Регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно импульсным регулированием

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН А 2 153)4 Н 02 М 5/ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР ПО ЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТ Д ИИОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН АВТОРСКОМУ СВИДЕ СТВ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ 1 ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМобласт испольи стаби тносится ожет быт регуляторах го перемени ющегося в ш щих цеискаже ряжения и в егулировани го нароком д В.Д, 621, Авто 6278 и ооко и ста Ю(61) (21) (22) (46) (71) тут а Томск систе (72) (53) (56) Р 102 10262783823407/24-0710.12.8423.1,1.86. Бюл. У 43Научно-исследовательский инстивтоматики и электромеханики при ом институте автоматизированных м управления и радиоэлектроникиСеменов316722.1(088.8)рское свидетельство СССРкл, Н 02 Р 13/04. 1981801272425(54) РЕГУЛЯТОР С ВЫСОКОЧАСТОТНЬ 11 РЕГУЛИРОВАНИЕМ (57) Изобретение электротехники и зовано в мощных лизаторах сетево пряжения, изменя апазоне, требую мы выходного нап быстродействия р272425 билиэации. Цель изобретения - повыше ние энергетических показателей иулучшение испопьэования ключевых элементов. Устройство содержит задающийгенератор 1, соединенный с входомкольцевого распределителя импульсов2 с Б выходами, соединенными с синхронизирующими входами 6 - 8 модуляторов ширины импульсов (ИШИ) 9-11, управляющие входы 12-14 которых объединены, Каждый из МШИ 9-11 выполнен ввиде двух каналов, включающих генератор пилообразного напряжения 15 (17)и компаратор 16 (18). Одноименныевходы 19 и 20 компараторов 16 и 18объединены, образуя управляющие входы 12-14, к которым подключен выход Изобретение относится к электротехнике, в частности к регуляторам переменного напряжения, может найти применение в мощных регуляторах и стабилизаторах сетевого переменного напряжения, изменяющегося в широкомДиапазоне вверх и вниз от своего номинального значения, а также там, где требуется практически неискаженная форма выходного напряжения, вы- О сокое быстродействие регулирования и стабилизации, высокие энергетические показатели и является усовершенствованием устройства по авт.св.В 1026278. 5Цель изобретения - повышение энергетических показателей и улучшение использования ключевых элементов.На фиг. 1 представлена схема регулятора переменного напряжения с вы сокочастотным широтно-импульсным регулированием; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы предлагаемого регулятора.Регулятор содержит задающий генератор 1, соединенный с входом кольцевого распределителя 2 импульсов, который имеет И выходов (для однозначности рассмотрен распределитель с тремя выходами 3-5). Выход распре в 30 делителя 2 (проведен пунктиром) показывает, что число выходов может быть любым. Выходы 3-5 соединены с синхродополнительно введенного. блока суммирования (БС) 57. К двум входам 58 и 59 БС 57 подключены дополнительно введенные двусторонний ограничитель напряжения 60 и источник постоянного .напряжения 61. Вход ограничителя напряжения 60 является вводом управляющего напряжения 62. Благодаря введению указанных дополнительных элементов устройства под действием изме. кения сигнала управления, поступаю щего на ввод 62, среднее значение выходного напрнжения трансформатора 53 изменяется как по величине, так и по знаку, что приводит к регулированию напряжения на нагрузке 56 и достижению поставленной цели. 3 ил,2низирующими входами 6-.8 модуляторов 9-11 ширины импульсов. Управляющие входы 12-14 объецинены.Каждый из модуляторов 9-11 выполнен в виде двух каналов. Первый канал состоит из последовательно включенных генератора 15 пилообразного напряжения и компаратора 16, а второй канал - из генератора 17 пилообразного напряжения и компаратора 18. При этом синхронизирующие входы генерато ров 15 и 7 объединены и образуют синхронизирующие входы 6-8 модуляторов 9-11. Одноименные входы 19 и 20 компараторов 16 и 18 также объедине- ны и образуют управляющие входы 12-14 модуляторов 9-11. Выходы компараторов 16 и 18 образуют выходы 21-26 модуляторов 9-11. Выходы 21-26 соединены с управляющими входами 27-32 коммутаторов 32-35 через устройства 36-38 гальванической развязки и усиления, выполненные, например, в виде усилителей 39 с оптронной или трансформаторной связью.Каждый из коммутаторов 33-35 выполнен в виде мостового инвертора на полностью управляемых ключах 40-43, управляющие цепи которых образуют управляющие входы 27-32 коммутаторов 33-35, При этом силовые входы 44, и 45 коммутаторов 33-35 подключены к сетевым выводам 46 и 47, а силовыевыходы 48 и 49 - к первичным обмоткам 50-52 вольтодобавочных трансформаторов 53-55, вторичные обмотки которых соединены .