Преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией Советский патент 1982 года по МПК G05F1/22 H02P13/16 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

С МНОГОЗОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразованию и регулированию переменного и постоянного напряжений, и может найти применение в системах глубокого регулирования постоянного (переменного) напряжения и основанных на этом системах точного воспроизведения и усиления управляющего входного сигнала, например амплитудных модуляторах, усилителях мощности, при высоких энергетических показателях с минимальными массой и габаритами.

Известен преобразователь напряжения дискретного действия, содержащий задак щий генератор, фазореверсирующие блоки и ряд силовых ячеек с трансформаторами 1 .

Однако такой преобразователь имеет ограниченный динамический диапазон и задачу воспроизведения управляющего входа решить не может.

Наиболее близким к предлагаемому является регулятор напряжения со звеном повьпиенной частоты, реализующий многозонную импульсную модуляцию, содержащий п -соединенных между собой преобразовательных ячеек, связанных с фазосдвигакицими узлами, основной задающий генератор и п -пороговых элементов 2.

Здесь регулирование напряжения осу10ществляется поочередно в каждой ячейке за счет однополярной реверсивной модуляции (ОРМ).

К недостаткам известного регулятора

15 следует отнести то, что при точном воспроизведении и усилении регулирующего воздействия с повышенной частотой шш большой скоростью перестройки уровня (5 кГц и вьпие) приводит к дополнитель20ным потерям мощности за Счет увеливе- ния тактовой частоты, что снижает КПД и надежность, так как увеличиваются динамические потери. При низкой тактовой частоте остается не высоким и динамический диапазон преобразования. Цель изобретения повышение КПД надежности и расширение динамического диапазона. Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией, содержащим п соединенных между собой преобразовательных ячеек, связанных с фазо сдвигающими узлами, основной задающий генератор и п -пороговых элементов, введены дополнительный задающий генератор с частотой ниже частоты основного, подключенный к К фазосдвигающим узлам К-фиксаторов уровня, подключенных к входам этих же узлов, и к пороговым элементам, а также сумматор подключенный через (п-К)™пороговых элементов к другим (п- К )-фа.зосдаигающимузлам, соединенным с основным задающим генератором, при этом К входов сумматора связаны с управляющим входом преобразователя че- рез последовательно соединенные фиксаторы уровня -и пороговые элементы, а один- непосредственно, Каждая преобразовательная ячейка выполнена из первичного, подключенного си- ловыми входами к источнику питания, и вторичного, подключенного выходами к другим ячейкам, коммутаторов соединенных между собой высокочастотным трансформатором. С целью упрощения вторичные обмотки К трансформаторов и вторичные обмотки (ti-K) -трансформаторов преобразователь- ных ячеек соединены последовательно и образуют две групгты обмоток, каждая из которых подключена к одному из двух вто- pH4j;bix коммутаторов. С целью расширения функциональных возможностей, все преобразовательные ячейки разделены на две группы, где в одной К , а в другой (п-к; „вторичных ком мутаторов, причем один первичный комму,татор в каждой группе связан со вторичными одним трансформатором. При регулировании в нагрузке однополярного напряжения вторичные коммутато ры вьшолнены на неуправляемых вентилях Кроме того, с целью повышения среднего КПД при широком диапазоне регулирования К -фазосдвигаюишх узлов выпол нены по логической схеме .