Регулятор напряжения с многозонной импульсной модуляцией

Регулятор напряжения с многозонной импульсной модуляцией

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

г ЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ С МНОГОЗОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ, содёржаофий и параллельно включенных инверторяых ячеек на полностью управляемых ключах, к выходам которых подключены первичные обмотки И высокочастотиых трансформаторов, втo ричные обмотки которых подключены к и выпрямительным мостам, блок . управления, включающий в кг1ждси4 кана ле по числу йиверторйых ячеек задаю1ЦИЙ генератор и пороговый элемент, первый вход которого предназначен для подклк1чения напряжения управления , о тли ч а ю щ и И с я тем, что, с целью повыщения техникоэнергетических показателей,VI выпрямительных мостов включеМл последовательно , блок управления выполнен многоканальным по числу инверторных ячеек, кажда1й канал которого снабжен расширителем импульсов, инверт , тирующим каскадом, генератором пилообразного напряжения IT сумматором, ииротно-импульсным формирователем, неуправляемым и управлЯемьв4 блоками развязки и усиления, причем второй вход каждого из пороговых элементов предназначен для подключения опорного напряжения, выход его через задающий генератори расииритель импульсов.подключен к генератору пилообразного напряжения, инвертирующему каскаду и неуправляемому блоку развязки и усиления, выход которого подключен к соответствую§ щей паре ключей инверторной ячейки, выхода генератора пилообразного напрйжения и инвертирующего каскада подключены к первому и второму входам cjWMaTopa, третий вход которого предназначен для подключения сигнаfi ла управления, выход сумматора под ключен к первому входу ииротно-импульсного формирователя, второй вход которого предназначен для подэ ключения опорного напряжения, а вы-ход через управляемый блок развязки NS и усиления подключен к соответствую Э щей паре ключей инверторной ячейки. 2. Регулятор по п; 1, о т Л и-чающийся тем, что про. регуND лировании переменного напряжения ключи VI упомянутых выпрямительных мостов выполнены полностью управляемыми , при этом управлякхцие vxoma ключей выпрямительных мостов подключены к соответствующим выходам неуправляемых блоков развязки и усиления .

СОЮЗ СООЕТСНИХ .ЯЦ В ОП В

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ (21) 3374651/24-07 (22) 04.01.82 (46) 07.06.83. Вюл. и 21 (72) В.И. Коновалов и Г.Я. Михальченко (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при

Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (53) 621.314.26(088.8) (56) 1. Современные задачи преобразовательной техники. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. Киев, 1975, ч.4, с. 301-306.

2. Авторское свидетельство СССР

9 699504, кл. Н 02 Р 13/16, 1978.

3. Авторское свидетельство СССР

9 754635, кл. Н 02 Р 13/14,.1980; (54) (57)ЪРЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ С МНО -ГОЗОННОй ИМПуЛЬСНОй .МОдуЛЯЦИЕй, содержаз(ий И параллельно включенных . инверторных ячеек на полностью управляемых ключах, к выходам которых подключены йервичные обмотки И высокочастотных трансФорматоров, вто» ричные.обмотки которых подключены к И выпрямительным мостам, блок управления, включаниций в каждом кана.ле по числу инверторных ячеек задающий генератор и пороговый элемент, первый вход которого предназначен для подключения напряжения. управления, отличающийся тем, что, с целью повышения техникоэнергетических показателей,И выпрямительных мостов включенй последовательно, блок управления выполнен многоканальным по числу инверторных

„.SU„„1022129 А

1(Я) 6 05 Р 1/20; Н 02 Р 13/14 ячеек, каждый канал которого снабжен расширителем импульсов, ннвертирующнм каскадом, генератором пилообразного напряжения, сумматором, ииротно-импульсным Формирователем, неуправляемым и управляемва блоками развязки н усиления, причем второй вход каждого из пороговых элементов предназначен для подключения опорного напряжения, выход его через задающий генератор.и расзмpитель импульсов. подключен к генератору пилообразного напряжения, инвертирукщему каскаду и неуправляемому блоку развязки и усиления, выход которого подключен к соответствую-. щей паре ключей инверторной ячейки, 3 выходы генератора пилообразного напряжения и инвертнрующего каскада подключены к первому и второму входам сумматора, третий вход которого предназначен -для подключения сигна-. ла управления, выход сумматора-под- Ф ключен к первому входу широтно-импульсного формирователя, второй вход которого предназначен для подключения опорного напряжения, а вы-ход через управляемый блок развязки и усиления подключен к соответствующей паре ключей ннверторной ячейки.

