Стабилизатор переменного напряжения

(71) Научно-исслеут автоматики и Р 2 инсти ки при вательск ектромех т Т анных автоматизи ком ннстит радиоэлектроник ьский институЛибенко, Ю.М.В.Д.Семенов хал регулй 986,ого инне аналы фо ГОСУДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ систем управления ии Научно-исследовател(56) Авторское свидетельство СС1." 488197, кл. 0 05 Г 1/30, 1973Кобзев А.В. Лебедев Ю.И Еиченко Г."Я и др. Стабилизатор скочгстотным широтно-импульснымрованием. 1,: Энергоатомиздат,с, 11 б, 117, рис. 51, 52,(54) СТАБИЛИЗ ГО НАПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к электротехнике и может найти применение припостроении систем электропитания объектов, требующих улучшенной электромагнитной совместимости с питающейсетью и работающих при технологически необходимых перегрузках. Цель нзобретения - расширение функциональныхвозможностей путем обеспечения работы стабилизатора в режиме ограниченияи стабилизации тока, повышение эксплуатационной надежности и улучшениеэлектромагнитной совместимости с питающей сетью, Стабилизатор содержитрегулирующий орган, включенный мездуфильтрами 1 и 2, состоящий из мостов ртора 3 и демодулятора 11,к рмирования сигнала рассог1495766 Составитель А.Волковаедактор В.Данко Техред И.Дидык Ко ор Т.Мал Т СССР зводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 аказ 4265/45 НИИПИ Государ Тираж 788 Подписноеенного комитета по изобретениям и открытиям и 13035, Москва, Ж, Раушская наб., д. 4/53 1495766 4 ласования по току демодулятора 11 ивыходному напряжению, контролируемыесоответственно с помощью датчиков 15и 18. Режим работы стабилизатора определяют величина и полярность напряжения на выходе селектора 22. Выход селектора 22 соединен с входомблока 26 управления и входом широтноимпулвсного модулятора (ППЖ) 24, Цепи управления ключей инвертора 3 подключены к двум выходам блока 26 управления. Логический блок 25 управляетключами 12, 13 демодулятора 11, аШИ 11 24 - ключом 14. При превышении 15 Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике регулирования и стабилизации напряжения, величина которого изменяется в большую или меньшую сторону от номинального значения, и может найти применение при построении систем электропитания, требующих повышенной электромагнитной совместимости нагрузки с сетью, повышенной надежности, малого веса и габаритов и работающих при технологически неизбежных перегрузках.Цель изобретения - расширение Функциональных возможностей путем обеспечения работы стабилизатора в режиме ограничения и стабилизации тока, повышение эксплуатационной надежности и улучшение электромагнитной совместимости стабилизатора с питающей сетью,На Фиг.1 приведена функциональная схема стабилизатора переменного напряжения; на Фиг.2 - вариант выполнения логического блока; на фиг,3 вариант еелектора напряжения; на Фиг,4 - пример выполнения измеритель ного преобразователя напряжений; на фиг.5 и б - временные диаграммы, иллюстрирующие работу стабилизатора в различных режимах.Стабилизатор переменного напряжения (Фиг,1) содержит входной 2 и выходной 2 фильтры, причем один из выходных выводов фильтра 1 соединен с одним из входных выводов фильтра 2, К выходу фильтра 1 подключена одча из 55 диагоналей мостового инвертора 3, выполненного на полностью управляемых ключах 4-7 переменного тока, К другой диагонали инвертора 3 подсоединена током, протекающим в цепи демодулятора 11, установленного значения блок26 управления переводит инвертор 3в режим полной вольтотбавки. За счетширотно-импульсного регулирования наполную глубину уменьшается величинавыходного напряжения, происходит стабилизация тока, протекающего в цепидемодулятора 11, и ограничение тока,потребляемого из сети, При уменьшенииперегрузки включается канал формирования сигнала рассогласования по напряжению и производится стабилизация выходного напряжения, 1 з,п. Ф-лы, 6 ил,первичная обмотка 8 трансформатора 9. Его вторичная обмотка 1 О средней точкой соединена с выходом фильтра 1 и образует вход