Регулятор -фазного переменного на-пряжения c промежуточным высокочастот-ным преобразованием

Союз Советских Социалистических РеспубликОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЗЬСТВУ(22) Заявлено 111078 (21) 2672169/24-07 с присоединением заявки Йо Н 02 М 5/126 05 Г 1/14Н 02 Р 13/16 Государственный комитет СССР ио делам изобретений и открытий(53) УДК 621. 316. . 722 (088, 8) Дата опубликования описания 3003,81(72) Авторы изобретения А, В. Кобзев, Р. П. Карташов, Г. С. Мыцык, Г. Я. Михальченко и В. Д. Семенов Научно-исследовательский институт автоматикии электромеханики при Томском институте автоматизированныхсистем управления и радиоэлектроники и Московскийордена Ленина энергетический институт(54) РЕГУЛЯТОР в-ФАЗНОГО ПЕРЕМЕННОГОНАПРЯЖЕНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМПРЕОБРАЗОВАНИЕМ Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике регулирования и стабилизации переменныхнапряжений, колеблющихся вверх ивниз от своего номинального значе"ния, и может найти применение вкачестве мощных регулируемых(стабилизируемых) источников электропитания для электротехнических устано"вок в тех случаях, где требуетсявысокое качество электроэнергии прибольшом диапазоне регулирования.Известен 3-фазный регулятор переменного напряжения с трансформатором, работающим на частоте сети, а 15также имеющим первичные полуобмоткии полностью управляежие ключи переменного тока в первичной цепи трансформат ора 1 1.указанный регулятор осуществляет 20двухполярную модуляцию и поэтому имеет повышенные пульсации выходногонапряжения и входного тока. Например, амплитуда пульсаций по напряжению равна удвоенной амплитуде выходного напряжения, что приводитк необходимости установки громоздкихвыходных фильтров.Известен 3-фазный регулятор переменного напряжения, содержащий высо г кочастотный трансформатор, полностью управляемыеключи переменного токав его первичной цепи и встречно включенные тиристорные мосты с естественной коммутацией во вторичной цепи трансформатора (21.Однако данный регулятор также реализует двухполярную модуляцию и имеет низкие показатели при глубоком регулировании.Известен также регулятор а-фазного напряжения, содержащий высоковольтный трансформатор с двумя первичными и двумя вторичными полуобмотками и полностью управляемые клю" чи в первичной и вторичной цепях трансформатора, реализующий одно- полярную модуляцию и имеющий в два раза меньше пульсаций выходного напряжения и входного тока 13.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является регулятор в-фазного переменного напряжения, содержащий а-фазный высоко" частотный трансформатор с первичной и вторичной в-фазными обмотками, выполненными со средними точками, образующими, соответственно, входные и выходные выводы регулятора, причем разноименные концы этих обмоЛогический узел выполнен в виде триггера, двух основных двухвходовых логических элементов И, логического элемента НЕ, вход которого подключен к выходу модулятора ширина импульсов, а выход соединен с одним из входов основных логических элементов И, другие входы которых соединены с прямым и инверсным вы 60 ток подключены ко входам щ-фазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах задающий генератор и блок управления, выполненный из последовательно соединенных модуляторов ширины импуль сов, логического узла и узла развязки и усиления, соединяющего выходы модулятора ширины импульсов и логического узла с управляющими цепями упомянутых ключей 4.Однако в известных регуляторахпульсации напряжения при глубоком регулировании равны амплитуде выходного напряжения, что ухудшает технико-энергетические показатели регулятора и не позволяет применять его15 в качестве глубоко регулируемого источника, Кроме того, известные регуляторы имеют сложную схему.Цель изобретения - повышение технико-энергетических показателей путем 20 уменьшения искажений входного тока и выходного напряжения при глубоком регулировании, а также упрощение схемы регулятора.Поставленная цель достигается тем, что каждая из вторичных в-фазных обмоток снабжена п отпайками, подключенными ко входам дополнительно введенных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, причем и пар ключей вентильных мостов, подключенных к отпайкам, снмметрично расположенным относительно выходных выводов регулятора, снабжены и дополнительными блоками управления, выходы логических узлов каждого из которых соединены со входами узла развязки и усиления через один иь входов дополнительно введеных в каждый блок управления двух двухвходовых логических 40 элементов И, другие входы которых подключены .