2. Регулятор по и. 1, о т л и..- ч а ю шийся тем, что при регулировании переменного напряжения ключи н упомянутых выпрямнтельных мостов выполнены полностью управляемыми, при этом управляющие входы ключей выпрямительных мостов подключены к соответствующим выходам неуправляемых блоков развязки и усиления.

1022129

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям и регуляторам переменного и постоянного напряжений, и может быть использовано при регулировании напряжения в большом диапазоне при сохранении высоких энергетических показателей, а также в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие регулирования и минимальная масса и габариты регулятора.

Известны регуляторы напряжения, содержащие генератор переменной час тоты, соединенный с управляющими цепями ключевых элементов, включенных последовательно с линейным дросселем (11.

15

Однако такие регуляторы позволяют регулировать напряжение в ограниченном диапазоне, так как сниже- 20

° ние частоты приводит к значительно-: му росту массогабаритных показателей трансформаторов и дросселей.

Кроме того, увеличение диапазона регулирования приводит к резкому рос 25 ту искажений.

Известны также регуляторы напряжения, содержащие высокочастотные трансформаторы и регулируемые коммутаторы (мостовые или с выводом средней точки трансформатора), первичные цепи которых соединены параллельно, а вторичные - последовательно через высокочастотные трансформаторы, реализующие многозонную 5ф импульсную модуляцию.

Такие регуляторы вне зависимости от диапазона регулирования имеют высокие энергетические показатели эа счет незначительных искажений потребляемого тока и выходного напря-40 жения, а наличие звена повышенной частоты позволяет снизить массу и габариты (2 ).

Однако такие регуляторы требуют трансформаторной гальванической 45 развязки силовых цепей и цепей управления и характеризуются низкой надежностью при резких изменениях управляющего сигнала, так как это приводит к .насыщению трансформато- 50 .:ров, цепей управления и высокочастотных силовых трансформаторов.

Наиболее близким техническим ре шением к предлагаемому является регулятор напряжения с многоэонной 55 импульсной модуляцией, содержащий . И параллельно включенных инверторных ячеек на полностью управляемых ключах, к выходам которых подключены первичные обмотки И высокочастотных SO трансформаторов, вторичные обмотки которых подключены к И выпрямительным мостам, блок управления, включаю« щий в каждом канале по числу инверторных ячеек задающий генератор и пороговый элемент, первых вход которого предназначен для подключения нап- ряжения управления f33.

Недостатком известного регулятора являются большие коммутационные паузы выходного напряжения и токи намагничивания, снижающие его технико-энергетические показатели. Это обусловлено тем, что вследствие синхроннос,ти работы широтно-импульсных модуляторов и каналов, моменты закрытых состояний всех ключей совпадают и в выходном напряжении присутствуют паузы, искажающие его форму и увели- чивающие его коэффициент пульсаций.

В известном регуляторе также не устранена воэможность эамагничивания сердечников трансформаторов цепи управления и силовых высокочастотных трансформаторов в случае несимметрии относительной продолжительности включения плеч инвертора, продолжающейся хотя бы несколько периодов коммутации инвертора. Такие режимы возникают при резких изменениях входного управляющего напряжения и создают необходимость применения специальных устройств по борьбе с замагничиванием, снижающих КПД регулятора и повышающих его массу и габариты.

Целью изобретения является повышение технико-энергетических показателей регулятора напряжения.

Поставленная цель достигается тем, чтО в регуляторе напряжения с многопозиционной импульсной модуляцией и выпрямительных мостов включены последовательно, блок управления выполнен многоканальным по числу инверторных ячеек, каждый канал которого снабжен расширителем импульсов, инвертирующим каскадом, генератором пилообразного напряжения, сумматором, широтно-импульсным формирователем, неуправляемым и управляемым блоками развязки и усиления, причем второй вход каждого из пороговых элементов предназначен для подключения опорного напряжения, выход его через задающий генератор и расширитель импульсов подключен к генератору пилообразного напряжения, инвертирующему каскаду и неуправляемому блоку развязки и усиления, выход которого поцключен к соответствующей паре ключей инверторной ячейки, выходы генератора пилообразного напря жения и инвертирующего каскада подключены к первому и второму входам сумматора, третий вход которого предназначен для подключения сигнала управления, выход сумматора подключен к первому входу воротно-им :. пульсного формирователя, второй вход которого предназначен для подключения опорного напряжения, а выход через управляемый блок раэввз1022129. ки и усиления подключен к соответ- входы ключей выпрямительных мостов ствующей паре ключей инверторной соединены с выходами неуправляемых блоков 10 развязки и усиления. ячейки.

