее б;газким техническим решением к изобретению является стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входной клемме, а выходом - к силово-му входу ключевого регулирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к выходной клемме, блок сравнения - выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, а одним из входов - с блоком опорного напряжения, причем к другому входу блока сравнения подключен выход блока обратной связи, включающий узел выделения среднего значения напряжения, при этом вход блока обратной связи подключен к выходной клемме, блок управ3 .93 пения и синхронизации, состоящий из умножйтепя частоты сети, по крайней мере, с одним выходом, соединенным с управ гшюшим Входом уз па выделения среднего значения напряжения и распределите пя импупьсов также, по крайней мере, с одним выходом 2. Однако известный стабипизатор переменного напряжения имеет низкую ность из-за непостоянства коэффициента передачи ключевого регулирующего органа и ограниченные функциональные возможности из-оа невозможности реализаци режима регулирования по возмущению. Ес ли ключевой регулирующий орган работает с частотой, вМ раз превыщающей час тоту сети, то его коэффициент передачи . по среднему значению напряжения за полупериод повыщенной частоты равен (liHJjT РО IN где - коэффициент (статический) передачи ключевого регули{эующе го органа на i -том врюменном интервале; К 00- некоторый постоянный коэффициент;i - номер интервала, отсчитываемый от нуля напряжения сети i 1, 2, ...N. N - количество полупериодов повыщенной частоты на попупериоде напряжения сети. По тому же закону изменяется и коэффициент передачи разомкнутой системы стабилизации, поскольку он равен произ ведению коэффициентов передачи всех узлов, в том числе и ключевого регулирую щего органа (остальные коэффициенты пе редачи постоянны). Значения остальных коэффициентов передачи для простоты при мем равными единице. Точность стабилизации замкнутой системы регулирования определяется через коэффициент передачи разомкнутой системы следующим образом: ТГк;: Cii-)Ji KpO Sin где дХ - ощибка замкнутой системы стабилизации; дХр - ошибка разомкнутой системы стабилизации. Из последнего выражения видно, что при больших N на интервалах с номером i, много меньщим N, значениесинуса стре мится к нугао, а ощибка замкнутой систе 9 МЫ стремится к ощибке разомкнутой, что и определяет ее низкую точность. При реализации режима регулирования по возмущению (для чего необходимо вход блока обратной связи соединить со входными клеммами) сигнал ощибки становится ступенчато-синусоидальным, что приводит к низкочастотным искажениям выходного напряжения, что и определяет ограниченные функциональные возможности. Цель изобретения - повышение точности стабилизации и расщирение функциональных возможностей. Поставленная цель достигается тем, что в известном стабилизаторе переменного напряжения, содержащем первый фильтр, входом подключенный к входной клемме, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через вторюй фильтр подключен к входной клемме, узел сравнения выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, а одним из входов - х; блоком опорного напряжения, причем к другому ъкоку блока сравнения подключен выход блока обратной связи, включающий в себя узел выде.ления среднего значения напряжения, при этом вход блока обратной связи подключен к выходной клемме, блок управления и синхронизации, состоящий из умножителя сети, по крайней мере, с одним выходом , соединенным с управляющим входом узла выделения среднего значения напряжения и распределителя импульсов также, по крайней мере, с одним выходом, блок обратной связи снабжен узлом дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения с, по крюйней мере, одним управляющим входом, и включенным последовательно в цепь узла выделения среднего значения напряжения, причем его управляющий вход подключен к выходу распределителя импульсов, при этом блок опорного напряжения выполнен в виде источника постоянного напряжения. А также тем, что узел дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения, выполнен в виде операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, на вход которого включено N параллельно соединенных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных ключа и резистора, причем управляющий вход упомянутого ключа подключей к соответствующему управпяюшему входу данного уз па, а ве пи чины резисторов, включенных поспедоватепьно с ключами, выбраны из ооотношения Cli--i)J7 IN где R- резистор, соединенный последовательно с i -тым ключом, управляющий вход которого соеди нен с 1 -тым выходом распределителя им1:1ульсов; 1, 2, 3, ... N номер ключа; М - коэффициент умножения частоты R - резистор, соединенный последовательно с первым ключом. И тем, что узел дискретного