к выходам модулятора ширины импульсов смежного блока управления, а управляющие входы модуляторов ширины импульсов блоков управ ления через введенные пороговые элементы подключены к управляющему вхо,ду регулятора.Кроме того, модулятор ширины импульсов каждого блока управления выполнены в виде компаратора и генератора пилообразного Напряжения, подключенного к одному из входов компаратфа, другой вход которого соединенс сбответствующим из упомянутых пороговых элементов. 55 ходами триггера, подключенного к выходу задающего генератора.На фиг. 1 представлена принципиальная схема силовой части регулятора, на фиг. 2 - блок-схема системы управления ключами силовой части, на фиг. 3 и 4 - диаграммы, поясняющие работу регулятора.Регулятор в-фазного переменного напряжения содержит 3-фазный трансформатор 1 с двумя первичными полу- обмотками 2 и 3 и двумя вторичными полуобмотками 4 и 5, основные в-фазные вентильные мосты с полностью управляемыми на выхода ключами 6, 62 и б , 6 И+ бо, дополнительные вентильные мосты с полностью управляемыми на их выходах ключами 71, 7, 7 у, 72,, 7 И, 7 Й . Причем разноименные концы первичных полуобмоток 2 и 3 соединены между собой и образуют входные выводы А, В и С регулятора, а другие разноименные концы подключены к вентильным мостам с ключами 61 и 62.Рзноименные концы вторичных полу- обмоток 4 и 5 объединены и образуют выходные выводы а, Ь, и с регулятора. Параллельно выходным выводам а, Ь и с включен основной вентильный мост с ключом бс а два других основных вентильных моста с ключами 6 И+,1 и 6 И +А подключены к свободным концам вторичных полуобмоток 4 и 5.Каждая из вторичных полуобмоток 4 и 5 выполнены с и отпайками, симметрично расположенными относительно выходных выводов регулятора, причем первая отпайка содержит И = Р витков, вторая - И = Чд, и -я - Я =У. Отводы отпаек .И, Ч, 4, И 2,Я и, йи подключены, соответственно, к дополнительным вентильным мостам с1 1 ключами 7, 7, 7, 7,2 7 И, 7 иВсе управляемые ключи 6, б, бо, 71 ф 7 7 й, 7бИ+ ф 6 Иирегуля 1 тора подключены к схеме управления. Схема управления содержит задающий генератор 8, (и +1) блоков 9, 9,9 и9 и+ , управления, каж- дый из которых состоит из последовательно соединенных модулятора 10 ширины импульсов, логического узла 11 и узла 12, - 12 И развязки и усиления. Модулятор 10 ширины импульсов содержит генератор 13 развертывающего напряжения и компаратор 14, синхронизирующий вход которого соединен с генератором 13 развертывающего напряжения, Логический узел 11 содержит логический элемент 15 НЕ, триггер 16, два двухвходовых логических элемента 17 и 18 И. Причем логические узлы и блоков управления кроме блока 9 И.1 имеют дополнительно два двухвходовых логическихэлемента 19 и 20 И.Логические элементы 15 НЕ и триггеры 16 соединены с задающим генератором 8. Выход логического элемента 15 соединен с одними, из входов логических элементов 17 и 18, другие входы которых соединены, соответственно, с прямым и инверсным выходами триггера 16. Выходы логических элементов 17 и 18 блока 9 п управления соединены с одними из входов логических элементов 19 и 20 соответственно, а другие входы логических элементов 19 и,20 объединены и связаны с выходом модулятора 10 ширины импульсов смежного блока 9 Иуправления со старшим номером.Блок 9+ управления не содержит 15 логических элементов 19 и 20 И, а выходы логических элементов 17 и 18 соединейы с развязывающими усилителями 21 узла 12 и+ развязки и усиления. У блоков 9 - 9 управления выходы ло гических элементов 19 и 20 соединены с развязыва 1 ющими усилителями 21 соответствукнцих узлов 12 А - 12 П развязки и усиления.