Кроме того, при регулировании пе- На Фиг. 2 цифрой 17 показано вым еменного напряжения ключи И упомяну. ходное напряжение задающего генера- . тых выпрямйтельных мостов выполнены 5 тора первого канала; 18 — выходное полностью управл е правляемыми при этом напряжение расширителя 9 импульсов; управляющие входы клю ющ е входы ключей выпрямитель- 19 - выход генератора 12 пилообных мостов подключены к соответствую- Разного напряжения; 20 - напряжение щим выходам неуправляемых блоков инвертирующего каскада ll 21 - уп10 равляющий входной сигнал регулятоНа фиг. 1 приведена функциональ- .Ра; 22 - сумма напряжений 19, 20 и ная схема регулятора напряжения; на 21; 23 и- 24 - пороговые напряжения ф 2 - временные диаграммы работы задающего генератора 8 и широтноузлов Регулятора; на фиг. 3 - эпюры импульсного формирователя 1 иг ° В ат 13 ° 25 напряжен п яжения на нагрузке для известно- 15 выходное напряжение м ротно-импульсго и предлагаемого регуляторов нап- ного формирователя;,27,2 и 29—

° 26 8 ряжения; на фиг. — вре фиг 4 — временные диаг- . соответственно входной сигнал 6кротрамчы, поясняющие у поясняющие устранение возмож- но-импульсного формирователя, поро. ности замагничивания сердечников говые напряжения задающегр генератрансформаторов регулятора. 20 тора и широтно-импульсного формирорегулятор напряжения содержит И вателя и выходное напряжение ажротпараллельно включенных инверторных но-импульсного формирователя второячеек 1+И на полностью управляемых . го канала; 30 и 31 — выходные напряключах 1.1-, И, 4, в диагонали высо- . жения неуправляемого блока 10 раэкой частоты которых включены первич- 25 вязки и усиления; 3 и 3 - напряные о мот е обмотки высокочастотных транс- жения управляемого блока 16 развязки ение форматоров 2 1 - 2:И подключенных . и усиления, 34 — выходное напряжен вторичными обмотками к входным за- инвертора первого канала; 35 -. напжимам выпрямительных мо

ыпрямительных мостов 3.1 — -ряжение на выходе выпрямительного

3.р соединенных последовательно моста первого канала; 36 — выходное и подключенных к нагрузке 4. Блок напряжение регулятора, ред со

° 37 — с нее

5 управления, выполнен многоканаль- значение напряжения на нагрузке; ным, каждый канал снабжен подклю- На фиг. 3 эпюра 38 означает напченным к управляющему входу регуля- ряжение на выходе выпрямнтельного ополнительным пороговым эле- моста первого канала с учетом комментом б с задающим резистором 7, З5 мутационных пауз напряжения; 9, 3 .выход которого подключен к задающ— р подключен к задающе- 40 и 41 - выходные напряжения выпря-, ратору 8 с последовательно - мительных мостов последующих канасоединенными расширителем 9 импульсов лов; 42. - выходное напр регу связаннйм с выходом задающего гене- лятора с цжротно-импульсным управратора, н неуправляемым блоком 10 40 лением; 43-46 — напряжения на высиления, подключенным ходе выпрямительных MocTQB предлагаек управляющим входам ключей 1.2, 1.4- .мого регулятора, 47 — его суммарное

- .2 И .4 и инвертирующим каскадом- выходное напряжение.

11, вход которого. объединен с кхо- На фиг. 4 эпюра 48 от р ю а 48 отоб ажает дом генератора 12 пилообразного нап- 45 входной управляющий сигнал регуляряжения и подключен к выходу расши- тора; 49-50 — соответственно напряжение на обмотке высокочастотного трансформатора и индукция в его серОдин вход широтно-импульсного дечнике для регулятора с широтно: формирователя 13 подключен к цепи импульсным управлением; 51 ". грани из пороговых элементов 14, а к вто- . ца насыщения сердечника; 52 и 53рому его входу через Сумматор 15 напряжение на обмотке высокочастот-подключены выходи генератора 12 пи- ного трансформатора и индукция в лообраэного иапряжения1 инвеРтиРУю- его сердечнике для предлагаемого Ре.. щегo каскада ll и управляющий вход гулятора при входном управляющем сигрегулятора напряжения. Выход широт- нале 48.