изменен величины коэффициента передачи обратно пропорционаг; но мгновенному значению стабилизируемого напряжения, выполнен в виде операционного усилителя, охвачен ного цепью обратной связи, на вход кото рого включен резистор, а цеПь отрицатеп ной обратной связи выпопнена из N параллельно соединенных цепочек, по крайней мере одной цепочкой, каждая из которых состоит из поспедовательно соединенных ключа и резистора, причем, управляющий вход упомянутого ключа подключен к соответствующему управляющему входу данного узла, а величины резис торов- , включенных последовательно с кл чами, выбраны по соотношению i,Q.i-1№ IN Кроме того,узел дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения выполнен в виде операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, на вход которого включены N после довательно соединенных цепочек, каждая из KOTOpbix выполнена в виде резистора, зашунтированного ключом, управляющий вход которого подключен к соответствующему управляющему входу данного узла а величина указанного резистора выбрана из соотнощения: (li--t)jr 1Ы а также узел дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения выполнен в виде операционного усилителя, охваченного цепью обратной связи, на вход которого включен резистор, а цепь отрицательной обратной связи выпопнена из N последовательно соединенных цепочек, каждая из которых состоит из параллельно соединенных резистора и ключа, управляющий вход которого подключен к соответствующему управляющему входу данного .узла, а величина резисторов, включенных параллельно с ключами, выбраны из соотношения: (4i-i)jr IN Ha фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого стабилизатора; на фиг. 2-5 приведены примеры выполнения узла дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения; на фиг. 6 - временные диаграммы работы предлагаемого стабилизатора переменного напряжения. Устройство состоит из входного 1 и выходного 2 фильтров, между которыми включен ключевой регулирующий орган 3. блока обратной связи 4, который включает в себя поспедоватепьно включенные узеП выделения среднего значения напряжения 5 и узел дискретного изменения коэффициента обратно пропорционально мгновенному значению переменного напряжения 6. Выход блока обратной связи соединен с одним из входов блока сравнения 7, другой вход которой соединен с источником опорного напряжения 8. Блок управления и синхронизации 9 входом соединен с входной клеммой стабилизатора и состоит из умножителя частоты 1О, выходом соединенного с узлом выделения среднего значения напряжения и распределителя иМпульсов 11 с N выхо-; дами, соединенными с управляющими входами узла дискретного изменения величины коэффициента передачи, обратно пропорционально мгновенному значению стабипизируемого напряжения. На фиг. 2 представлен узел дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционагтьно мгновенному значению стабилизируемого на- i пряжения 6, который состоит из операци795онного усипйтепя 12, в цепи отрииатепьной обратной связи которого вкгпочен резистор 13, а входная цепь образована цепочками из резисторюв 14-1, 14-2 I.,.-. 14-1 ... 14- Nii кпючей 15-1, 15-2. ... 15-1 15-N, соединенных соответственно поспедоватепьно, а между собой параппепьно, причем общая точка кпючей образует вход узла. Управляющие цепи ключей образуют управляющие входы узла дискретного изменения величины ко- эффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения 6. На фиг. 3 показан вариант узла дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгно венному значению стабилизируемого напряжения, когда резистор 13 включен во входную цепь операционного усилителя 12, а цепь отрицательной обратной связи образована цепочками, состоящими из последовательно включенных резистора и ключа, сами цепочки включены параллельно, На фиг. 4 и 5 показан вариант, когда ключ и резистор включены паралпельно, а параллельные цепочки включены последовательно, причем на фиг. 4 последовательная цепочка включена во входную цепь операционного усилителя 12, а на фиг. 5 - в цепь его отрицательной обратной связи. На фиг. 6 изображены временные диаграммы работы предлагаемого стабилизатора переменного напряжения: выходное напряжение 16 стабилизатора, напряжение 17 с выхода умножителя частоты 11 напряжение 18, 19, подаваемое соответственно на первый и второй канал уз- ла выделения среднего значения напряжеНИН, напряжение 2О, 21 на выходе соответственно первого и второго канала узла выделения среднего значения напряжения, напряжение 22 на выходе узла выделения среднего значения, диаграмма дискретного изменения величины коэффициента передачи 23, напряжение 24 на выходе узла дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционаньно мгновенному значению стабилизируемого напряжения. Принцип работы стабилизатора переменного напряжения состоит в следующем Частота работы ключевого регулирующего органа 3 выбираев я намного выще частоть сети. При этом на входе фильтра 2 формируются прямоугошзные импульсы напряжения, ог-ибаюитая которых представ- 98 пяет собой синусоиду, частота которой равна частоте сети. Фильтр 2 выделяет основную гарлионику напряжения сети. Регулируя скважность импульсов регулируюшего органа 3, можно регулировать .