Выходы триггера 16 (одного из бло ков управления) подключены через развязывающие усилители 21 узла 12 к управляемым ключам 64 и б регулятора, Выходы всех развязывающих усилителей 21 всех узлов 12 - 12 ь развяз З 0 ки и усиления подключены к соответствующим управляемым ключам 7, 7, 7, 7 у,бн+би+. Выход модулятора 10 ширины импульоов блока 9 управления через развязывающий усилитель 21 узла 12 развязки и усилений подключен к управляющему ключу бо, шунтирующему выход регулятора. Управляющие входы модуляторов 10 40 ширины импульсов блока 9 - 9 управления соединены с управляющим входом регулятора Опю через соответствую:цие пороговые элементы 22 А - 22+Регулятор работает следуицим образом.45 50 Выход модулятора 10 ширины импульсов соединен с логическим элементом 15 НЕ. Выходной сигнал 27 с логического элемента 15 поступает на входы двух двухвходовых логических элементов 17 и 18 И, другие входы которых соединены, соответственно, с прямым б 0 и инверсным входами триггера 16. Выходы логических элементов 17 и 18, в свою очередь, соединены со входами двухвходовых логических элементов.19 и 20 И, соответственно, другие б 5 входы которых объединены и соединеТрехфазное напряжение 23 сети, (фиг. 3) подается на входные выводы А, В и .С регулятора. Триггеры 16 работают в режиме деления частоты задающего генератбра 8. В такте с триггером 16 переключаются ключи б и б 2 первичной обмотки трансформатора, образуя поочередное соединение звездой то полуобмоток 2, то 3 и преобразуя таким образом входное напряжение 23 сети в напряжение 24 повышенной частоты. На управляющий вход регулятора подается управляющее напряжение Оур 25. Напряжение пороговых элементоввыбраны следующим образом. О,) О О,т ОО 7 0 При изменении О в пределах оч0 до О+ наблюдается (и +1) зонрегулирования 1) 0 ( ОО2) ООЧлс Ои) О 1 А О сО,и+ 1 ) Ои ( ОуцрО+3 исходном состоянии, когда ОО, на выходе модуляторов 10 шириныимпульсов всех блоков 9 - с,+управления существует постоянное йапряжение (скважность равна 1), величина которого соответствует сигналулогической единицы. При изменениисигнала управления в пределах0 С Ояр с ОА скважность входноо сигнала модулятора 10 ширины импульсовблока 9 управления изменяется от 1,до аь (О соответствует сигналу логи-ческого нуля).При изменении сигнала управленияв пределах О с О с О напряжение навыходе модулятора 10 ширины импульсов блока 9 А управления соответствует логическому нулю (скважностьравна со ), а скважность напряженияна выходе модулятора 10 ширины импульсов блока 9 управления изменяется при этом от единицы (уровеньлогической единицы) до 0 (уровеньлогического нуля).На выходе модуляторов 10 шириныимпульсов остальных блоков 9 - 9илуправления скважность равна единице и не изменяется до тех пор, пока сигнал управления не войдет в зону, соответствующую номеру блокауправления,,И, наконец, при ОРО+ скважность напряжения на вйходе модуляторов 10 ширины импульсов всех блоковуправления (9 в . 9 И+) равнаео(уровень. логического нуля) и не изменяется.Таким образом, при изменении сигнала 25 управления в пределах0 ( Ойр ( О на выходе модулятора 10ширины импульсов блока 9 управления получают сигнал 26, который через узел 12развязки и усиленияпоступает на ключ бо (наличие импульса соответствует включенному состоянию ключа).ны с выходом модулятора 10 ширины импульсов блока 9( управления,Сигнал на выходе модулятора 10 ширины импульсов блока 9 управления соответствует логической единице .(скважность равна единице), сигналы 28 и 29 с выхода элементов 17 и 18 через логические элементы 19 и 20 и узел 12( развязки и усиления поступают на управляющие цепи ключей 7, и 7,(1 ОПолностью управляемые ключи вторичной обмотки работают поочередно с алгоритмом 7 -бо - 7( - бо -7 - б - 7,( , преобразуя нао (пряжение 24 повышенной частоты в напряжение 30 частоты сети. Регулируя (5 длительность паузы путем изменения напряжения 0 с О,(р 6 О,( (25), можно регулировать выходное напрякение регулятора от 0 до напряжения перной отпайки О 1 . 20При изменении управляющего напряжения в пределах О(сОпО скваж 1 ность сигнала на выходе модулятора 10 ширины импульсов блока 9,( управления равна бесконечности (сигнал ло гического куля) и не изменяется в процессе регулирования.Управляющее напряжение на ключах 7 и 7 определяется состоянием1 (триггера 16 и уровнем сигнала с модулятора 10 ширины импульсов блока З 0 9( упранления. Ключ бс, не включается, а ключи вторичных полуобмоток замыкаются в последовательности 727 - 7 - 7- 7- 7( и т. д., реа(лизуя на нагрузке напряжение 31 с З 5 регулированием паузы. При Опр =О пауза исчезает и на нагрузке выделяется неискаженное напряжение, равное по амплитуде сумме напряжений двухотпаек Ос( .= О(40При изменении напряжения упранления в ( = й зоне работают ключи 71 71 1. - 7 7 и на нагрузке вйделяется напряжение с неискаженным уровнем, равным сумме напряжений 45в .1) отпайки и регулируемой добавкой, равной по амплитуде напряжению(=й отпайки.