демодулятора 11. Выход демодулятора 11 образован крайними выводами обмотки 10, соединенными между собой через полностью управляемые ключи 12 и 13 переменного тока и подключен к входу фильтра 2, Параллельно входу фильтра 2 такжебподсоединен дополнительный полностью управляемый ключ 14 переменного тока, а к выходу демодулятора 11 в -вход датчика 15 тока, Выход датчика 15 тока подсоединен к одному из входов узла 16 сравнения, другой вход которого подключен к выходу источника 17 опорного тока. К выходу фильтра 2 подключен вход датчика 18 напряжения. Его выход соединен с одним из входов второго узла 19 сравнения, другой вход которого подключен к выходу источника 20 опорного напряжения,Выход узла 19 сравнения подсоединен к информационному входу измери-: тельного преобразователя 21 напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу датчика 18 напряжения, а выход - к одному из входов селектора 22 минимального уровня напряжений. Другой вход селектора 22 соединен с выходом узла 16 сравнения, а выход через инвертирующий усилитель 23 - с входом широтно-импульсного модулятора 24, выходом подключенного к одному из входов логического блока 25 и к управляющему входу дополнительного ключа 14, Выход селектора 225 14957 также соединен с входом блока 26 уп- равления, первый парафазный выход 27 которого подключен к управляющим входам ключей 4 и 5, второй парафаэный выход 28 - к управляющим входам ключей 6 и 7, третий выход 29 - к другому входу широтно-импульсного модулято. ра 24, а четвертый выход 30 - к другому входу логического блока 25. Выхо 10 ды логического блока 25 подсоединены к управляющим входам ключей 12 и 13 демодулятора 11,где У ы, 11 - выходные напряжеььпния логическогоблока 25 соответственно на первом и втором вь;ходах блока;- инверсное выходное55напряжение широтно- импульсного модулятора 24; Ыим Блок 26 управления (фиг.1) может быть выполнен на основе задающего генератора 31, генератора 32 пилообразного напряжения, измерителя 33 амплитуды, узла 34 вычитания, фазосдвигающих узлов 35 и 36 с парафазными выходами и формирователя 37 прямоугольных импульсов, При этом выход задающего генератора 31 соединен с входами генератора 32 пилообразного напряжения и формирователя 37 прямоугольных импульсов, Выход генератора 32 пилообразного напряжения подключен к первым входам фазосдвигающих узлов 35 и 36 и к входу измерителя 33 амплитуды, который выходом подключен к входу уменьшаемого узла 34 вычитания. Вход30 вычитаемого узла 34 вычитания, а также второй вход фазосдвигающего узла 35 образуют вход блока 26 управления. Выход узла 34 вычитания подключен к другому входу фазосдвигающего узла 35 36. Первые два выхода 27 и 28 блока ф, 26 управления образованы парафазными выходами фазосдвигающих узлов 35 и 36, третий выход 29 - выходом генератора 32 пилообразного напряжения, а чет 40 вертый выход 30 - выходом формирователя 37 прямоугольных импульсов,На фиг,2 приведен вариант выполнения логического блока 25, реализую; щего логическую функцию 0ВькПмим 11 Б 1Вью,2 щймНуу66Нь - пря ое и инверсноенапряжения четвертого выхода блока26 управления,Логический блок 25 может быть выполнен иэ логических элементов И-НЕ38 и 39 и логических элементов 2 И 40и 41, Вход элемента 38 предназначендля соединения с выходом 30 блока 26с,управления (фиг.1) и соединен с однимиз входов элемента 41, Вход элемента39 предназначен для подключения выходаширотно-импульсного модулятора 24,а его выход соединен с вторым входомэлемента 41 и одним иэ входов элемента 40. Другой вход этого элемента подключен к выходу элемента 38, Выходыэлементов 40 и 41 предназначены дляподключения к управляющим входам ключей 12 и 13 демодулятора 11 (фиг.1).На фиг3 изображена схема селектора 22 минимального уровня напряжений,выполненная на основе усилителей 42и 43, выходы которых объединены через резистор 44 и диод 45 и подклю-.