последовательно между собой и нагрузкой 56 и подключены к сетевым выводам 46 и 47. Крометого, к объединенным управляющимвходам 12-14 подключен выход блока 57 суммирования, к двум входам 58и 59 которого подключены двусторонний 10ограничитель 60 напряжения и источник 61 постоянного напряжения, причем вход двустороннего ограничителя 60 является вводом 62 управляющего напряжения. 15 На фиг. 2 обозначены напряжение 63 сети, импульсы 64 задающего генератора 1, импульсы 65-67 на выходах 3-520 кольцевого распределителя импульсов соответственно, выходные напряжения 68 и 69 генераторов 15 и 17 пилообразного напряжения модулятора 9 соответственно, выходное напряже 25 ние 70 блока 57 суммирования при отсутствии сигнала управления на входе 62, выходное напряжение 71 и 72 блока 57 суьщирования при максимальном и минимальном сигналах управления ., равных соответственно верхне 30 му и нижнему уровням ограничения ограничителя 60, выходное напряжение 73 и 74 блока 57 суммирования при промежуточных значениях сигнала управления, выходные напряжения 75, 76 35 и 77,78 (в зоне изменения управляющего сигнала) генераторов 15 и 17 пилообразного напряжения модуляторов 10 и 11 соответственно, выходной сигнал 79 и 80 модулятора 9 на ф 0 выходах 21 и 22 соответственно при максимальном входном сигнале 71,равном верхнему уровню ограничения 81 и 82 - то же, при сигнале 73 на выходе блока 57 суммирования, 83 и 45 84 - то же, при сигнале 70, 85 и 86 - то же, при сигнале 74,.87 и 88 . то же, при сигнале 72.На фиг 3 обозначены напряжение 89 на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 53 при сигнале 71, 90 - то же, при сигнале 73, 91 - то же, при сигнале 74, 92 - то же, при сигнале 72, напряжение 93 - на нагрузке при сигнале 71,уровень 9455 напряжения сети, напряжение 95-98 на нагрузке при сигналах управления 73, 70, 74 и 72 соответственно. Предлагаемый регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием работает следующим образом.Напряжение 63 сети подается на первичные обмотки 50-52 вольтодобавочных трансформаторов 53-55 через коммутаторы 33-35, выполненные на полностью управляемых ключах 40-43, Величина и форма выходных напряжений, вольтодобавочных трансформаторов 53- 55 определяются как напряжением 63 сети, так и алгоритмами переключения полностью управляемых ключей 40-43. Вторичные обмотки трансформаторов 53- 55 соединены последовательно между собой, нагрузкой и сетью, так что на нагрузке 56 действует напряжение, равное алгебраической сумме напряжения 63 сети и всех напряжений вторичных обмоток вольтодобавочных трансформаторов 53-55.Алгоритмы переключения, в свою очередь, определяются напряжением управления Б подаваемым на ввод 62 управляющего напряжения, и развертывающим напряжением модуляторов 9-11 ширины импульсов. В исходном состоянии задающий генератор 1 вырабатывает импульсы 64, синхронные с напряжением 63 сети и имеющие частоту, много большую частоты сети. Импульсы 64 поступают на вход кольцевого распределителя 2 импульсов и распределяются по его выходам 3-5 в соответствии с диаграммами 65-67. Импульсные последовательности 65-67 синхронизируют генераторы 5 и 17 пилообразных напряжений модуляторов 9- 1 ширины импульсов соответственно. Причем генератор 15 вырабатывает пилообразные линейно падающее напряжение 68, а генератор 17 - линейно рас-, тущее напряжение 69. Напряжения 68 и 69 являются развертывающими напряжениями для модулятора 9 ширины импульсов, а напряжения 75-78 - развертывающими напряжениями для модуляторов 10 и 11 соответственно.На управляющие входы 12-14 модуляторов 9-11 подается напряжение с выхода блока 57 суммирования, равное сумме управляющего напряжения Б, и напряжения источника 61. Так как напряжение У проходит через двусторонний ограничитель 60 (в качестве которого может использоваться операционный усилитель с регулируемым уровнем5насыщения), напряжение на входе 58 блока 57 суммирования изменяется в пределах от в .11 (нижний уровень. ограничения) до +Ц (верхний уровень, ограничения). Напряжение на выходе блока 57 суммирования также изменяется при изменении Б, причем при максимальном входном сигнале, равном +11, это напряжение максимально и равно уровню 71 (фиг. 2), при нуле- О вом управляющем сигнале это напряжение равно уровню 70 и при минималь. ном управляющем сигнале, равном -БЙ это напряжение минимально и равно уровню 72. Уровни 73 и 74 соответствуют некоторым промежуточным значениям. управляющего сигнала.Напряжения 70-74, определяемыеразными уровнями управляющего напря 20 жения Бу, сравниваются с развертывающими пилообразными напряжения;:ми 68-69, 75-76, 77-78 на компараторах 16 и 18 соответственно модуляторов 9-11 ширины импульсов. В ре 25,зультате сравнения напряжений 68-69с напряжением 70-71 на выходе компараторов 16 и 18 модулятора 9 вырабатываются импульсные последовательности 79-83, которые через устройство 36 развязки и усиления поступаютЗОна управляющие цепи ключей 40-43 коммутатора 33 и определяют алгоритм переключения ключей коммутатора ЗЗ.