Способ регулирования напряжения

(71) Заявитель и электромеханики при Томском институте автоматизированныхсистем управления и радиоэлектроники) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕН входных и уменьшения, ыходных наму снижению я, что в ряИзобретение относится к электротехнике, в частности к технике регулирования переменных н постоянных напряже- . ний, и может найти применение в тех случаях, когда требуется регулирование напряжения в большом диапазоне лри сохранении высоких энергетических показателей, а также в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие регулирования при минимальной массе и габаритах самих регуляторов.Известны способы регулирования как переменного так и постоянного напряже ний, реализующие частичную модаяцию выходного напряжения. При небольшой . глубине модуляции (5-18% 0 щх ) такие способы и реализующие их устройства позволяют получить довольно высокие энергетические показатели за счет незначительных искажений напряжения источника питания. Однако увеличение диапазона регулирования сводит эти преимущества на нет и энергетические показатели таких систем не отличаются от глубокорегулируемых. Установка жевыходных фильтров, с цельюискажений входных токов и впряжений, приводит к резкобыстродействия регулнрованиде случаев недопустимо.Наиболее близким по существу технического решения к изобретению являетсяспособ регулировайия переменного напряжения, реализованный в системах со звеном повышенной частоты посредствомпреобразования напряжения источника питания в напряжение повышенной частоты,передачи энергии через высокочастотныйтрансформатор и преобразования ее в нвпряжочие с частотой источника питаниямостовым демодулятором на полностьюуправляемых ключах путем сдвига фазуправляющих импульсов соответствующихпар ключей демодулятора,Однако в этом случае увеличение глубины регулирования также приводит кувеличению искажений напряжения н снижению энергетических показателей, аф4692033 г Нф,о Составитель Г. МыцыкРедактор Д. Мепуришвили Тахред С. Мигай Корректор Н. Горва Заказ т м и ква илиал ППП "Патент г. Ужгород, ул, Проектная, 4 6237/49 ЦИИИПИ Госу по дела 113035, МосТираж 857 Подписноенного комитета СССРретений и открытийЖ-ЗБ, Раушская набд. 4/53 6920 уствнокв фильтрую.цих устройств приводит, как следствиек резкому снижению быстродействия.Целью изобретения является повышение энергетических показателей во всем диапазоне регулирования и быстродействия" регулирования.Поставленная цель достигается тем, что в известном способе диапазон регулирования разделяют на 2 И зон и ре О "гулироввнные напряжения в первыхИ, зонах осуществляют последовательнымосдвигом на 180 управляющих импульсов соответствующих пар ключей каждого демодулятора, в в остальных И зонах - 15 последовательным встречным сдвигом нао180 управляющих импульсов других пар ключей демодуляторов.Другое отличие состоит в том, что, с , целью поддержания энергетических показателей"Сйстем с вольтодобавочными секциями на заданном уровне вовсем диапазоне регулиования, объединяют верхниеИ зон в одну и регулирование в этой(и +1)-ой зоне осуществляют одновременным встречным сдвигом на 180фаз замыкания других пар ключей всех демодуляторов.Это позволяет в каждой иэ 2 И (ли-,бо +1) зон регулировать напряжение методом однополярной высокочастотнойширэтйо-"-импульсйой модуляции при любомдиапазоне регулирования, причем процессрегулирования основан на сочетании2 И +1 (либо 0+2) уровней неискаженного напряжения источника питания ивысокЪчаСтотной широтно-импульсной модуляцией между любыми соседнимиуровнями. При таком способе регулирова-40ния удается во всем диапазоне сохранитьвысокие энергетические йоказафгели," вслед-"стйиечегонезначительные фильтры, либоЮс отсутс.