чены к одному из выводов конденсатора 46Вход усилителя 42 предназначендля подключения к выходу измерительного преобразователя 21 напряжения,а вход усилителя 43 - для подключенияк выходу узла 16 сравнения (фиг.1),Выход селектора 22 образован общейточкой резистора 44, диода 45 и конденсатора 46,На фиг.4 приведена функциональная схема измерительного преобразователя 21 напряжения, состоящая из последовательно соединенных интегратора 47 и ячейки 48 памяти. Выход ин"тегратора 47 эашунтирован ключом 49,а ячейка 48 памяти выполнена на осно"ве последовательного ключа, запоминающего конденсатора и повторителянапряжения. Управляющие входы ключа49 и ключа ячейки 48 памяти подсоединены к распределителю 50 импульсов,выход которого через нуль-орган 51подключен к входу или выходу стабилизатора, Вход интегратора 47 предназначен для подсоединения к выходу узла 19 сравнения, а выход измерительного преобразователя 21 образован вы-ходом ячейки 48 памяти. Датчик 15 тока может быть выполненв виде последовательно соединенныхтрансформатора тока и прецизионноговыпрямителя, а датчик 18 напряжения 1495766св виде последовательно соединенных трансформатора напряжения и выпрямителя, Датчик 15 тока может быть подключен к узлу 16 сравнения непосредственно, а также через амплитудный де-5 тектор. Измеритель 33 амплитуды выполняется по любой из известных схем измерения амплитуды напряжения произвольной формы.Источник 17 опорного тока и источник 20 опорного напряжения выполнены на основе стабилизаторов постоянного напряжения, а узлы 16 и 19 сравнения и узел 34 вычитания могут быть выщол иены на основе усилителей вычитателей,Широтно-импульсный модулятор 24 может быть выполнен на основе аналогового компаратора напряжений.20Фазосдвигающие узлы 35 и 36 могут быть выполнены по известным схемам с парафаэными выходами.Формирователь 37 прямоугольных импульсов может быть построен на Т-трйггере.Инвертирующий усилитель 23 и задающий генератор 31 пилообразного напряжения могут быть выполнены по любой иэ известных схем,30 На фиг.5 и 6 обозначено:1 - область режима стабилизациинапряжения;11 - область режима стабилизациитока, протекающего по цепи демодулятора;П 1 - область перехода из режимастабилизации тока в режимстабилизации напряжения сети;52 - переменное напряжение сети; ф 53 - выходное напряжение демодулятора 11;54 - напряжение на выходе фильтра 2(выходное напряжение стабилизатора);45 55 - выходное напряжение измеритель"ного преобразователя 21;56 - выходное напряжение датчика15 тока;57 - выходное напряжение источника 5018 опорного тока;58 - выходное напряжение узла 16сравнения;59 - выходное напряжение селектора22 минимального уровня напря 55жения;60 - выходное напряжение задающегогенератора 31; 61 - напряжение на выходе генератора 32 пилообразного напряжения;62 - выходное напряжение узла 34 вычитания;63-66 - напряжения на управляющихвходах ключей 4-7 инвертора 367 - выходное напряжение инвертируюЩего усилителя 23;68 - выходное напряжение широтноимпульсного модулятора 24;69 - выходное напряжение формирователя 37 импульсов;.70 и 71 - напряжения на управляющихвходах ключей 12 и 13 демодулятора 11,Стабилизатор работает в двух режимах - в режиме стабилизации напряжения сети и в режиме стабилизациитока, протекающего по цепи демодулятора, Первый режим реализуется, когда ток, протекающий в цепи демодулятора, не превышает его установленноедопустимое значение, а второй - притоке, превышающем это значение.В режиме стабилизации напряжениясети (область 1 на фиг,5 и 6) стабилизатор работает следующим образом,мНапряжение 52 сети (фиг.5) черезфильтр 1 прикладывается к диагоналиинвертора 3 и к входу демодулятора11; В инверторе 3 производится преобразование этого напряжения в напряжение повышенной частоты с сохранением синусоидальной огибающей и егорегулирование, а демодулятор 11 осуществляет выпрямление высокочастотнойсоставляющей При этом на выходе демодулятора 11 формируется напряжение53, высокочастотная составляющая которого фильтруется фильтром 2, преобразуясь при этом в напряжение 54. Вдатчике 18 напряжения напряжение 54понижается до требуемого уровня, выпрямляется и поступает на один иэ входов узла 19 сравнения, На другой входузла 19 сравнения с выхода источника20 опорного напряжения подается постоянное напряжение, величина которогоопределяет величину выходного напряжения стабилизатора,Резу.