Регулятор переменного напряжения со звеном высокой частоты

(23) Приоритет осударстаенный номнт Совета Инннстров ССС во делам нэоеретеннйн отярв тнй(72) Авторы изобретени А. В. Кобзев ихальченко Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханикпри Томском институте автоматизированных систем управленияи радиоэлектроники 71) Заявитель 54) РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ СО ЗВЕНОМ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ Изобретение относится к электротехникеи в частности к преобразователям и регуляторам, которые могут быть применены,например, как стабилизаторы аппаратурырадиоэлектроники и средств связи, как регуляторы и стабилизаторы напряжения алектротехнических установок, стабилизаторынапряжения распределительных электрических сетей, в тех случаях, где важныминимальные массогабаритные показателии човышенное качество выходного напряжения,Известны регуляторы переменного напряжения с промежуточным звеном высокой частоты 1 1. Известна также другая структура таких регуляторов, выполненная по схеме вольтодобавки 1 21.Прототипом предлагаемого устройства является регулятор переменного напряжения со звеном высокой частоты, содержащий модулятор и демодулятор, выполненные в виде однофазных мостовых ннверторов на полностью управчяемых ключах с двусторонней проводимостью, причем диагональ модулятора образует входные зажимы, подключаемые к сети, диагональ демодуляторавключена в рассечку между входнъ 1 м и выходным зажимами, а в другие диагоналимодулятора и демодулятора включены сЬ мотки высокочастотного трансформатора,а также схему управления с задаюшим генератсром, один выход которого связан суправляюшими входами ключей модулятора,а другой через фазосдвигаюший блок с уп равляемым углом задержки связан с управляюшими входами пары смежных ключейдемодулятораОднако известный регулятор имеет неоправданно сниженные энергетические показа тели и повышенную массу.С целью улучшения энергетических показателей регулятора и уменьшения его массы, предлагаемый регулятор снабжен вторымфазосдвигаюшим блохом с управляемым 20 углом опережения,один вход которогосоединен с выходом упомянутого задаюшегогенератора, выход связан с управляюними.входами другой пары смежных ключей дем 1- дулятора, а другие управляюшие входы обо. Я их фазосдвигаюших блоков объединеныНа фиг. 1 представлена в структурном виде схема регулятора переменного напряжения; на фиг 2 .представлены временные диаграммы, поясняюшие работу регулятора; на фиг. 3 приведены сравнительные харвктеристихй известного регулятора и предлагаемого.Регулятор переменного напряжения со ,звеном высокой частоты содержит модулятор .1 и демодулятор 2, выполненные в вн- щ де однофазных мостовых инверторов на полностью управляемых ключах с двустороннейпроводимостью, 3,4,5,6 и 7,8,9,10 соответственно, причем диагональ модулятора 1 образует входные зажимы, подклю чаемые к сети, диагональ демодулятора 2 включена в рассечку между входным и выгодным зажимом,а в другие диагонали модуляторе 1 и демодулятора 2 включены обмотки высокочастотного трансформаторе 20 11, а тавке схему управления 12 с задающим генератором 13, один выход которого связан с упрввляюшими входами клю чей 3,4,5,6 модулятора 1, е другой через фаэосдвигаюший блок 14 с управляемымуг лом задержки связан с управляющими входами пары смежных клк 1 чей, например хлю чей 7 и 8, демодулятора и второй фвзосдвигаюший блок 15 с управляемым углом оперещеиия, один вход которого соединен с вы ходом упомянутого задающего генератора 13, выход связан с управляющими входами другой пары смежных ключей, например ключей 9 и 10, демодулятора 2, а другие управляющие входы обоих фазосдвигаюших З 5 блоков обьединены.На фиг. 2 приведены эпюры ; импульсов выходного напряжения (поэ, 16) зедаюшего генератора (здесь и далее на фиг. 2 для сокрашения графических построений, импульсы,40 поступающие на соответствующие пары клю чей, изображаются на одной временной оси в виде положительных и отрицательныхф импульсов), напряжения сети (поз, 17), напряжения (поз. 18) вторичной обмотки45 вольтодобввочного трансформатора, импульсов (поз, 19) фазосдвигаюшего блока срегулируемым углом задержки Ф импуль сов (поз. 20) феэосдвигаюшего блока с50 регулируемым углом опережения 3, выР ходного напряжения (поз. 21, 24( демодулятора, напряжения (поэ, 22, 23, 25) на нагрузхе при различных углах регулирования.55Работает регулятор следующим образом. При