Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное

(19) (1 А З(5 р Н 02 М 5/257 44 ЗОБРЕТЕНИ ЬСТВУ ВТОРСНО трансформатора п пороговых элементов с последовательно нарастающимиуровнями, подключенных к выводу дляподключения сигнала управления,узел развязки и усиления нулевогоключа, выход котогого соединен суправляющей цепью нулевого ключа, иблоков управления, выполненных изпоследовательно соединенных модуляторов ширины импульсов, управляющиевходы которых подключены к соответствующим пороговым элементам, логических элементов НЕ, в каждом блокеуправления, кроме первого, трехвходовых логических распределителейимпульсов, узлов развязки и усиления,соединенных с управляющими цепямиполностью управляемых ключейвторичной обмотки трансформатора,о т л и ч а ю щ и й с я тем, что,овышения технико-энергетиказателей й расширенияльных возможностеи, в него с целью п ческих по функциона введеныэлементов дополните пороговых и и мод по одном я, управл с и доп импульс управленисоединень орична двух полуобм точки, кажда П отпаек, п говыми элементами, при этом выходыобоих модуляторов ширины импульсовпервого блока управления подключены е жи чеи еденному фазовращателюьных блоков - к вход и -1 логических узлов ности, выходы которых рвыми входами распред льсов смежного блока адшим номером и через к ввостал а вых введе еравно оедине ителей равлен огичес д диых н я ы я и имп с м элементы НЕ с вторыми вхо делителей импульсов своег управления, а третьи вход пределителей импульсов об пре ми расблокавсех раединены ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ(71) Научно-исследовательскийинститут автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники(54)(57) 1. РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ, содержащий высокочастотныйтрансформатор, у которого первичнаяобмотка подключена через полностьюуправляемые ключи к выводам дляподключения входного напряжения,бмотка выполнена в в оток с выводом сред я из которых содеродключенных к силов выводам полностью управляемых кл другие силовые выводы которых об нены и вместе со средней точкой трансформатора образуют выводы д подключения нагрузки, параллельн которым подсоединен нулевой ключ а также триггер, входом подключе к задающему генератору, а выходомчерез узел развязки и усиления -к управляющим цепям полностью упраляемых ключей первичной обмотки уляторов шириныу в каждый блокяющие входы которыхолнительными поро 309881130988 а Составитель И.ГоловиноваТехред Л.Иартяшова Коррек Н.Лазаренк едак 3/41 Тираж 666 ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб., каз 9 Падписно П "Патент", г. Ужг Проектная,и1130988 со средней точкой образуют входные и выходные зажимы регулятора, причем выходные зажимы шунтированы нулевым кпючом.Указанный преобразователь осуществляет однополярную реверсивную модуляцию вольтодобавочного напряжения и находит применение в стабилизаторах сетевого напряжения Г 13. Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике регулирования пережнных и постоянных напряжений, колеблющихся вверх и вниз от своего номинального значе ния, и может найти применение в качестве регулируемых 1 стабилизируемых)источников электропитания для электротехнических установок, в преобразователях постоянного напря жения в квазисинусоидальное в тех случаях, где требуется высокое качество электроэнергии при большом диапазоне регулирования.Известен регулируемый преобразо ватель напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием, у которого обмотки трансформатора выполнены с выводом средней точки, а их крайние выводы подключены 20 к полностью управляемым ключам, выходы которых обьедкнены и вместе и подключены к выходу фазоврашателя,другие входы которого соединены с выходами триггера, а выход - с вторым входом своего распределителя импульсов и входом узла развязки и усиления нулевого ключа через введенный логический узел, выполненный в виде последовательно соединенных логических элементов ИЛИ, НЕ2. Преобразователь по п. 1, о т - л и ч а ю щ и й с я тем, что логический узел неравнозначности содержит два двухвходовых логических элемента И-НЕ и двухвходовый логический элемент ИЛИ,входы которого объединены с входами одного из логических элементов И-НЕ и образуют входы логического узла неравнозначности, выход которого образован выходом второго элемента И-НЕ, один из входов которого подклю-чен к выходу логического элемента ИЛИ, а другой соединен с выходом первого элемента И-НЕ.3. Преобразователь по и. 1, о тли ч а ю щ и й с я тем, что фазовращатель выполнен в виде двух 3 К -триггеров, счетные входы которых предназначены для подключения к выходам модуляторов ширины импуль-сов, а одноименные ЭК -входы - к выходам триггера, подключенного к задающему генератору, причем противо тактные выходы фазовращателя образованы выходами двух логических элементов И, входы каждого из которых соединены с одноименными выходами 3 К -триггеров,.4. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что модуляторы ширины импульсов каждого блока управления выполнены в виде двух генераторов встречно изменяющихся треугольных напряжений, каждый из которых включен последовательно со схемой совпадения.5. Преобразователь по п. 1, о тл и ч а ю щ и й с я.тем, что распределитель импульсов выполнен в виде четырех двухвходовых логических элементов И, противотактные выходы которого образованы выходами двух элементов И, одни из входов которых образуют третьи выходы распределителя, другие входы которых подключены к выходам двух других элементов И, входы которых попарно объединены и образуют первый и второй- входы распределителя импульсов. Однако увеличение диапазона регулирования приводит к повышению искажений из-за увеличения амплитуды пульсаций регулируемого напряжения.Известны регулируемые преобразователи напряжения, содержащие мостовые коммутаторы в первичнойпф и вторичной цепях высокочастотных трансформаторов, реализующие многозонную импульсную модуляцию и применяющиеся в стабилизаторах, регулируемых преобразователях, пре3 1 Зобразователях постоянного напряженияв переменное 21 и О 3.Однако такие устройства содержатбольшое число полностью управляемыхключевых элементов, что приводит кснижению надежности и К 1 Щ,так какпрактически все ключи обтекаютсятоком нагрузки. 30988 4модуляцию. По этой причине такойрегулятор невозможно испольэоватьв стабилизаторах напряжения, колеблющегося вверх и вниз от своего5 номинального значения, при гальванически связанных цепях источникапитания и нагрузки, что ограничивает его функциональные возможности.Цель изобретения - повышением10 т хнико-энергетических показателеи,а также расширение функциональныхвозможностей,Наиболее близким по техническойсущности к предлагаемому являетсярегулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное, сое жащий высокочастотный трансфор- Поставленная цель достигается держащий вй п еоб аэоваматор, у коткоторого первичная обмотка тем, что в регулируемый пр р подключена черезез полностью управляе тель переменного напряжения в перемые ключи к выводам для подключения менное, содержащий высокочастотный цходного напряжения, вторичная трансформатор, у которого первичная обмотка выполнена в виде двух полу- обмотка подключена через полностьюяс выво ом средней точки, управляемые ключи к выводам дляобмоток с выводомого нап яжения, а каждая из которых содержит и отпаек 20 подключения входного рРвторичная обмотка выполнена в виде подключенных к силовым выводамвух полуобмоток с выводом средней полностью управляемых ключей, другие дточки, каждая из которых содержит силовые выводы которых объединеныи отпаек, подключенных к силовым и вместе со средней точкой трансформатора о разуют вывоб т выводы для подключе выводам полностью управляемыхно которым . ключей, другие силовые выводы ния нагрузки, параллельно которе которых объединены и вместе со сред- подсоединен нулевой ключ, а так жетриггер, входом подключенный к зенный к задаю ней точкой трансформатора образуютвыводы для подключения нагрузки, щему генератору, а выходом черезузел развязки и усиления к ключ млючам параллельно которым подсоединены первичнои о мотки траб т и т ансформатора, нулевой ключ, а так же триггер, п пороговых элементов с потов с последова- входом подключенный к задающемугенератору, а выходом через узел тельно нарастающими уровнями, подазвязки и усиления - к управляющим ключенных к выводу для подключения релям полностью управляемых ключей сигнала управления управляющему входу црегулятора, узел развязки и усиленусиления первичной обмотки трансформатора;и пороговых элементов с последованулевого ключа, выход которого соавляющей цепью силового тельно нарастающими уровнями, подединен с управляющ "ключа и блоков управления, выпол- ключенных к выводу для подк ч ненных из последоваовательно соединен 40сигнала управления, узел развязки ных модуляторов ширины импульсоы импульсов и усиления нулевого ключа, выход управляющиие входы которых подключены которого соединен с управляющей к соответствующим пороговым элемен- цепью нулевого ключа, л к там, трехвходовых логическогических рас- управления, выполненных из последопределителей импульсов, узли пульсов узлов раз- вательно соединенных модуляторов45вязки и усиления, соединенных с ширины импульсов, управляющие входы управляющими цепями полностью упро тью управ- которых подключены к:соответствуюляемых ключей вторичнои о моткибмотки щим, пороговым элементам, логических элементов НЕ, в каждом блоке трансформатора.