ьтат сравнения подается навход измерительного преобразователя21, где производится его инвертирова"ние в течение каждого полупериода напряжения сети и фиксация результатаинтегрирования на время последующегополупериода. 11 ри этом на выходе из 1495766 10мерительного преобразователя 21 формируется напряжение 55, пропорциональное среднему значению разности между опорным и выходным напряжениями.стаг билизатора. Одновременно датчик 15 то- ка осуществляет измерение и выпрямление тока, протекающего в цепи демодулятора 11, и на выходе формируется напряжение 56. Это напряжение подает ся на один из входов узла 16 сравнения, а на другой его вход с выхода источника 17 опорного тока поступает постоянное напряжение 57, соответствующее по величине допустимому значе нию тока, протекающего по цепи демодулятора 11,В результате вычитания из напряжения 57 напряжения 56 в узле 16 сравнения на его выходе формируется напряжение 58, поступающее на другой вход селектора 22. Здесь напряжения 55 и 58 усиливаются усилителями 42 и 43 (фиг.З) и одно из них прикладывается к конденсатору 46. При этом. 25 за счет соответствующего (фиг.З) включения диода 45 при положительной полярности напряжения 53 конденсатор 46 заряжается выходным напряжением усилителя 42,пропорциональным напряжению 55, а при отрицательной полярности напряжения 58 - выходным напряжением усилителя 43. В результате это го на выходе селектора 22 формируется напряжение 59, величина и полярность которого определяют режим рабо 35 ты стабилизатора и значение его выходного напряжения. В режиме стабилизации напряжения сети напряжение 59 имеет положитель ную полярность и регулирование напряжения 52 осуществляется следующим образом. Синхронно с выходным напряжением 60 задающего генератора 31 иа . выходе генератора 32 пилообразного напряжения формируется напряжение 61, поступающее на входы фазосдвигающих узлов 35 и 36 и вход широтно-импульсного модулятора 24, На другой вход фазосдвигающего узла 35 подается напряжение 59, а на другой вход фазо сдвигающего узла 36 с выхода узла 34 вычитания поступает напряжение 63, представляющее собой разность мелду амплитудой напряжения 62 и мгновен ными значениями напряжения 58. В ре" зультате сравнения напряжения 61 с налряжениями 59 и 62 на парафазных выходах фазосдвигающего узла 3". формируются импульсные последовательности 64 и 63 поступающие на управляющие входы ключей 4 и 5 инвертора 3 и сдвинутые относительно напряжения 60,на угол Ы , на выходах фазосдвигающего узла - импульсные последовательности 66 и 65, которые подаются на управляющие входы ключей 6 и 7 инвертора 3 и характеризуются углом сдвигаотносительно напряжения 60; Далее напряжение 59 усиливается и инвертируется усилителем 23 и полученное напряжение 67 подается навход широтно-импульсного модулятора 24, на другой вход которого поступает напряжение 62, Таккак напряжение 67 в режиме стабилизации напряжения сети всегда отрицательно, то выходное напряжение 68 широтно-импульсного модулятора 24 равно нулю,В результате логического перемножения напряжения 68 и напряжения 69,вырабатываемого на выходе формирователя 37 импульсов, на выходах логического блока 25 формируются напряжения 71 и 70, поступающие на управляющие входы ключей 12 и 13 демодулятора 11, на управляющий вход ключа14 подается напряжение 68, равноенулю, Этот ключ находится в разомкнутом состоянии и на входе фильтра 2(выходе демодулятора 11) формируется напряжение 53, соответствующеерегулируемой вольтодобавке,В режиме стабилизации тока, протекающего по цепи демодулятора 11 (область 1 Т на фиг.5 и 6), стабилизатор работает следующим образом,1При превышении выходным напряжением 56 допустимого значения (напряжения 57) выходное напряжение 58 уз." ла 16 сравнения становится отрицательным. Происходит отпирание диода 45 в селекторе 22, быстрый разряд конденсатора 46 через этот диод и выходное сопротивление усилителя 48 и его последующий перезаряд до напряжения 60, имеющего отрицательную полярность и пропорционального напряжению 59 в данный момент времени. При этом напряжения 59 и 62 выходят из области сравнения с напряжением 61, на выходах фазосдвигающих узлов 35 и 36 фор мыруются импульсные последовательнос 1495766 12ти 63"66, характеризующиеся значения-. ми углов сдвига о.