величину выходного стабилизируемого напряжения 16. Выходное напряжение 16 подается на узел вьщеления среднего значения переменного напряжения 5, который построен по принципу интегрирования напряжения с частотой умножителя частоты Ю, двумя каналами интеграторов с последующим суммированием напряжения обоих каналов. Каждый из интеграторов снабжен разрядным ключом, возвращак шим интегратор в исходное нулевое состояние. Причем разрядные ключи интеграторов управляются умножителем частоты 1О в противофазе, как показано на диаграмме 18 и 19. При этом интегратор первого канала выделяет среднее значение на нечетных полупериодах напряжения умножитепя частоты 10 (номера полупериодов i 1, 3, 5, 7 ...),а интегратор второго канала - на четных полупериодах (, 4, 6, 8 ...). Как видно из диагралЫ 19, 21, цикл работы каждого из интеграторов состоит из интервала интегрирования (нарастание напряжения), интервала памяти (на этих интервалах напряжение интеграторов остается постоянным) и быстрого разряда интегратора перед следующим интервалом интегрирования. Далее интервалы памяти вьщеляются из обоих каналов и на выходе узла выделения среднего зна чения напряжения 5 имеется напряжение 22, которое поступает на вход узла дискретного изменения величины коэффициента перюдачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения 6, величина коэффициента передачи которого дискретно изменяется согласно диаграмме 23. Величина коэффициента передачи узла 6 изменяется за счет того, что на каждом интервале i 1, 2, 3. ... N с помощью распределителя импульсов 11 подкяючается резистор с номером, соответствующим номеру интервала. Поскольку резисторы 14-1 ... 14-N выбра 1Ы из соотношения (Ii-)J «Гто коэффициент передачи операционного усипитепя 12 изменяется соответственн - -ЛЬ) 111-)37 IN Если напряжение на выходе стабипиэатс ра синусоидально по форме и амплитуде соответствует заданному значению, то на выходе узла 6 будет постоянное напряжение, соответствующее напряжению источника опорного напряжения 8, и клю чевой регулирующий орган 3 будет работать с заданной скважностью. Поскольку величина коэффициента пе редачи ключевого регулирующего органа 3, как показано выще, изменяется по со отношению (1), а коэффициент передачи узла дискретного изменения величины ко эффициента ПJ peдaчи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения изменяется по соотношению (6), то коэффициент передачи разомкнутой системы регулирования равен их произведению (для простоты коэф фициенты передачи остальных элементов приняты равными единице) г. R. Sin (1i-t)J/ aN (iN Из выражения (7) видно, что теперь ко-4 эффициент передачи разомкнутой системы регулирования постоянен, т.е. не зависит от номера интервала { 1, 2, 3, ... i , ...N. Значит и точность стабилизации зам кнутой системы регулирования, определяемая выражением (2), постоянна и может быть сделана как угодно высокой с помощью увеличения коэффициента пере даЧи К ро. Для примера на фиг. 6 показано пунктиром: если стабилизируемое напряжение 16 отклоняется от заданного, то это при водит к изменению напряжения 24. Откло нение напряжения 24 от заданного значения выделяется блоком сравнения 7 и воздействует на ключевой регулирующий орган 3, изменяя его скважность импульсов так, что стабилизируемое напряжение 16 возвращается к исходному состоянию. На фиг. 6 В5щно, что предлагаемый стабипизато. переменного напряжения имеет запаздывание, равное полупериоду выходного умножителя частоты 10. Так, напряжение 16 изменилось на четвертом интервале i 4, а сигнал ошибки появится на пятом. Впрочем это запаздывание может быть сдепано как угодно малым путем увеличения коэффициента умножения частоты J. Работа других вариантов выполнения узла 6 дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения, аналогична и особых пояснений не требует. Таким образом, предлагаемый стабилизатор переменного напряжения позволяет повысить точность стабилизации за счет того, что статический коэффициент передачи разомкнутой системы становится постоянным и не зависит от фазы стабилизируемого напряжения, что достигается за счет встречного изменения коэффициента передачи узла 6 дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения. Возможность подключения блока обратной связи на вход стабилизатора позволяет реализовать режим регулирования по возмущению, что свидетельствует о расширении функциональных