вие,позволяет повысить быстродействие процесса- регулирования во"всемдиапазоне, Причем увеличение промежу 45точной повышенной частоты и числа 2 йэон.йриводит крезкому снижению"исквжейий, массы фильтров и к повышениюбыстродействия.50Сущность изобретения йоясняется при- мерами конкретной реализации способа напрйведенйых ниже чертежах.Нафиг, 1 и 2 представлены фуйкциональные схемы регуляторов напряжения55со звеном повышечной частоты. В регу"ляторе нв фиг. 1 нагрузка гвльванически связана с питающей сетью. Диапазон " регулирования здесь определяется коли 33 4чествэм и еличиной эльтодобавэчпых звеньев. Предельный целесообразный диапазон изменения выходного напряжения от О до 2 Ости .В схеме на фиг, 2 нагрузка гальванически разделена с питающей сетью, Напряжение здесь может реверсироваться, его регулирование обеспечивается в пределах от максимального положительного до минимального отрицательного значений.Нв фиг. 3,4,5 приведены временные диаграммы, поясняющие сущность способа регулирования при питании от источника переменного и постоянного напряжений.На фиг, 6 представлена функциональная схема регулятора напряжения, позволяющего регулировать выходное напря жение в каком-либо ограниченном, наперед заданном диапазоне.На фиг, 7 приведены временные диаграммы, поясняющие сущность способа регулирования при частичной модуляции.Регуляторы на фиг. 1 и 2 содержат И последовательно включенных мостовых демодуляторов, обозначенных Д 1, Д 2 ДИ, каждый из которых выполнен на полностью управляемых ключах К 1:1, К 1:2, К 1:3, К 1 ф 4 К 2:1, К 2:2, К 2:3, К 2:4; ;К п 1; Кп;2, Ки; 3, Ки,4 соответственно, высокочастотный трансформатор 1, первичная обмотка Ю 4 которого включена в одну диагональ мостового инвертора 2,3,4,5, а вторая его диагональ подключена к источнику питания. Трансформатор 1 имеетИ вторичных обмоток Ю Ф%,вклюн ченных в ди агон али повышенной ч встоты демодуляторов Д 1, Д 2, , ДИ соответственно. В схеме по фиг, 1 крайние выводы низкой частоты последовательно соединенных демодуляторов включены последовательно с источником питания и с нагрузкой 6, а в схеме по фиг. 2 - соединены с нагрузкой 6 непосредственно. Регулятор по фиг, 6, кроме перечисленных элементов, имеет нерегулируемую секцию, включающую в себя дополнительную вторичную обмотку и демэдулятэр ДО нв ключах КО:1, КО:2, КО;3, КО:4.Нв фиг, 3, 4, 5, 7 обозначено: 7 - найряжение источника питания переменного тока, например напряжение сети;8 - напряжение повышенной частоты, действующее в каждой иэ вторичных обмоток трансформатора 1, при питании отисточника переменного напряжения; 9,9 в,9 б, 10, 10 а, 10 б - диаграммы состояния одних пар ключей, смежных относительно зажимов низкой частоты демодуля5 692033, 6Шторов, в частности 9 - диаграмма состоя- более подробное рассмотрение сущностиний ключей КИ:2, КИ:4 демодулятора ДИ, способадостаточно провести нд одномустрой 10-диаграмма состояний ключей К (И); стве, например, пофиг, 1 при регулировании2, К (и -1):4 демодулятора Д ( И -1) переменного напряжения.и так далее до демодулятора Д 1, причем 5 Согласно изобретению, преобразова"положительные . импульсы этих диа- ние напряжения источника питания, награмм соответствуют включенному сос- пример, напряжения сети 7 (фигЗ) втаянию ключей Ки:2, К ( и -1):2 инапряжение повййенной частоты 8 осут.да отрицательные" - КИ:4, К ( И 1) ществляется модулятором на ключах 2,3, .4 и т.