=О и= 7, и напряжение на входе фильтра 2 становится равным напряжению полной вольто 5 отбавки. Напряжение 67, инверсное по отношению к напряжению 59, становится положительным и в результате его сравнения с напряж кием 61.на выходе широтно-импульсного модулятора 24,производится напряжение 68, - поступающее на управляющий вход ключа 14. Ключ 14 замыкается, и на время его замкнутого состояния напряжение 53, действующее на входе фильтра 2, становит ся равным нулю,За счет логического умножения напряжений 68 и 69 на других выходах логического блока 25 формируются напряжения 7.1 и 70, поступающие на управляющие входы ключей 12 и 13, которые поочередно замыкают эти ключи пос ле размыкания ключа 14. При этом напряжение 53 становится равным напряженко полной вольтоотбавки до последующего замыкания ключа 14 и размыкания ключей 12 и 13. За счет уменьшения напряжения 53 во время замкнутого состояния ключа 14 происходит ограничение тока, протекающего в цепи демодулятора 11, и его стабилизация с заданной точностью на уровне, определяемом значением напряжения.57. Ток имеет пульсирующий характер, и 35 процесс его изменения во времени отражен диаграммой напряжения 56. По мере спадания тока, протекающего в цепи демодулятора 11, проис ходит уменьшение выходного напряжения 56 датчика. 15 тока. Это, в свою очередь, определяет увеличение выходного напряжения 58 узла 1 6 сравнения, При смене знака напряжения 67 45 под воздействием выходного напряжения усилителя 42 производится заряд конденсатора 46 с постоянной времени, определяемой емкостью конденсатора 46 и сопротивлением резистора 44, вьг ходное напряжение 59 селектора 22 становится положительным. Происходит выработка Фазосдвигающими узлами 35 и 36 импульсных последовательностей 63-66 с соответствующими углами сдви 55 га о и 5 ввиду смены полярности напряжения 67, выходное напряжение 70 широтно-импульсного модулятора 24 становится равным нугпо, Ключ 14 размы кается, а ключи 12 и 13 демодулятора11 поочередно замыкаются синхроннос напряжением 69 Аормирователя 37 импульсов. При этом напряжение 53, прикладываемое к входу фильтра 2, становится равным напряжению регулируемойвольтоотбавки, а стабилизатор медленно переводится из режима стабилизациитока в режим стабилизации напряжениясети (область 1 Т 1 на Аиг.5 и 6). Помере последующего нарастания тока вцепи демодулятора 11 происходит увеличение выходного напряжения 56 датчика 15 тока и осуществляется повторный перевод стабилизатора в режимстабилизации этого тока,Таким образом, при технологическихперегрузках и коротких замыканиях цепи нагрузки в предлагаемом стабилизаторе переменного напряжения по сравнению с известным реализуется режимограничения и стабилизации тока, протекающего по цепи демодулятора, Этоограничение достигается за счет снижения выходного напряжения стабилизации путем широтно-импульсного регулирования этого напряжения на полнуюглубину, Быстродействие и точностьстабилизации указанного тока определяются параметрами элементов селектора напряжений 22 и коэффициентом усиления усилителя 23, Это расширяетфункциональные возможности стабилизатора, улучшает его электромагнитнуюсовместимость с сетью за счет ограничения потребляемого из сети тока в режиме перегрузки, а также повышает егоэксплуатационную надежность без увеличения установленной мощности клю". -чей инвертора и демодулятора,Формула изобретения1, Стабилизатор переменного напряжения, содержащий последовательно соединенные между входными и выходными выводами входной фильтр, демодулятор и выходной