возможностей предлагаемого стабилизатора переменного напряжения. Указанный стабилизатор переменного напряжения может быть применен для стабилизации переменного напряжения произвольной формы. Для этого нео&ходимо лищь выбрать величины резисторов по соответствующему закону - обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения. ормула изобретения 1. Стабилизатор переменного напряжет ия, содержащий первый фильтр, входом одключенный к вькодной клемме, а выодом - к силовому входу ключевого реулирующего органа, М.1ХОД которого чеез второй фильтр-подключен к выходной лемме, блок сравнения выходом соедиенный с управляющим входом ключевоо регулирующего органа, а одним из вхоов - с блоком опорного напряжения, прием к другому входу блока сравнения одключен выход блока обратной связи, ключающий узел выделения среднего знаения напряжения, при этом вход блока братной связи подключен к выходной лемме, блок управления и синхронизации. состоящий из умножителя частоты сети, ло крайней мере - с одним выходом, соединенным с управляющим входом узла вы деления среднего значения напряжения и распределителя импульсов также, по край- ней мере, с одним выходом, отличающийся тем, что, с целью повьпдения точности стабилизации и расширения функциональных возможностей, блок обР1ТНОЙ связи снабжен узлом дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения, с по крайней мере, одним управляющим . входом, и включенным последовательно в цепь узла выделения среднего значения напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу распределителя импульсов, при этом блок опорного на пряжения выполнен в виде источника по- стоянного напряжения. 2. Стабилизатор по п. 1, от личаю щ и и с я тем, что узел дискретного изменения величины коэффициента переда- чи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения, выполнен в виде операционного усилителя .охваченного отрицательной обратной связью, на вход которого включено N параллельно соединенных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных кгаоча и резистора, причем управляющий вход упомянутого ключа под ключен к соответствующему управляюще- му входу данного узла, а величины резис торов , включенных послеаовагельно с ключами, выбраны из соогнощенияа;-)Я 1М где R - резистор, соединенный последовательно с 1 -ым ключом, управляющий вход которого соеди«нен с 1 -тым выходом распре- делителя импульсов; i - 1, 2, 3 ... N - номер ключа; N - коэффициент умножения частоты сети; резистор, последовательно соединеншый с первым ключом. 3. Стабилизатор по п. 1, о т л и ч ,а ю щ и и с я тем, что узел дискретного зменения величины коэффициента передаи обратно пропорционально мгновенному начению стабилизируемого напряжения выполнен в виде операционного усилителя, охваченного цепью обратной связи, на , вход которого вкшочен резистор, а цепь отрицательной обратной связи выполнена из N параллельно соединенных цепочек, каждая из которых состоит из последовательно соединенных ключа и резистора, причем управляющий вход упомянутого ключа подключен к соответствующему управляющему входу данного узла, а величины резисторов, включенных последова- тепьно с ключами, выбраны из соотношения4. Стабипизатор по п. 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что узел дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорциоанльно мгновенному значению стабилизируемого напряжения выполнен в виде операционного усилителя, охваченного отрицательной обратной связью, на вход которого включены N последовательно соединенных цепочек, каждая из которых выполнена в виде резистора, зашунтированного ключом, управляющий вход которого подключен к соответствующему управляющему входу данного уз- « ла, а величина указанного резистора выбрана из соотношения i dllll IN 5. Стабилизатор по п, 1, о т л и ч аю щ и и с я тем, что узел дискретного изменения величины коэффициента передачи обратно пропорционально мгновенному значению стабилизируемого напряжения вьшолнен в виде операционного усилителя, охваченного цепью обратной связи, на вход которого вкшочен резистор, а цепь отрицательной обратной связи выполнена из N последовательно соединенных цепочек, каждая из которых состоит из параллельно соединенных резистора и ключа, управляющий вход которого подключен к соответствующему управляющему входу 139358 данного узпа, а величина резисторов, вкпюченных параппешьно с кшочами, выбраны из соотношения 1 . lliH) Sin599 Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР № 472339, кл. С 05 Г 1/44, 1974. . 2. Авторское свидетепьство СССР № 699505, кл. С О5 F 1/44, 1977.

вход

u.f

(frt /7cre/7/ e e/ Lfr7 e/fff ((//fdcod

u.2

6 код . f

и.5 бхоЭ - ff

I I I I I

P- Ф ) , a ,., C-

/.

uf.S

o

B(/xo .f. fy. -г I I I I I f pocr fjede/ ur77e/fff uf f / bcoff u.

1 K I

JI

y I

I I

I I

&

L-J.

Ч