П.. Фиксаторы уровня вьшолнены, например по схеме стабилизаторов положительного и отрицательного напряжения. На фиг. 1 приведена функдиональная схема предлагаемого преобразователя; на (|нг. 2 - 5 - варианты выполнения силовой части преобразовательных ячеек ; на 5 фиг. 6 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя при преобразовании напряжения сети в регулируемое сигналом управления любой формы; на фиг. 7 - вариант вьтполненин фазосдвигак 0щего узла. Преобразователь (фиг. 1) содержит -соединенных между собой прёобразсйва- тельных ячеек 1 и 2 выходом подклкяенных через фильтр 3 к нагрузке 4, а си- 5повым входом источника 5 питания к сети переменного или постоякного тока.. Все преобразовательные ячейки разделены на две группы: в одной К ячеек 1, а во второй )ячеек 2, 0 в каждой ячейке 2 из второй группы подключены выходы фазосдвигаюших уз- лов 6, которые соединены с основным задающим генератором 7 и через порого- вые элементы 8, сумматор 9 и его один вход с входом преобразователя 10, который кроме того через К пороговых элементов 11 и фиксаторы 12 уровня, подключены к К входам сумматора 9 и к 4®зосдвигающим узлам 13, вторые входы 0которых соединены с дополнительным задающим генератором 14, а выходами - с управляющими входами ячеек 1 первой группы. Кроме того, (фиг. 2) каждая преобразовательная ячейка 1 и 2 выполнена из первичного 15, подключенного силовым входом к источнику 5 питания и вторичного 16, выходом подключенного последовательно к другим ячейкам, мостовых коммутаторов на ключевых элементах 1720 и 21-24, соединенных между собой высокочастотным трансформатором 25. Каждая из двух групп ячеек 1 и 2 (фиг. З) несколько первичшлх коммута оров 15 со своими трансформаторами 25, у которых вторичные обмотки соединены последовательно и подключены к одному вторичному коммутатору 16. Каждая вз даух групп $гч1еек 1 и 2 (фиг. 4) может быть выполнена из одцрго первичного коммутатора 15, трансформатор 25 которого вторичными обмотками подключен к нескольким вторичным коммутаторам. 16, соединенным последовательно между собой., На фнг. 5 вторичные коммутаторы вььполнены на неуправляемых вентилях Фазосдвигающие узлы 13 первой группы ячеек выполнены по логической схеме п (фиг. 7). 5985 Фиксаторы уровня 12 - по схеме стабили- затора положительного и отрицательного напряжений. ПрннЕип работы преобразователя пояс- няется диаграммами напряжений, представи ленных на фиг. 6. При отсутствии управляющего сигнала на входе. 1О преобразователя силовые ячейки 1 и 2 пошслючены таким образом. что напряжение на нагрузке 4 равно нулю. Пороговые элементы и 11 имеют последовательно нарастающие уровни срабатываш1Я| причем вЗсоды К пороговых эле- ментов 11 подключены к фиксаторам 12 уровня, позвол$пощих при срабатьюании no рогового элемента застабилизировать амплитуду сигнала, который поступает на сумматор 9 и фазосдвигающие узлы 13. При нарастании входного сигнала 26 (фиг. 6) вначале он также повторяется сумматором 9, и поступает на (п-К)-по- роговых элементов 8, которые разрещают поочередную работу фазосдвигающих узлов 6, подключенных к основному задающему генератору 7, и работающему на оп-2 тиМальной, по информапионным возмо)ностям и минимума искажений, частоте 27 управляюших импульсов. Фазосдвигающие узлы 6 управляют работой преобразова- тельных ячеек 2, которые за счет сдвига з фазы управляющих импульсов 27, реализуют однополярную реверсивную (или не реверсивную) щиротно-импульсную моду- ЛЯ1ШЮ выходного напряжения ячеек 2 (диаграммы 28 и 29). Эти напряжения j суммируются и формируется результирующая кривая ЗО, Дальнейшее увеличение входного сигнала приводит к срабатыванию одного из К пороговых элементов 11, гигнал которого скачкообразно возрастает, 4 стабилизируется по амплитуде фиксатором 12 уровня и осуществляет мгновенное и менение фазы на 18О эл. град, в одном из фазосдвигающих узлов 13. За счет этого дискретно меняется выходное напря-4 женне 31 и 32 этой ячейки. Кроме того, напряжение с выхода фиксатора 12 вычитается в су ммарное из входного сигнала так, что на выходе сумматора 9 .сигнал обнуляется (диаграмма 33), а вместе с ним обнуляется выходное напряжение ЗО(п-К ) ячеек. Частота 34 дополнительного задающего генератора 14 выбирается оптимальной по КПД. Последующее увеличение входного сигнала 26 приводит к включению следующей (второй из К ) ячейки и возвращением (п - К ) ячеек к их начальным условиям и т.