авления кроме первого, трехТакое устройство реализует много- упр750 входовых логических распределителей зонную импульсную модуляцию, и вцепи протекания тока нагрузки вки включен импульсов узлов развязки и усиления,Эвсегда один ключевой элемент 43.соединенных с управляющими цепямиключей вторичОднако технико-энергетические полностью управляемых к показатели такого устро стваойства неоправ- ной обмотки трансформатора, введены данно занижены из-за повышенных дополнительных пороговых элеменпульсаций импульсной составляющей тов, п модул р рято ов ши ины импульак как оно реа- сов по одному в каждый блок управлевыходного напряжения, так как оно реализует нереверсивную импульсную ния, управляющие входы которых со 1130988единены с Й дополнительными пороговыми элементами, при этом выходы обоих модуляторов ширины импульсов первого блока управления подключены к введенному фазовращателю, а выходы остальных блоков управления - к входам введенных ь -1 логических узлов неравнозначности, выходы которых соединены с первыми входами распределителей импульсов смежного блока управления с младшим номером и через логический элемент НЕ с вторыми входами распределителей импульсов своего блока управления, а третьи входы распределителей импульсов объединены и подключены к выходу фазовращателя, другие входы которого соединены с выходами триггера, а выход - с вторым входом своего распределителя импульсов и входом узла развязки и усиления нулевого ключа через дополнительно введенный логический узел, выполненный в виде последовательно соединенных логических элементов ИЛИ,НЕ.Кроме того, логический узел неравнозначности содержит два двухвходовых логическихэлемента И-НЕ и двухвходовой логический элемент ИЛИ, входы которого объединены с входами одного из логических элементов И-НЕ и образуют входы логического узла неравнозначности, выход которого образован выходом второго элемента И-НЕ, один из входов которого подключен к выходу логического элемента ИЛИ, а другой соединен с выходом первого элемента И-НЕ.При этом фазовращатель выполнен в виде двух Э К -триггеров счетные входы которых предназначены для подключения к выходам модуляторов ширины импульсов, а одноименные ЭК -входы - к выходам триггера, подключенного к задающему генератору,причем противотактные выходы фазовращателя образованы выходами двух логических элементов ИЛИ, входы каждого из которых соединены с одноименными выходами К -триггеров.Причем модуляторы ширины импульсов каждого блока управления выполнены в виде двух генераторов встречно изменяющихся треугольных искажений, каждый из которых включен последовательно со схемой совпадения.Кроме того, распределитель импульсов выполнен в виде четырех двухвходовых логических элементов( ния выполнены из модуляторов 12 и 12 ширины импульсов , управляющие входы которых подключены к соответствующим пороговым элементам 9 ,9, 9 , 9 9 п, п - 1 узлов 13 неравнозначностии йлогических элементов НЕ 14 по одному в каждом блоке управления, кроме первого 11 , узлов 5 развязки и усиления, соединенных с управляющими цепями ключей вторичной обмотки трансформатора, причем выходы обоих модуляторов ширины импульсов первого блока управления подключены к однимиз входов дополнительного фазоврашаИ, противотактные выходы которогообразованы выходами двух элементовИ, одни из входов которых образуюттретьи выходы распределителя,другие входы которых подключенык выходам двух других элементов И, входыкоторых попарно объединены и образуют первый и второй входы распределителя импульсов.На фиг. 1 представлена блок-схема устройства; на фиг. 2 - 4 - блок схемы узла неравнозначности, фазовращателя и распределителя импульсов соответственно; на фиг. 5 - диаграммы, поясняющие работу преобразователя,на фиг. 6 - диаграммы работы фазовращателл.