включенчи напряжения питающей сети и подачи импульсов (поз, 16 на фиг. 2) на управляющие входы ключей, образующих противоположные плечи модулятора 1 (например, на ключи 3 6 и 4,5), указанные хоммутаторы переключаются с частотой эадак щего генератора, при этом первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 1 1 попеременно подключается к одноименному зажиму сети или началом или концом, Напряжение сети (поз. 17), таким образом, преобразуется высокочастотное напряжение (поз.18) с синусной огибающей и приклады веется к диагонали демодулятора 2. Одновременно импульсы зедаюшего генератора поступают на входы фазосдвигвюших блоков 14 и 15, Выходные импульсы (поз, 19, 20 на фиг, 2) фаэосдвигаюших блоков, сдвинутые на регулируемый угол задержки обр и регулируемый угол опережения /3, поСтуР 4 пают на управляющие входы ключей демодулятора. Причем, согласно предполагаемому изобретению, соединение выходов фазосдыгаюших блоков с парами хлючей 7, 8 и 9, 10 смежных плеч определяют и последомтельность переключения атих пар ключей согласно импульсным последовательностям (поз. 19, 20). В частности положительные импульсы последовательности (поз. 19 ) соотчветствуют включенному состоянию ключа 7, "отрицательные" - включенному состоянию ключа 8, а "положительные" и "отрицательные" импульсы последовательности (поз, 20)- включенному состоянию ключей 10, 9 других смежных плеч, соответственно. При этом обеспечиваются все необходимые режимы работы регулятора: мвхсимвль. ная вольтодобавка, регулируемая вольтодобевхв, неискаженная передача на нагрузку напряжения сети, регулируемая вольтоотбвь ке, максимальная вольтоотбавка, Объединение управляющих входов фазосдвигаюших блоков 14 и 15 обеспечивает равенство углов задержки сС, и опережения /3 вР Р процессе регулирования, и что очень важно при построении стабилизаторов напряжения на базе регулятора переменного непряжения, обеспечивает регулиромние углор о и /3 от 0 до 180 каждого приоднозначномР 1 измечении управляющего сигнала Ц(см, фиг. 1) в заданных пределех. Режил максимальной вольтодобавки опре деляется максимальным входным сигналом П когда о( р =0 и 3 =О, при этом ключи демодулятора переключаются по циклу 7,10-8,9, где рядом стоящие цифры обозна чают одновременное замхнутое состояние соответствующих им ключей, В атом случае напряжение 18 вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 11 все время включается согласно с напряжением сети и ла нагруэхе действует неискаженное напря жение, равное сумме напряжения вторичной обмотки трансформатора и напряжения сети.Режим регулируемой вольтодобавки обеспечивается таким изменением входного сигнала Ц от максимального значения и ниже, когда углы регулирования о.р и /3(см. фиг. 2) изменяются в пределах от 0 до четверти периода напряжения высокой час тоты, Ключи демодулятора 2 переключаются в этом режиме по циклу 8,10-107- 7,9-9,8,на выходе которых формируется регулируемое напряжение 21, фвэя которого соответствует фазе напряжения. сети 17, а на нагрузке - напряжение 22.Режим неискаженной передачи на нагрузку напряжения сети обеспечивается при уг- лах прегулироввнияор и 9(см. фиг 2)рг Рравных четверти периода напряжения :высо кой частоты, тем самым достигается цикл 8,10-7,9. Вольтодобавочный трансформатор 11 в этом режиме работает на холостом ходу, твк как его вторичная обмотка все время разомкнута, напряжение на выходе демодулятора равно нулю, а на нагрузке действует неискаженное напряжение (поз 23), равное напряжению сети (поз. 17), Таким образом, устраняется самый неблагоприятный режим работы известного регуля тораДальнейшее уменьшение входного сигналами, обеспечивает режим регулируемой вольтоотбавки, так квк углы регулирования о и/3 становятся больше четверти,Рьпериода найряжения высокой частоты и ключи демодулятора переключаются по циклу 10,8-8,9-9,7-7,10. На выходе демодулятора формируется напряжение (поз.24), фаза которого противоположна фазе напряжения сети (поз. 17), а на нагрузке - напряжение (поз. 25.)При входном сигпвле Ц, равном неко торому минимальному зйачению углы регулирования ос, и ф равны 180, ключи демодулятора йереключагтся по циклу 9,8- 7,10 и напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора все время включаются встречно с напряжением сети, а на нагрузхе действует напряжение, равное разности напряжения сети и напряжения вторичной обмотки вольтодобавочного трвноформаторв.