д 11, 11 а, 11 б, 12, 12 а - 1 4,5, а передача энергии- через высокодивграммы состояний других пар клв- частотный трансформатор 1. Обратное . чей каждого демодупятора, причемпреобразование напряжения повышеннойположитепьные" импульсы этих диаграмм часТоты в напряжение с частотой источсоответствуют включенному состояникь ника питанияосуществляется И после- ключей КИ:3, К ( И): 3;, К 1:3, а довательно включенными демодупяторами ,отрицательные" -К И 1, К ( И); 1 Д 1, Д 2 ДИ. ,К 1:1; 13 - максимальное напряжение нанагрузке: 14, 14 а, 15, 1 ба - напряже- Далее способ регулирования удобнее ние на нагрузке в процессе регулирования рассматривать с режима, когда напряже 2016 - напряжение источника питания пос- ние на нагрузке максимально, В таком тоянного тока, в качестве которого мо- режиме состояния ключей демодуляторов жет быть испопьзовано, например, напря- опРеделяются диаграммами, обозначен- жение аккумуляторной батареи, либо вы- ными на фиг3 цифрами 9, 10, и 11, прямпенное и отфильтрованное напряже .12 При этом одновременно замкнуты, 25ние сети и т. д.; 17 - найряжение по-. противопопожные пючи всех демодулятовышенной частоты при питании от источ- . Ров К 1:2 и К 1:3, К 2:2 и К 2:3ника, постоянного тока; 18, 18 а - напри- КИ:2 и КИ:3 а в другой попупериод на. жение на нагрузке в процессе регупиро-пряжения 8 повышенной частоты - ключи вания; 19, 19 а, 20, 20 а - напряжение з ",К 1.:1 и К 1:2 г К 2:1 и К 2:4,; КИ:1 и на нагрузке в процессе регулирования КИ:4, подкпючая при этом ЭДС всех втодля схемы по фиг. 6,ричных обмоток й,жд,.,исогласно с2 Инапряжением 7 источйика питания. НапряНа фиг, 8 приведены зависимости коэф- жение 13 на нагрузке максимально,фициента мощности К =1(0)и коэффи- имеет неискаженную синусоидапьную форциента гаРмоник Кг: Х(он) длЯ РегУПЯ- мУ и соответствУет (2 И+1 -омУ неиска 35тора,по фиг, 1 при условии равенства женному уровню.1 алзц 2 -" чч 2 ="=4 ч, на фиг. 9 и 10 Согласно предложенному изобретениюэти же зависимости дпя регуляторов по весь диапазон регулирования (для рассматфиг. 2 и 6 соответственно, при том же 4 о риваемого примера - отОдо 2 ци.пит.условии, а на фиг. 11 зависимости К разделяют на 2 И зон и регупирование=х(О) и К= Х Он) пр.усповии напряжения в первых И зонах (от 2поддержания этих характеристик на задан- Цпи до О и, пт, ) осущесгвляютном уровне во всем диапазоне регулиро- последовательным сдвигом нв 180 фазания Спедует отметить, что приведен 45 замыкания одной из пар кпючей напрные на фиг. 8,9,10 и 11 зависимостимер ключейК 1;2 и К 1:4, К 2:2 и К 2:4.,7носят качественный характер, так как КИ:2 и КИ,4 каждого демодулятора. Регуколичественная их оценка может быть лирование в зоне 2 И осуществляют, надана лишь при конкретном числе И, пример,сдвйгом на угол регулированииЕстественно, что врегуляторах при,б,ри (фиг.З)фаэзамыканияключей Кп:2питании кх от источника переменного на- и и;4 демодулятора Ди, задавая нопряжения ключи как модулятора, так и вый алгоритм его работы. При этом демодуляторов должны выполняться на :одновременно будут замкнуты ключи КИ:3кпючах с двухсторонней проводимостью, и Кп:4 (в интервале с(., р), КИ:2 иа при питании отисточника постояниого 55 КИ,3 (в интервалеГ-ЫР, Кп:1 и КЬ 2, напряжения - на ключах с односторонней ,КИ:1 и КИ, 4. Такой алгоритм обеслепроводимостью. Однако, поскольку про-,чивает либо исключение ЭДС обмотки иэ кассы регулирования переменного и по-,контура суммирования йапряжений вторичстоянного напряжений идентичны, то наи- ных обмоток с напряжением источника7 6920 питания (в интервале срлибо подклю инин ее к этому контуру (в интервалеЕ-с 1, форма напряжения на нагрузке при этом будет иметь вид приведенный на фиг. 3 кривой 14. Дальнейшее увеличение сдвига фазы замыкания указанных ключей приводит и к уменьшению напряжения в зоне 2 И , а следователь-но, й к уменьшению напряжения на нагрузке. При изменении фазы замыкания на пол-;0 периода напряжения повьшенной частоты (Й 2 Р нафиг. 