Аильтр, причем вход демодулятора образован средней точкой вторичной обмотки высокочастотного воль тодобавочного трансАорматора, а выход - объединенными между собой через два полностью управляемых ключа переменного тока выводами этой обмотки, мостовой инвертор на полностью управляемых ключах переменного тока, одной диагональю подктпоченный к выходу входного фильтра, а другой диагона 1495766 14лью - к первичной обмотке высокочастотного вольтодобавочного трансформатора, датчик тока, датчик напряжения, входом подсоединенный к выходным вы 5 водам, а выходом - к одному из входов первого узла сравнения, другим входом подключенного к выходу источника опорного напряжения, а выходом - к информационному входу измерительного пре обраэователя напряжения, управляющий вход которого подсоединен к выходу датчика напряжения, блок управления, первым и вторым парафазными выходами подключенный к управляющим 15 входам ключей инвертора, о т л и ч аю щ и й с я тем, что, с целью расширения функциональных возможностей путем обеспечения работы стабилизатора в режиме ограничения и стабили зации тока, повышения эксплуатационной надежности и улучшения электромагнитной совместимости с питающей сетью, в него введены дополнительный полностью управляемый кл ч переменно го тока, источник опорного тока, второй узел сравнения. селектор минимального уровня напряжений, инвертирующий усилитель, широтно-импульсный модулятор и логический блок, причем З 0 дополнительный полностью управляемый ключ переменного тока подключен па-. раллельно входу выходного фильтра, вход датчика тока подсоединен к выходу демодулятора, а его выход соеди нен с одним иэ входов второго узла сравнения, другим входом подключенного к выходу источника опорного тока, а выходом - к одному из входов селектора минимального уровня напря жений, другим входом соединенного с выходом измерительного преобразователя напряжения, а выходом - с входом блока управления и входом инвертирующего усилителя, подключенного выходом 45 к одному иэ входов широтно-импульсного модулятора, другой вход которого соединен с третьим выходом блока управления, а выход - с управляющим, входом дополнительного полностью управляемого ключа переменного тока и с одним из входов логического блока, другим входом подключенного к четвертому выходу блока управления, а вы" ходами - к управляющим входам ключей демодулятора, и выполненного в виде узла, реализующего логическую функцио"зим11 ыимеы Ц выем где 13 еы, 11 , - выходные напряже ния логическогоблока соответствен 2, Стабилизатор по п. 1, о т л и" ч а ю щ и й с я тем, что селектор минимального уровня напряжений выполнен в виде двух усилителей, входы которых образуют входы селектора минимального уровня напряжений, а выходы через резистор и диод, подключенный катодом к выходу одного из усилителей, обьединены на первом выводе конденсатора, образующего выход селектора и подсоединенного другим выводом к общей шине. но на первом и. втором выходах блока;Ю , - инверсное вьмодноенапряжение широтноимпульсного модулятора;ЦБ 91 ОБА - прямое и инверсноенапряжения четвертого выхода блокауправления,а блок управления снабжен двумя фаэосдвигающими узлами с парафаэными выходами, задающим генератором, генератором пилообразного напряжения, формирователем импульсов, измерителемамплитуды и узлом вычитания, причемпервые входы фаэосдвигающих узловподключены к выходу генератора пилооб-,разного напряжения, входом соединенного с выходом задающего генератора,к которомуподключен также вход формирователя импульсов, второй входпервого фазосдвигающего узла образует вход блока управления и подключенк входу вычитаемого узла вычитания,вход уменьшаемого которого через измеритель амплитуды соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, а выход - с вторым входом второго фаэосдвигающего узла, причемпервый и второй выходы блока управления образованы вьмодами фаэосдвигающнх узлов, третий выход - выходомгенератора пилообразного напряжения,а четвертый выход - выходом формирователя импульсов.