Преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией

Преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

ОП ИГРАНИ Е

ИЗЬБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТ8У

Союз Советскнх

Соцнапнстнческнх

Республик (»>985772 (6l ) Дополнительное к авт. свнд-ву— (22) Заявлено 24. 10.80 (21) 2996244/24-07 (53)M. Кл.

G 05 W 1/22

Н 02 P 13/16 с присоединением заявки ¹â€”

Рзеударотеонвй комитет

СССР ло делам изобретений и открытий (23) Приоритет— (53) УД К621.314.

26(088 8) Опубликовано 30.12.82. Бюллетень № 48

Дата опубликования описания 06.01.83 (72) Авторы изобретения

А. В. Кобзев, H. M. Музыченко и А. В. Тараскин„-

1

Научно-исследовательский институт автоматики и (электромеханики при Томском институте автоматизированных систем уйрьвления . и радиоэлектроники (71) Заявитель (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

C МНО ОЗОННОИ ИМП ЛЬ :НОИ МО>ДУЛ ЯЦИЕД ритами.

Изобретение относится к электротех- нике, 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 усилении управляющего входного сигнала, например амплитудных модуляторах, усилителях мощности, при высоких энергетических показателях с минимальными массой и габаИзвестен преобразователь напряжения дискретного действия, содержащий задающий генератор, фазореверсирующие блоки и ряд силовых ячеек с трансформаторами f1).

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

Наиболее близким к предлагаемому является регулятор напряжения со звеном повышенной частоты, реализующий много зонную импульсную модуляцию, содержащий и -соединенных между собой преоб5 разовательных ячеек, связанных с фаэосдвигающими узлами, основной задающий генератор и и -пороговых элементов (2).

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

К недостаткам известного регулятора следует отнести то, что при точном воспроизведении и усилении регулирукзцего воздействия с повышенной частотой или большой скоростью перестройки уровня (5 кГц и вьпце) приводит к дополнительго ным потерям мошности за Счет увеливения тактовой частоты, что снижает КПД и надежность, так как увеличиваются asнамические потери. При низкой тактовой

3 98577 частоте остается не высоким и динамический диапазон преобразования..

Е1ель изобретения — повышение КПД надежности и расширение динамического диапазона. 5

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователь напряжения с многозонной импульсной модулядией, содержащим и соединенных между собой преобразовательных ячеек, связанных с фазъ4 10 сдвигающими узлами, основной задающий генератор и и -пороговых элементов, введены допопнительный задающий генератор с частотой ниже частоты основного, подключенный к К -фазосдвигающим узлам з

К-фиксаторов уровня, подключенных к входам этих же узлов, и к пороговым элементам, а также сумматор подключенный через (Р - К ) -пороговых элементов к другим (n- 1()-фаэосдвигающим 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- 5 непосредственно.

Каждая преобразовательная ячейка выполнена из первичного, подключенного силовыми входами к источнику питания, и вторичного, подключенного выходами к другим ячейкам, коммутаторов соединенных между собой высокочастотным трансформатором.

С целью упрощепия вторичные обмотки

К-трансформаторов и вторичные обмотки з (п- K ) -трансформаторов преобразовательных ячеек соединены последовательно и образуют две группы обмоток, каждая из которых подключена к одному из двух вторичных коммутаторов. 40

С целью расширения функциональных возможностей, все преобразовательные ячейки разделены на две группы, где в одной К, а в gpyroN(ll- Ц -вторичных ком-„ мутаторов, причем один первичный комму;татор в каждой группе связан со вторичными одним трансформатором.

При регулировании в нагрузке однополярного напряжения вторичные коммутато- 5

50 ры выполнены на неуправляемых вентилях

Кроме того, с целью повышения среднего КПД при широком диапазоне регулирования К -фазосдвигающих узлов выполнены по логической схеме И..

Фиксаторы уровня выполнены, например, по схеме стабилизаторов положительного и отрицательного напряжения.

2 ф

На фиг. 1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя; на юг. 2 - 5 - варианты выполнения силовой части преобразовательных ячеек; на фиг. 6 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя при преобразовании напряжения сети в регулируемое сигналом управления любой формы; на фиг. 7 - вариант выполнения фазосдвигающего узла.

Преобразователь (фиг. 1) содержит д -соединенных между собой преобразова тельных ячеек 1 и 2 выходом подключенных через фильтр 3 к нагрузке 4, а силовым входом источника 5 питания к сети переменного или постоянного тока, Все преобразовательные ячейки разделены на две группы; s одной К ячеек 1, а во второй (и-К)ячеек 2 °

В каждой ячейке 2 иэ второй группы подключены выходы фазосдвигающих уз-, лов 6, которые соединены с основным задающим генератором 7 и через пороговые элементы 8, сумматор 9 и его один вход с входом преобразователя 10, ко торий кроме того через Х пороговых элементов 11 и фиксаторы 12 уровня, подключены к K входам сумматора 9 и к фвзосдвигающим узлам 13, вторые входы которых соединены с дополнительным задающим генератором 14, а выходами - с управляющими входами ячеек 1 первой группы.