3) ключидемодулятораДп, диаграмма состояний которых показана пунктир ,ной линией 96, замыкаются по циклу Кп:4 и КИ:3, Ки:2 и Кп:1, все Ьремя исключая ЭДС обмотки Ф" иэ контура суммирования, Напряжение на нагрузке при этом снова имеет синусоидальный характер, но уже на другом уровне 2 И . Для дальнейшего,регулирования напряжения в зоне (2 И -1) необходимо аналогично сдвигать на 180 фазу замыкания пары ключей демодулятора Д -1, диаграмма состояний ключей которого при некоторой промежуточной фа 25 зе с(. Р п 41 приведена на фиг. 3 пунктирной линией 10 а. Теперь на времяа ( ) из контура суммирования будет исключаться обмотка и,, что и будет определять величину выходногонаЗО пряжения 14 а. Очевидно, что дальнейшее последовательное изменение, фаз замыкания одной из пар ключей остальных демодуляторов приводит к поочередному ис- ключению остальных вторичных обмотоктрансформатора 1 из контура суммирова-,ния,а следовательно, и. к плавному позонному регулированию выходного напряжения. При установлении фазы замыка 40ния ключей К 1:2 и К 1:4 последнего де-модулятора Д 1, равной 180, одновременно будут замкнуты в один полупериоднапряжейия 8 ключи К 1;1, К 1;2, К 2:1 ,и К;2;Ки:1 иКп:2,адругой полупериод-ключи К 1:3 и К 1:4,К 2:3 иК 2:4,1 Кп:ЗиКп:4, обеспечивая тем самым не-искаженную передачу на нагрузку на, пряжения 7 источника питания. Так осуществляется регулирование в первых Дзонах. Регулирование же напряжения в остальных И зонах осуществляют встреч. ным сдвигом: на 180 фаз замыкания других пар ключей К 1;1 и К 1:3, К 2:1 , и К 2;3, , КИ.1 и КИ:3 демодуляторов Д 1, Д 2, , Д 1 . фазы замыкания первых пар ключей (К 1:2 и К 1:4, К 2;2 33 8и К 2:4 КИ:2 и Ки:4) при регули- ровании в нижних И зонах неизменныи характери,зуются диаграммами, обозначенными на фиг. 4 цифрами 96, 106,Регулирование напряжения в зоне и(фиг. 4) ослпествляют встречным изменением фазы замыкания ключей Кп:1и Кп;3 демодулятора ДИ на угол Ъ,1 РИ; ..Диаграмма состояний ключей этого демодулятора Ди приведена на фиг. 4эпюрами Об и 11 а, согласно которойбудет определяться и цикл замыкания:питания и к уменьшению напряжения 15на нагрузке, При установлении фазызамыкания ключами КИ:1 и Ки:3 равной1,80 (фна фиг. 4) цикл замыканияключей демодулятора Дп будет следующий: К 1:4 и КИ 1, Ки:2 и КИ:3 (чтоиллюстрируется диаграммой 116) Обмотка ЗЧ 2 в этом режиме будет постояннно включена встречно с напряжением 7и на нагрузке будет действовать неискаженное напряжение. Регулирование напряжения в "следующей.( И)-ой зоне осуществляется встречным сдвигом фазы замыкания пары ключей демодулятора Д( И) на угол Ь,(, , чем достигается введение обмотки этого демодуляторав контур регулирования и обеспечиваетсяна нагрузке напряжение 15 а. Естественно, что дальнейшее встречное изменениефаэ замыкания последовательно другихпар ключей демодуляторов приводит к поочередному встречному включению остальных вторичных обмоток с напряжениемисточника питания и, как следствие, кплавному позонному уменьшению выходного напряжения до О.