55 но-импульсного формирователя 13 че- регулятор рабртает следукицим

pcs управляемый блок 16 развязки образом. и усиления соединен с управляющими При включении питающего напряжевходаищ ключей 1.1 и 1.3 ииверторной ния и отсутствии управляющего вход ячейки 1. при регулировании пеРе" 60 ного сигнала задающий генератор 8: менного напряжения выпрямительные (выполненный на компараторе, к одномосты 3.1-3.И и ииверторные ячей- . му из входов которого приложено опор:ки 1 »и выполнены иа полностью уп- ное напряжение, а к другому присое-, равляемых ключах с двухсторонней динена емкость времяэадающей RC-це.проводимостью, при этом управляюкде 65 пи, шунтированнаи транзистором, ба1022129 эа которого связана с выходом компа" ратора) формирует импульсы 17, частота которых определяется опорным нап ряжением дополнительного порогового элемента 6.Импульсы 18 с выхода расши рителя 9 импульсов поступают на вход неуправляемого блока развязки и уси ления, выполненного на основе 3 К-триг1 гера с последовательно соединенными усилителем мощности по нулевой схеме и развязывающим трансформатором. Неуправляемый блок развязки и усиления формирует напряжения 30 и 31, управ;. ляющие ключами 1.2 и 1.4 первой инверторной ячейки.

Кроме того, импульсы 18 поступают в инвертирукщий каскад 11, выполненный на логическом элементе 2И-НЕ, который формирует напряжение 20, и на вход генератора 12 пилообразного напряжения, формирующего сигналы 19, 20 равные по длительности импульсам 18 и 20. Поступающие на сумматор 15 напряжения 19, 20 и 21 складываются в в сигнал 22, который сравнивается в широтно-импульсном формирователе 25

13 с опорным напряжением 24, равным по величине сумме амплитуд напряжений 19 и 20. Выходное напряжение

25 на выходе широтно-импульсного формирователя равно нулю, что опре- 30 деляет отсутствие сдвига по фазе выходных напряжений 32 и 33 управляемого.блока 16 развязки и усиления относительно 30 и 31. Ключи инвертора работают по циклу 1;1 и З5

1.2, 1.3 и 1.4. Выходное напряжение 34 инверторной ячейки, так же как и напряжение 35 выпрямительного моста первого канала, равно нулю, напряжение на выходе регулятора отсутствует.

При появлении входного управляющего сигнала 21 напряжение 22 на входе широтно-импульсного формирователя 13 превышает. пороговое значение 24 и на управляейий блок 16 45 развязки и усиления поступаЮт импульсы 25, частота которых постоянна, а относительная длительность увеличивается пропорционально сигналу управления 21. Управляемый 50 блок 16 развязки и усиления формирует управляющие напряжение 32 и

33, сдвинутые относительно напряже" ний 30 и 31 на величину длительнос.-. ти импульса 25. Диаграммы 30-33 в 55 этом режиме соответствуют одновре-. менному замкнутому состоянию клю-. чей 1.1 и 1.2, 1.2 и 1.3, 1.3 и 1.4 .

1.4 и 1.1.

В результате, к первичной:обмот- gp ке высокочастотного трансформатора первого канала прикладывается напряжение 34, а на выходе выпрямитель- ного моста — импульсная последовательность 35, относительная длительность импульсов которой пропор(циональна управляющему. входному сигналу. К моменту времени t когда входное напряжение широтно-импульсного модулятора 13 достигает порогового значения 23, равного по величине сумме порогового напряжения 24 и пилообразного 19, фиксируется длительность импульсов (Т„„ „ на фиг.2)

В этот момент управляющее входное напряжение 21 превышает1опорное напряжение порогового элемента 6 и частота задающего генератора 8 растет соответственно управляющему входному сигналу регулятора, за счет чего относительная длительность выходных импульсов широтно-импульсного формирователя 13 с дальнейшим увеличением управляющего сигнала стремится к единице, а диаграмма одновременного замкнутого состояния ключей — к режиму 1.2 и 1.3, 1.4 и 1.1. Среднее значение напряжения на выходе выпрямительного моста 3.1 приближается к своему максимальному уровню.

В момент времени: t пороговый элемент 6 ограничивает величину поступающего на задающий генератор 8 управляющего напряжения, тем самым устанавливая частоту задающего генератора первого канала на максимальном уровне. В этот же момент времени суммарный сигнал 26 на входе широтно-импульсного формирователя второго канала достигает порогового зна- чения 28 и на вход управляемого блока развязки и усилении второго канала начинают поступать импульсы 29, длительность которых растет до достижения напряжением 26 уровня 27, затем начинается частотно-импульсная модуляция во втором канале.

С последующим ростом входного управляющего сигнала вступают в действие все каналы, вплоть до И-ного, каждый из которых работает bio замкнутому циклу, сперва с широтно-импульсной, затем с частотно-импульсной модуляцией. На зпюре 36 изображе но напряжение на выходе регулятора и среднее значение мгновенного напря. жения на нагрузке 37, образованные суммой напряжений всех каналов при произвольно нарастающем входном управляющем сигнале без учета коммутационных пауз напряжения как управляющей, так и силовой цепи .