Кроме того,(фиг. 2) каидая преобразовательная ячейка 1 и 2 выполнена из первичного 15, подключенного силовым входом к источнику 5 питании 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. 3) содержит несколько первичных коммутаторов 15 со своими трансформаторами 25, у которых вторичные обмотки соединены последовательно и подключены к одному вторичному коммутатору 16. Каждая из двух групп ячеек 1 и 2 (фиг. 4) может быть выполнена из o oro первичного ком мутатора 15, трансформатор 25 которого вторичными обмотками подключен к нескольким вторичным коммутаторам . 16, соединенным последовательно между собой., На фиг. 5 вторичные коммутаторы выполнены на неуправляемых вентилях, Фазо сдвигающие узлы 13 первой группы ячеек выполнены по логической схеме и (фиг.7).

5 9857 фиксаторы уровня 12 — по схеме стабилизатора положительного и отрицательного напряжений.

Принцип работы преобразователя пояс няется диаграммами напряжений, представЗ ленных на фиг. 6.

При отсутствии управляющего сигнала нв входе 10 преобразователя силовые ячейки 1 и 2 подключены таким образом, что напряжение на нагрузке 4 равно нулю. о

Пороговые элементы Р и 11 имеют последовательно нарастающие уровни срабатывания, причем выходы Х пороговых эле«ментов 11 подключены к фиксаторам 12 уровня, позволяющих при срабатывании по рогового элемента эастабилиэировать амплитуду сигнала, который поступает на сумматор 9 и фазосдвигаюшие узлы 13.

При нарастании входного сигнала 26 (фиг. 6) вначале он также повторяется 20 сумматором 9, и поступает на (n-К)-пороговых элементов 8, которые разрешают поочередную работу фазосдвигающих узлов 6, подключенных к основному задающему генератору 7, и работающему íà an-2$ тимальной, по информационным возможностям и минимума искажений, частоте 27 управляющих импульсов. Фазосдвигающие узлы 6 управляют работой преобразовательных ячеек 2, которые зв счет сдвига зр фазы управляющих импульсов 27, реализуют однополярную реверсивную (или не реверсивную} широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения ячеек 2 (диаграммы 28 и 29). Эти напряжения суммируются и формируется результирующая кривая 30. Дальнейшее увеличение входного сигнала приводит к срабатыванию одного из К пороговых элементов ll, сигнал которого скачкообразно возрастает, 4О стабилизируется по амплитуде фиксатором

12 уровня и осуществляет мгновенное изменение фазы нв 180 эл. град. в одном из фаэосдвигвющих узлов 13. За счет этого дискретно меняется выходное напри«4 жение 31 и 32 этой ячейки. Кроме того, напряжение с выхода фиксатора 12 вычитается в суммарное из входного сигнала так, что на выходе сумматора 9.сигнал обнуляется (дивграмма 33), в вместе с ним обнуляется выходное напряжение

30 (й- 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 (0 — К } ячеек к их начальным условиям и т.д. При уменьЮ шении входного сигнала процессы проте72 6 I кают в обратном порядке. т. е. вторая группа ячеек преобразователя циклически плавно регулирует выходное напряжение с широтно-импульсной модуляцией, как бы осуществляет плавающее зонное регулиро .ванне с каждой ячейкой иэ первой группы регулируемых дискретно. форма выходного напряжения имеет вид 35 (фиг. 6).

При поступлении на вход преобразователя сигнала другой полярности остается тем же за исключением того, что на вы ходе фиксаторов уровня формируется ста

/ бильное напряжение другой полярности, что позволяет сформировать на выходе фазосдвигаюших узлов, такую фазу управ .ляюших импульсов, крторая обеспечит необходимую полярность выходного напряжения. При .этом ключевые элементы ячеек должны быть выполнены на ключах переменного тока. Числом эон регулирования, реализуемых в предлагаемом преобразова теле при однополярпой реверсивной моду- ляции, в каждой из (n- K ) ячеек составляет Np — — 2 (n- К ) (К + 1), а при однополярной нереверсивной t4 (n- К )(K + 1).

За счет того, что практически всегда до статочно одной ячейки с- ШИМ, где, требуется повышенная частота, а остальные могут 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 ячейках одна из них регулируемая с ШИМ, а девять с АИМ, количество плавно регулируемых зон составляет - 20, а при 3 с

ШИМ и 7 С АИМ - 48, т. е. число ячеек не изменяется, а точность и динамический диапазон увеличиваеп=я значительно, что видно иэ конкретного примера.

:Применение же преобразователя с многозонной импульсной модуляцией при точном 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 поз. воляет существенно повысить мощность всей системы.