Устройство содержит высокочастотный трансформатор 1, у которого первичная обмотка выполнена, например,из двух полуобмоток с выводом среднейточки, соединенный с одним из входных выводов 2(вйводов для подключениявходного напряжениядругие концыэтой обмотки подключены через полностью управляемые ключи 3 и 4 кдругому выводу для подключения входного напряжения 5, вторичная обмоткавыполнена в виде двух полуобмоток с выводом средней точки, каждая из которых содержит п отпаек, подключенных к силовым выводам полностью управляемых ключей бб,б ,622 26, 6другие силовые выводы которых объединены и вместе со средней точкой трансформатора образуют выводы для подключения нагрузки, параллельно которым подсоединен нулевой ключ б, триггер 7, подключенный к задающему генератору 8, 2 и пороговых элементов 9,9, 9 2, 92,,9 9 с последовательно нарастающими уровнями, подключенных к выводу дляподключения сигнала управления 0 109883 7. 1130теля 16, а остальных блоков управле- ния к входам О - 1 логических узлов неравнозначности 13, выходы которых соединены с первыми входами распределителей 17 импульсов смежного блока управления с младшим номером и через логический элемент НЕ 14 с вторыми входами распределителей 17 импульсов своего блока управления, а третьи входы всех распределителей 1 17 импульсов объединены и подключены к выходу фазовращателя 16 первого блока управления, другие входы которого соединены с выходами триггера 7, а выход - с вторым входом своего распределителя импульсов и входом узла 15 развязки и усиления нулевого ключа 6 через логический узел 18, выполненный в виде последовательно соединенных логических элементов ИЛИ 19, НЕ 20. Нулевой ключ шунтирует нагрузку 21.Схема логического узла 13 неравнозначности(фиг. 2)содержит два двухвходовых логических элемента И-НЕ 22 и 23 и двухвходовой логический элемент ИЛИ 24, входы которого объединены с входами логического элемента И-НЕ 22 и являются входами узла, выход которого образован выходом второго элемента И-НЕ 23, один из входов которого подключен к выходу логического элемента ИЛИ 24, а другой - к выходу первого элемента И-НЕ 22.Схема фазовращателя 16(фиг. 3 выполнена в виде двух ЭК -триггеров "5, счетные входы которых предназна,.чены для подключения к выходам модуляторов 12, 12 ширины импульсов первого блока управления, выполненных в виде двух генераторов26 и 27 встречноизменяющихся раз вертывающих напряжений, каждый изкоторых включен последовательно сосхемой 28 и 29 совпадения, а одноименные ЗК -входы:.подключены квыходам триггера 7., соединенного сзадающим генератором 8, причемпротивотактные выходы фазовращателяобразованы выходами двух логических элементов 30, входы каждого иэкоторых соединены с одноименными выходами 3 К -триггеров 25.Генераторы 26 и 27.встречноизменяющихся развертывающих напряжениймодуляторов ширины импульсов(фиг.1и 3 выполнены в виде генераторовтреугольных напряжений. Вход 2 Выход Вход 150 О 0 О 0 О О 8Распределитель 17 импульсов(фиг. 41 выполнен в виде четырех двухвходовых логических элементов И 3134, противотактные выходы которогср 5 образованы выходами двух элементовИ 32 и 33 одни из входов которыхобразуют третьи выходы распределителя, другие входы которых подключенык выходам двух других элементов И О 31 и 34, входы которых попарнообъединены и образуют первый и второй входы распределителя импульсов,Распределители 17 импульсов первого и последнего блоков управления 15 имеют два входа.На фиг. 5 обозначены напряжение35 питающей сети, выходное напряжение 36 и 37 триггера 7, напряжения38-41 генераторов треугольных напря О жений, выходное напряжение 42 модулятора ширины импульсов, выходноенапряжение 43 и 44 - блока управленияс младшим номером например, 11напряжение 45 - логического элемента ц НЕ 28 блока управления со старшимномером, напряжение 46 и 47 блокауправления со сгаршим номером(например, 11) , выходное напряжение48 и 49 регулятора напряжениянапряжение 50 и 51 фазовращателяпервого блока 11 управления,напряжение 52 и 53 блока управленияс младшим номером при изменениифазы выходного напряжения(блока 111,напряжение 54 и 55 - блока управления со старшим номером при измененийфазы выходного напряжения(блока 11)На фиг. 6 обозначены выходноенапряжение 56 схемы 28 совпаденияфазовращателя 16 при различных углах 40регулирования с(,Р и р ,выходноенапряжение 57 схемы 29 совпаденияпри тех же условиях, выходные напряжения 58 и 59 3 К.=триггеров, выходные напряжения 60 и 61 противотактных выходов фазовращателя.Значения истинности логическогоузла неравнозначности(фиг. 21 преде.ставляется следующим образом:(напряжениямежду нулевымуровнем и уровнем, опреде-,ляемым ЭДС первой отпайки,при этом изменение алгоритмазамыкания ключей 6 , 6 наобратный реверсирует фазувыходного напряжения;6 -6 -6-6 -- первый неискажен" 4 1 4 4ный уровень дротивофаэного выходного напряже"ния.