На фиг. 3 изображены эпюры выходных напряжений известного и пред.". лагаемого регуляторов при нарастающем сигнале управления с учетом коммутационных пауз напряжения. При увеличении управляющего входного сигнала от нулевого уровня в регуляторе. с широтно-импульсным управлением (прототипе) вступает в действие инвертор первого канала, на

1022129 выходе выпрямительного моста форми-, руется напряжение 38, относительная длительностб импульсов которого изменяется от нуля до максимальной величины определяемой длительностью а паузы, необходимой для переключения ключей инвертора. При достижении .длительности импульсов напряжения, иа выходе выпрямительиого моста пер вого канала максимального значения вступает в действие второй канал, напряжение на выходе выпрямительного моста которого показано на. эпюре 29, затем третий канал (40), четвертый (41) и т.д.

Суммарное напряжение на выходе 1 регулятора показано на эпюре 42. Как видно из эпюры 42, при любом уровне выходного напряжения сохраняются коммутационными паузы, частота кото.рых равна частоте задающего генера-тора. Ввиду синхронности работы схем управления, паузы, напряжения всех каналов приходятся иа одни и те:же моменты времени, что.и опреде.ляет повышение пульсации выходного напряжения.

В предложенном регуляторе напряжение на выходе выпрямительных мостов (зпюры 43-46) изменяется в каждом.канале сначала по закону имротно-импульсной, затем по закону частотно-импульсной модуляции. В ре:зультате нарушается синхронность работы каналов регулятора и коммутационные паузы напряжения не совпадают во времени. Из эпюры 47 суммарного выходного напряжения регулято-! ра видно, что амплитуда пульсаций выходного напряжения предлагаемого регулятора значительно меньше (осо-. бенно llpI. большом числе каналов И,), чем у известного. Это позволяет об-1 ходиться меньшими фильтрами для .обеспечения того же коэффициента пульсаций..Кроме того, в случае несимметрии относительной продолжительности включения плеч инвертора (например, при входном управляющем сигнале, изображенном на эпюре 48.фиг. 4) хотя бы в течение небольшого числа периодов коммутации инвертора, что показано на эпюре 49, неизбежно следует замагничивание сердечника высокочастотного трансформатора, кривая

1 изменения индукции которого показана на эпюре 50, где линия 51 означает насыщение сердечника.

Меры по бррьбе с замагничиванием . снижают технико-энергетические пока затели регулятора. В предложенном регуляторе напряжения за счет применения частотного регулирования исключены режимы, благоприятств л . щие замагничиванню сердечников. Так как при частотном регулировании напряжение на выходе инвертора при котором отображено на эпюре 52, продолжительность импульсов напряжения

5 остается постоянной, сердечники перемагничиваются до определенной постоянной величины индукции (эпюра

53) и замагничивания не происходит-.

Таким образом, предложенное ре"

1О жение позволяет регулировть как переменное, так и постоянное напряжение во всем диапазоне с сохранением высоких технико-энергетических показателей за счет незначительвого

25 коэффициента искажений выходного напряжения, величина которсао может быть выбрана сколь угодно малой увеличением числа и инверторных ячеек. 0 другой стороны,, минималь30 ные искажения на промежуточной повьааенной частоте позволяют устанавливать небольшие и компактные фильтрующие устройства с постоянными времени, не превышающими несколько полупериодов напряжения повышенной

- частоты либо вообще отказаться от фильтров, так как искажения, опреде., ляющие массу и габариты входных и выходных фильтров, снижаются до зна. чений, не превышакицих требований

4О ГОСТ к качеству электроэнергии.

Кроме того, предложенное решение дает возможность обходиться без дополнительных устройств по борьбе с замагничиванием. Это позволяет

45 существенно повысить быстродействие регулирования, умены ить коэффициент пульсаций выходного напряжения регулятора, повысить его КПД, раскмрить диапазон регулирования час50 тоты и напряжения, снизить токй намагничивания и на этой основе исключить аварийные режимы инверторных ячеек, повышая тем самым техникоэнергетические показатели.

1022129 фиг. 1

f7

f8

1У гю

3022129

1022129

Составитель Г. Ефимов

Редактор A. Шандор ТехредМ,Тепер КорректорА. Дэятко

Заказ 4043/40 Тираж 874 Подписное

> ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам иэобретений и открытий

113035, Москва, Ж- 35, Раушская наб., д. 4/5

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4