Таким образом, регулятор обеспечивает синусоидальную кривую выходного напряжения в режимах максимальной вольтодобввки, неисюокенной передачи на нагрузку напрвжениа сети, максимальной вольтоотбввки, а в промежуточных режимах процесс регули-, рования, в отличии от известного регулято ра, основан на чередовании внутри полуперио да напряжения высокой частоты режимов передачи неискаженного напряжения -сети с вольтодобавкой (в режиме регулируемой вольтоцобавки) либо с вольтоотбавкойо режиме регулируемойвольтоогбавки). Другими словами, регулятор реализует частичнуюоднополярную реверсивную л 1 одуляпию выход 5 ного напряжения,Твкил образом, снабжение регуляторафазосдигаюшим блоком с регулируемым углом опережения, соединение его входа с звдаюшим генератором, а выхода - с парой1 С смежных ключей демодулятора и объединения управляющих входов фазосдвигаюшихблоков позволило пг рысить КПД регулятора.Это объясняется тем, что в процессе регулирования, в отличии от известного регуля 15 тора, иэл.еняется от 0 до махсимума квксреднее значение выходного напряжения ипотребляемоготока, так и их эффективноезначение . В режимах регулируемой вольтодобавхи и регулируеой вольтоотбавки раэ 20 мах пульсаций выходного напряжения в предложенном варианте равен амплитуде напряжения вторичной обмотки трансформатора(Л/2 на фиг. 2), что по сравнению с известным регулятором в два раза меньше, Это25 позволяет уменьшить коэффициент гармоники снизить вес регулятора эа счет резкогоснижения веса и габаритов входных и выходных фильтров, составляющих в таких регуляторах от 10 до 204 общего веса. Уменьшение искажений потребляемого из сетитока приводит также к повышениьэ коэффициента мощности, Срввнительная количественная оценка повышения энергетическихпоказателей иллюстрируется приведеннымиз 5 на фиг, 3 зависимостями коэффициента мощности - кривые К, и К, коэффициентамгармоник - кривые Ки К и КПД - криРвыеив функции напряжения на нага.рузке при диапазоне регулирования + 207".Анализ приведенных на фиг. 3 кривых похаэывает, что энергетические показателисравниваемых регуляторов равны лишь впредельных режимах, а.в промежуточных вчредлагаемом регуляторе резко повышаются,45особенно при напряжении на нагрузке, близком х напряжению сети. В частности коэффициент мощности повышается на 7-8 оь, аКПД - на 3-4%. Особенно важным являет.ся то, что коэффициент гармоних уменьшв50 ется в 44,5% до 9-10% (то есть почтив 5 раз). Это позволяет резко снизить вес.и габариты фильтруюших устройств при заданном коэффициенте нелинейных искажений,55чтов совокупности с двухрвтным уменьшением амплитуды пульсаций напряжения нанагрузке приводит к снижению веса и габаритов фильтров в 24 раза. Таким образом,предлагаемый регулятор позволяет сокра 60тигь вес и габариты тяжелых и громозлкихфильтров, а в ряде случаев и вообше иэбввиться от них и, следовательно, снизить васрегулятора на етой основе на 5-20%.Формула изобретенияРегулятор переменного напряжения со звЬном высокой частоты, содержащий модулятор и демодулятор, выполненные в виде однофаэных мостовых инверторов на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, причем диагональ модулятора образует входные зажимы, подключаемые к сети, диагональ демодулятора включена в рассечку между входным и выходным 15 зажимами, а в другие диагонали модулятора и демодулятора включены обмотки высокочастотного трансформатора, а также схему;управления с задающим генератором, один выход которого связан с управляющими8входами ключей модулятора, а другой через фазосдвигающий блок с управляемым углом оадержки связан с управляющими входами гары смежных ключей демодулятора, о тл ич а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения энергетических показателей и уменьшения массы, он снабжен вторым фазосдвигающнм блоком с управляемым углом опережения, один вход которого соединен с выходом упомянутого задающего генератора, выход связан с управляющими входами другой пары смежных ключей демодулятора, а другие управляющие входы обоих фаэосдви гаюших блоков объединены.Источники информации, принятые во цни мание при экспертизе: 1. Авторское свидетельство СССР М 318137 кл, Н 02 р 13/14, 1973,2. Патент США М 3596172, кл. 323-45, 1974.589681 д 2 Составитель Г. МыцыкТехред И. КлимкоКорректор А. фиценко; тор Н Заказ 401/39ЦНИИПИ та стров СССРний113035, я н Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4 фг н, о Тирак 892 1 Ъсударственного комите по делам изобрете Москва, Ж, Раушска