Причем напряжению 71 соответствуют импульсные последовательности 79-80, З 5напряжению 73 -последовательности 8182, напряжению 70 - последовательности 83-84, напряжению 74 - последовательности 85-86, напряжению 72последовательности 87-88. Другимисловами, при изменении управляющегосигнала от +Ц до -0 ц импульсные последовательности, определяющие алгоритмы переключения ключей 40-43, изменяются непрерывно от 79-80 до 87- 4588. При этом выходное напряжение вольтодобавочного трансформатора 53 также непрерывно изменяется от напряжения 89, до напряжения 92, причем,как.видно из диаграмм, среднее значениевыходного напряжения трансформатораизменяется от своего положительногозначения до отрицательного. Т.е, поддействием изменения сигнала управления Б, поступающего на ввод 62,среднее значение выходного напряжения трансформатора 53 изменяется какпо величине, так и по знаку, что приводит к регулированию напряжения на нагрузке 56.Аналогичные процессы происходят в других вольтодобавочных трансформаторах 54 и 55. Отличие состоит в том, что фазы импульсов в выходных напряжениях трансформаторов 54 и 55 сдвинуты за счет синхронизации модуляторов 10 и 11 с других выводов 4 и 5 кольцевого распределителя 2 импульсов. В результате напряжение 93, 96, 98 на нагрузке 56 имеет неискаженную синусоидальную форму,при уровне сигнала 7, 70 и 72, а при промежуточных уровнях сигнала 73 и 74 напряжение 95 и 9 на нагрузке 56 имеет утроенную, по отношению к напряжению одного трансформатора, частоту пульсаций. Величина среднего напряжения на нагрузке изменяется при этом от напряжения 93, равного сумме напряжения сети и добавочного напряжения трансформаторов 53-55, до напряжения 98, равного разности напряжения сети и напряжении трансфор-, маторов 53-55.Рассмотрим формирование напряжения 89-92 на выходной обмотке транс" форматора 53 под действием управляющих импульсных последовательностей 79-88, Пусть напряжение 79 поступает на полностью управляемые клю" чи 40 и 41, а напряжение 80 - на ключи 42 и 43, причем положительное значение напряжений 79 и 80 соответствует включенному состоянию ключей 40 и 43 и выключенному состоянию ключей 41 и 42, а отрицательное значение напряжений 79 и 80 - включенному состоянию ключей 41 и 42 и выключенному состоянию ключей 40 и 43. Тогда на первом интервале времени " 0-с (фщ . 3, диаграммы 79, 80 и 89 соответственно) включены ключи 40 и 42, первичная обмотка трансформатора 53 отключена от сети и закорочена этими ключами, на трансформаторе 53 напряжение равно нулю. В момент времени с ключ 40 выключается и включается ключ 41, при этом первичная обмотка 50 трансформатора 53 подключается к выводам 46 и 47 (началом к выводу 47) и на вторичной обмотке трансформатора 53 действует напряжение, определяемое соответствующим коэффициентом трансформации и включенное согласно с напряжением сети. Такое состояние ключей продолжается до1272425 момента времени 1 , когда происходит выключение ключа 42 и включение ключа 43. На интервале с - первичная обмотка трансформатора опять отключена от сети и закорочена ключами 41 и 43, на вторичной, обмотке напряжение опять равно нулю. Далее процессы повторяются.При изменении управляющего напряжения У изменяются интервалы работы 10 ключей 40 и 41, а значит и изменяется относительная длительность включенного состояния ключей 42 и 41, что приводит к уменьшению величины добавочного напряжения 90 при сигна ле, равном уровню 73. При уровне сигнала 70 алгоритм переключения ключей таков, что попеременно замкнуты то ключи 42 и 40, то ключи 41 и 43, так что первичная обмотка трансформатора 20 все время закорочена. При дальнейшем изменении алгоритмов 85 и 87 появляются интервалы времени Т-, когда одновременно включены ключи 40 и 43. При этом первичная обмотка подключается к сетевым выводам 46 и 47 (на 8чалом к выводу 46) и на вторичной обмотке получается напряжение, включенное встречно с напряжением сети, Так происходит вычитание напряжения вторичной обмотки трансформатора 53 из напряжения сети. Формула изобретения Регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием по авт.св. 9 1026278, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения энергетических показателей и улучшения использования ключевых элементов, введены блок суммирования, двусторонний ограничитель напряжения и источник постоянного напряжения, причем входы блока суммирования соединены с выходами двустороннего ограничителя напряжения и источника постоянного напряжения, а выход соединен с управляющим входом регулятора, вход двустороннего ограничителя напряжения является вводом управляющего напряжения.1272425 оставнтель А. Баранов ехред Л.Сердюкова Кор ктор В,ин дактор А к Тираж 631 Государственного елам изобретенийосква, Ж, Рауш ноеР 4/5 Проектная, 4 Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород Заказ 6345/52ВНИИПИпо113035,Под омитета открытий кая наб.