Диаграммы замкнутого состояния ключей 6 , 64, приведены для пятого цикла на фиг. 5 эпюрами 50 и 51 соответственно. Это же напряжение действует и на выходе фазовращателя 16 первого блока 11 управления, связанного с третьим входом распределителей 17 .импульсов.1 Снижение сигнала управления в пределахО (О ( О приводит к из 1 Уменению относительной длительности импульсов модулятора 12 ширины импульсов блока 11 управления. Так при некотором угле регулирования(фиг. 51 появление на выходеР 1модулятора 12 импульса, амплитуда которого соответствует уровню логи. ческой единицы, приводит к появлению на выходе логического узла 1иеравнозначности паузы, соответствующей уровню логического нуля. На это время блокируется работа ключей 6 б и разрешается замыкание ф цключей 6 , 6. Распределение импуль сов управления осуществляется в соответствии с напряжением 50 и 51Поскольку эти импульсные последовательности находятся при.О ( О,в противофазе с последовательностями, 36 и 37, изменяетсяна обратный и . алгоритм замыкания ключей ,1, 1 В рассмотренном случае импульсы 52 и 53 поступают на управляющие цепи ключей 5,51, а импульсы 54 и 55 - на цепи ключей 64, 64. Алгоритм замыкания ключей в этом режиме;6 - 6- 6- 65- 6+- 6. При этомй 4 Гна нагрузке действует напряжение 49, регулируемое снова между двумя отпайками, Дадьнейшее снижение сигнала управления приводит к поэонному регулированию выходного 11 1130988вающего напряжения(27 на фиг, ЗГ)1модулятора ширины импульсов 12сравнивается с напряжением пороговогоэлемента 91. Относительная длительность импульсов напряжения 42 навыходе модулятора 12"ширины импульсовизменяется от 0 до 1. Импульсы напряжения 42, соответствующие уровнюлогической единицы, при некоторомугле регулирования с( (фиг. 5 ), 10поступают на первый вход распределителя 17 импульсов смежного блокауправления с младшим номером 11.Распределение импульсов этого напряжения по двум каналам осуществляетсйтакже по третьему входу. Таким образом, на выходах узлов 15 развязкии уселения действуют импульсныепоследовательности 43 и 44, поступающие на управляющие цепи ключей6 1, 6( 11, и импульсные последовательности 46 и 47, поступающие на1управление ключами 6, 6. Ключивторичной обмотки трансформатора 1при этом замыкаются по циклу 616 - 6 - 6 обеспечивая тем самымЬ 01 Ьна нагрузке напряжение 48, регулируемое между ь-й и о -1 -й отпайками,Как только относительная длительностьимпульса на выходе модулятора 12.ширины импульсов блока 11,1 управлениястанет равной единице, на выходелогического элемента НЕ 14 этогоблока управления напряжение раЪнонулю и ключи 6., 6, остаются35разомкнутыми, В этом случае ключии 6, 6( 11, замыкаются по циклу6 Р 1 6(П)1.6 о(-111определяя ь-й неискаженный уровень выходного напряжения регулятора.Снижение сигнала управления О ниже40уровня О приводит к аналогичным,Ь процессам в остальных блоках управления, кроме первого, и, следовательно, к позонному регулированию выходного напряжения от максимального45значения до напряжения первой эоны.Регулирование напряжения в первойзоне осуществляется за счет изменениячалгоритма замыкания ключеи 64,64 фбь по следующим циклам6 - 6 - 6 - 6- - первый неиска-,4 4 4 4 .еженный уровень;6 -6 - 6 - 6 -6 т - регулирование4 Ь 4 Ь .4напряжения между55нулевым уровнеми уровнем, опре-,деляемым ЭДСпервой отпайки;напряжения до максимального значения, фаза которого противоположна фазе напряжения в исходном состоянии когда Оу=,. у мако, /Таким образом, предлагаемое устройство позволяет по сравнению с известным существенно повысить технико-энергетические показатели за счет уменьшения искажений входного тока и выходного напряжения, при равенстве диапазонов регулирования. В частности при равенстве1 числа отпаек высокочастотного трансформатора коэффициент гармоник уменьшается вдвое, а коэффициент мощности вдвое повышается Кроме того, расширяются функциональныевозможности, так как предлагаемыйрегулятор позволяет реверсироватьфазу выходного напряжения и может5 быть использован в стабилизаторахнапряжения, колеблющегося вверх ивниз от своего номинального значения.Снижение искажений позволяетснизить в 2-3 раза массу и габариты10 входного и выходного фильтров, чтодополнительно позволяет повыситьбыстродействие регулирования засчет того, что также в 2-3 разаувеличивается резонансная частота15 фильтров, также на 2-57. повыситьКПД устройства,