д. При уменьщении входного сигнала процессы проте 26 кают в обратном порядке, т. е. вторая группа ячеек преобразователя циклически плавно регулирует выходное напряжение с широтно-импульсной модуляцией, как бы осуществляет плавающее зонное регулирование с каждой ячейкой из первой группы регулируемых дискретно. Форма выходного напряжения имеет вид 35 (фиг. б), При поступлении на вход преобразователя сигнала другой полярности остается тем же за исключением того, что на вы- ходе фиксаторов уровня формируется стабильное напряжение другой полярности, что позволяет сформировать на выходе фазосдвигающнх узлов, такую фазу упра лзпощих импульсов, крторая обеспечит не- обходимую полярность выходного напряже- шш. При этом ключевые элементы ячеек должны быть выполнены на ключах пере- менного тока. Числом зон регулирования, реализуемых в предлагаемом преобразрва- теле при однополярпой реверсивной моду- ляции, в каждой из (п-1C) ячеек состав- , ляет Np, 2(п--к;) ( к + 1), а при однополярной нереверсивной Н (п-К)( К+1), За счет того, что практически всегда достаточно одной ячейки с- 1БИМ, где, требуется повышенная частота, а остальные работать и на низшей частоте, КПД преобразователя, а также надежность существенно повышается. Применение же нескольких ячеек с ШИМ существенно расширяет динамический диапазон. Так, например, при десяти 5гчейках одна из ннх регулируемая с , а девять с АИМ, количество плавно регулируемых зон составляет - 20, а при 3 с ШИМ и 7 С АИМ - 48, т. е. число яче- ек не изменяется, а точность и динами диапазон увеличивается значитель- но, что видно из конкретного примера. -Применение же преобразователя с многозонной импульсной модуляцией при точ- ном воспроизведении управляющего возДействия является предпочтительным, В качестве ключей коммутатора применяются транзисторы, но в связи с тем, что первая группа преобразовательных ячеек, 1 работает на достаточно низкой частоте, применимы и тиристоры, что позволяет существенно повысить мощность всей системы. При применении преобразователя с большими выходными токами вторичные обмотки К трансформаторов, и вторичные обмотки ()-трансформаторов гфеобра- зовательных ячеек соединены последова-, тельно и образуют две группы обмоток, каждая из которых подключена к одному из двух вторичных коммутаторов. На фиг. 3 показана одна группа ячеек. При малых мощностях и больших выхоД ных напряжениях все преобразовательные ячейки разделены также на две группы, где в одной К , а в другой (п-К)вторичных коммутаторов, при этом один первичный коммутатор в каждой группе связан со вторичным одним трансформатором. При применении в качестве вторичных коммутаторов не управляемых вентилей при регулировании однополярного напряжения (фиг. 5) повьпцает КПД за счет умень шения мощности управления, а также значительно упрощает устройство (плавное регулирование ,за счет нереверсивной ЩУМ Использование для управления первой группой ячеек 1 вместо фазосдвигающих узлов 13 логических схем И целееообразно и возможно когда управляемыми явля ются первичные коммутаторы, а вторичные выполнены на неупраэляемых вентиля Это позволяет повысить средний КПД пре образователя при широком диапазоне регу пирования. Преобразователь работает при этом следующим образом. При поступлении на первый вход узла 13 нулевого потенциала с фиксатора 12 уровня сигнал с задающего генератора 14, поступающий на второй вход, не проходит и на выходе узла 13 нулевой потенциал. В этом случае управляемый коммутатор заперт, а напряжение на выходе ячейки равно нулю. Если сигнал на первом входе равен един;ице, то прямоугольное напряжение задающего генератора проходит через узел 13 на управление ключами и напряжение на ее выходе максимально. Наиболее простое исполнение узла 13 показано на фиг. 7 Он работает следующим образом. При наличии сигнала с фиксатора 12 уровня ключ Кр в узле 13 замыкается и сигнал с задающего генератора 14 проходит на управление преобразовательной ячейкой. Во всех других сигналах (любой из сигналов равен нулю) сигнал на управлеше преобразовательной ячейкой отсутствует и она