Энергетические характеристики К ф=Е(С) и К. "-(0 ) для рассматриваемого примера, приведенные на фиг.,8,показывают, что сочетание в процессе регулирования уровней неискаженного напряжения источника питания с одиополяр-ной высокочастотной широтно импульсной модуляцией между любыми соседнимиуровнями позволяет сохранить во всемдиапазоне регулирования высокие энергетические характеристики, за счет малостиискажений входного напряжения,В верхних зонах регулирование можносущественно упростить, для чего необходимо, начиная с уровня, когда напряжение на нагрузке равно напряжению источ9 692 ника питания, обьедицить их в одну н регулирование в этой ( и +1)-ой зоне осуфществлять одновремейным встречным сдвигом на 180 о.фаз замыкания других пар ключей всех демодуляторов. При таком способе в контур суммирования вводятся одновременно все обмотки демодулято ров. ЭДС этой зоны будет определяться" ЬИ какпТак удается поддер - о живать энергетические показатели близкими к наперед заданному уровню во всем диапазоне регулирования (фиг. 11).Таким образомизобретеннепозволя-ет регулировать как переменное так и постоянное напряжение в любом диапазоне при сохранении высоких энергетических показателей, за счет малости искажений напряжения источника питания, величина которых может быть выбрана сколь угод- о но малой увеличением числа и демоду- ляторов. С другой стороны минимальные искажения на промежуточной повышенной частоте позволяют устанавливать неболь 25 шие, компактные фильтрующне устройства с постояннымй времена, не превышающими нескольких полупериодов напряжения повышенной частоты, либо вообще отказаться от фильтров, так как искаже- . ния легко могут быть доведены до значений, не превышающих требований ГОСТ. А это позволяет резко повысить быстродействие. регулирования напряжения и от-; крывает новые возможности в построе.35 нин высокоэффективных систем преобразовательной техники.Следует отметить, что при таком способе регулирования, когда энергня передается через трансформатор на промежу, точной повышенной частоте, увеличение числа вторичных обмоток трансформатора не гриводит к столь резкому росту массы и габаритов снловых регулирукзпих 033 10органов, как например, в системах, у которых трансформаторы работают иа промышленной частоте сети, что в случаях, где важны мннимальная масса и габариты, является немаловажным фактором. Формула изобретения 1. Способ регулирования напряженна путем преобразования напряжения источника питания в напряжение повышенной частоты, трансформации и последующего преобразования его в напряжение с часто- " той источника питания последовательно включеннымй й мостовыми демодуляторами ив полностью управляемых ключах в результате сдвига фаз управляющих имлульсов, смежных относительно выводов низкой частоты пар ключей демодуляторов, о. т л и ч а ю-щ н й с я тем, что, с целью повышения энергетическкх показа-. тепей вовсем диапазоне регулирования и быстродействия, упомянутый диапазон разделяют на 2 и зон и в первых и зо- . нах последовательно сдвигают на угол180 управляющие импульсы упомянутых пар ключей каждого демодулятора, а в остальных И зонах последовательно-, встречно сдвнгают на 180 управляющие импульсы другнх пар ключей демодуляторов.2. Способ регулирования напряжения поп.1, отличающийся тем, что, с целью поддержания энергетических показателей систем с вмьтодобавочнымн секциями на заданном уровне во всем диапазоне регулирования, обьединякт верхние И зоны в одну и регулирование в этой ( 0+1)-ой зоне осуществляют одновременным встречным сдвнгом на 180 О фаз замыкания других пар ключей . всех демодуляторов.