При применении преобразователя с большими выходными токами вторичные обмотки К трансформаторов и вторичные обмотки (n- К )-трансформаторов преобразовательных ячеек соединены последова-, тельно и образуют две группы обмоток, i

98577 каждая из которых подключена к одному из двух вторичных коммутаторов. На фиг. 3 показана одна группа ячеек.

При малых мощностях и больших выходных напряжениях все преобразовательные ячейки разделены также на две группы, где в одной К, а в другой (м-К)вторичных коммутаторов, при этом один первичный коммутатор в каждой группе связан со вторичным одним трансформатором. 10

При применении в качестве вторичных коммутаторов не управляемых вентилей при регулировании однополярного напряжения (фиг. 5) повышает КПД за счет уменьшения мощности управления, а также зна- 15 чительно упрощает устройство (плавное регулирование .за счет нереверсивной ШУМ1

Использование для управления первой группой ячеек 1 вместо фазосдвигаюших узлов 13 логических схем И целесообраз-20 но и возможно когда управляемыми являются первичные коммутаторы, а вторичные выполнены на неуправляемых вентилях.

Это позволяет повысить средний КПД преобразователя при широком диапазоне регу-25 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 единице, то прямоугольное напряжение задакицего генератора проходит через узел 13 на управление ключами ячейки и напряжение на ее выходе максимально.

Наиболее простое исполнение узла 13 показано на фиг. 7„Он работает следую45 шим образом. При наличии сигнала с фиксатора 12 уровня ключ К, в узле 13 замыкается и сигнал с задающего генератора 14 проходит на управление преобразовательной ячейкой. Во всех других сигналах (любой из сигналов равен нулю)

50 сигнал на управление преобразовательной ячейкой отсутствует и она заперта.

Использование в управлении ключами первой группы ячеек узла по логической схеме И упрощает управление и повышает

КПД, так как при регулировании напряжения ячейки, не задействованные в данный момент, отключены и не потребляют ток

2 8 (как схема управления, усилитель мощности, так и силовая часть), Предлагаемый преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией позволяет производить следуюшие 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

1регулируемое 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 повьпнает точность регулирования при минимальной величине фильтров, амплитуда пульсаций имеет величину напряжения на одной ячейке с ШИК при любой величине выходного напряжения.

1 ф о р м у л а и з о б.р е т е н и я

1. Преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией, содержащий и -соединенных между собой преобразовательных ячеек, связанных с фазосдвигаюшими узлами, основной задающий генератор и и -пороговых элементов, о т л и ч а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения КПД, надежности и расширения динамического диапазона, в него введены дополнительный задающий генератор с час-1 тотой ниже частоты основного, подключенный к К -фазосдвигаюшим узлам, K -фик саторов уровня, подключенных .к входам этих же узлов и к пороговым элементам, а также сумматор, подключенный через (и-K)»пороговых элементов к другим (и-К)-фазосдвигаюшим 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 одиннепосредственно.

2. Преобразователь по п. 1, о т л ич а ю ш и и с я тем, что каждая преоб. 9857 разовательная ячейка выполнена из пер вичного, подключенного силовым входом к источнику питания, и вторичного, подключенного к другим ячейкам, коммутаторов, соединенных между собой высокочастотным S трансформатором.

3. Преобразователь по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью упрощения вторичные обмотки К трансформаторов и вторичные обмотки (n-K)-транс 10 форматоров преобразовательных ячеек соединены последовательно и образуют две группы обмоток, каждая иэ которых под-. ключена к одному из двух вторичных коммутаторов.. 3S

4. Преобразователь по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью рас ширения функционалЬных воэм ожнос тей, все преобразовательные ячейки разделены на две группы, где в одной К, а в дру- 20 гой(П- К )-вторичных коммутаторов, причем один первичный коммутатор в каждой группе связан со вторичными одним трансформа тором.

72 10

5. Преобразователь по пп. 1-3,- о тл и ч а ю шийся тем, что при регулировании в нагрузке однополярного напряжения вторичные коммутаторы выполнены на неуправляемых вентилях.

6. Преобразователь по и. 5, о т л ич а ю ш и и с я тем, что, с целью повышения среднего КПД при широком диапазоне регулирования, К .фаэосдвигающих узлов выполнены по логической схеме п .

7. Преобразователь по пп. 1- 6, о тл и ч а ю а1 и и с я тем, что фиксаторы уровня выполнены, например, по схеме стабилизатора положительного и отрицательного напряжения.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Ж 505104, кл. Н 02 М 7/48, Н 02 P 13/18, G 05 F 1/10. 1971.

2. Авторское свидетельство СССР

N 699504, кл. 05 F 1/22, Н 02 P 13/16, 1976.

985772

Составитель Г. Мыяык

Редактор Н. Ковалева Техред М.Надь Корректор О. Билак

Заказ 10164/68 Тираж 914 Подписйое

ВНИИПИ Государствення о комитета СССР по делам изобретений и открытий

113036, Москва, ЖЗ6, Раушскаа иаб., д. 4/З

Филиал ППП Патент, г. Ума ород, ул. Проектная, 4