заперта. Использование в управлении ключами первой группы ячеек узла по логическо схеме И упрощает управление и повьш1ает КПД, так как при регулировании напряжения ячейки, не задействованные в данный момент, отключены и не потребляют ток (как. схема управления, усилитель мощнс сти, так и силовая часть). Предлагаемый преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией позволяет произЬодить следующие виды преобразования с промежуточным звеном повышенной частоты: постоянного в постоянное или постоянное в переменное напряжение регулируемое как по амплитуде, так и по частоте в звуковом диапазоне ; переменного сетевого в переменное Еегулируемое как по вольтодобавочной схеме, так и с гальванической развязкой. соответственно с применением ключей переменного тока с промежуточным двухкрат ным преобразованием ; переменного в постоянное заданной величины и формы с быстродействующим регулированием. Введение дополнительного задающего генератора с частотой ниже частоты основного позволяет уменьшить общие динамические потери в преобразователе и повысить его надежность. Использование ШИМ в одной ячейке при более высокой частоте в сочетании с АИМ в остальных ячейках расширяет динамический диапазон и повышает точность регулирования при минимальной величине фильтров, амплитуда пульсаций имеет величину напряжения на одной ячейке с ШИМ при любой величине выходного напряжения. Формула изо б.р е т е н и я 1.Преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией, содер5кащий п -соединенных между собой преобразовательных ячеек, связанных с фазо- сдвигающими узлами, основной задающий генератор и п -пороговых элементов, о тличающийся тем, что, с целью повьпиения КПД, надежности и расширения динамического Диапазона, в него введены дополнительный задающий генератор с час-) тотой ниже час1чзты основного, подключенный к К -фазосдвигающим узлам, К-фиксаторов уровня, подключенных ж входам этих же узлов и к пороговым элементам, а также сумматор, подключенный через (п-К}-пороговых элементов к другим (п-К)-фазосдвигающим узлам, соединенным с основным задающим генератором, при этом К входов сумматора связаны с управляющим входом преобразователя .через последовательно соединенные фиксаторы уровня и пороговые элементы, а один непосредственно. 2.Преобразователь по п. 1, о т л ичающийся тем, что каждая преобразовательнаа ячейка вьтолнена из nei винного, подключенного силовым входом к источнику питания, и вторичного, подключен ного к другим ячейкам, коммутаторов, соединенных между собой высокочастотным трансформатором. 3. Преобразователь по пп. 1 и 2, о тл ичающийся тем, что, с целью упрощения вторичные обмоткН К трансфо{ матрров и вторичные обмотки (п-К)-транс. форматоров преобразовательных ячеек соединены последовательно и образуют две груйпы обмоток, каждая из которых подключена к одному из двух, вторичных коммутаторов. 4. Преобразователь по п. 1, о т л и чающийся тем, что, с делью расширения функциональных возможностей, все преобразовательные ячейки разделены на две группы, где в одной К , а в другой (п- К -вторичных коммутаторов, причем один первичный коммутатор в каждой группе связан со вторичными одним трансформатором. 5.Преобразователь по пп. 1-3, о т личвюшийся тем, что при регулировании в нагрузке однополярного напряжения вторичные коммутаторы выполнены на неуправляемых вентилях. 6.Преобразователь по п. 5, о т л ичаюшнйс тем, что, с деЛью повьшения среднего КПД при широком диапазоне регулирования, К вэосдвигаютнх узлов выполнены по логической схеме п7. Преобразователь по пп. 1 - 6, о т- личаюШийся тем, что фиксаторы уровня выполнены, например, по схеме стабилизатора положительного и отрицательного напряжения. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР Ms 505104, кл. Н 02 М 7/48, Н 02 Р 13/18, G 05 F 1/10, 1971. 2.Авторское свидетельство СССР № 6995О4, кл. G 05 Г 1/22, Н 02 Р 13/16, 1976.

I I-Г

9 s V V

n1.2

-6

15

г.

го

yv.

f

Фиг,2

Фиг.

/ /

Р (.

1C

1

Z5

Фие.4

и

zTl

г5

/ гишшшишш г г- лштлпл 1 I

пг пг nnhFi

п хП;лЪ- t

J.

n

- e