Для улучшения симметрии выходного напряжения предлагается генератор 50 13, развертывающего напряжения выполнять в виде генератора симметричного треугольного напряжения, Работа схема регулятора происходит при этом аналогичным образом. Диаграммы напря" 55 жений изображены на фиг. 4, где32 - выходное напряжение задающего генератора 8;33-34- выходные сигналы прямого иинверсного выходов триггера 16,35 - выходной сигнал генератора (6013 треугольного напряжения, 36-37- выходное напряжение регулятора при разных неличинахуправляющего напряжения Цдля одной фазы. 65 С целью упрощения блоков 9 -9, управления входы логических элементов 17, соединенные с триггерами 16 всех блоков управления, объединены между собой и подключены к прямому выходу одного триггера 16. Объединены также входы логических элементов 18 всех блоков управления, соединенные с инверсными выходами триггеров 16, и подключены к инверсному выходу того же триггера 16, к которому подключены объединенные входы логических элементов 17.Таким образом, предлагаемая схема силовой части регулирования и его схема управления позволяют существенно повысить технико-энергетические показатели за счет уменьшения искажений входного тока и выходного напряжения при глубоком регулировании, поскольку широтно-импульсное регулирование осуществляется поочередно в пределах напряжения одной отпайки. Искажения входного тока и выходного напряжения определяются количеством зон регулирования и тем меньше, чем больше количество зон.За счет уменьшения искажений входного тока и выходного напряжения установленная мощность входных и выходных фильтров уменьшается, что позволяет одновременно увеличить быстродействие регулирования.Кроме того, масса и габариты силового трансформатора определяются предельной частотой переключения силовых ключей и могут быть существенно уменьшены по сравнению с трансформатором на частоте сети,ФормуЛа изобретения1. Регулятор в- фазного переменного напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием, содержащий в"фазный высокочастотный трансформатор с первичной и вторичной в-фазными обмотками, выполненными со средними точками, образующими, соответственно, входные и выходные выводы регулятора, причем разноименные концы этих обмоток подключены ко входам в-фаэных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, задающий генератор и блок упранления, выполненный иэ последовательно соединенных модуляторов ширины импульсов, логического узла и узла развязки и усиления, соединяющего выходы модулятора ширины импульсов и логического узла с управляющими цепями упомянутых ключей, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения технико-энергетических показателей за счет уменьшения искажений входного тока и выходного напряжения при глубоком регулировании, каждая из вторичных в-фазных обмотокснабжена и отпайками, подключенными ко входам дополнительно введенных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, причем и пар ключей вентильных мостов, подключенных к отпайкам, симметрично расположенным относительно выходных выводов регулятора, снабжены и дополнительными блоками управления, выходы логических узлов каждого из которых соединены со входами узла развязки и усиления через один из входов дополнительно введенных в кал- дый блок управления двух двухвходовых логических элементов И, другие входы которых. подключены к выходам мо" дулятора ширины импульсов смежного 15 блока управления, а управляющие входы модуляторов ширины импульсов блоков управления через введенные пороговые элементы подключены к управляющему входу регулятора. 202. Регулятор по п. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощения, модулятор ширийы импульсов каждого блока управления выполнен в виде компаратора и генератора ,пилообразного напряжения, подключен 1 ного к одному нз входов компаратора, другой вход которого соединен с соответствукщими из упомянутых пороговых элементов.3. Регулятор по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что логический узел выполнен в виде триггера, двух основных двухэходовых логических элементов И, логического элемента НЕ, вход которого подключен к выходу модулятора ширины импульсов, а выход соединен с одним из входов основных логических элементов И, дру" гие входы которых соединены с пряьым и инверсным выходами триггера подключенного к выходу задающего генератора. Источники, информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР Р 318137, кл. Н 02 Р 13/14, 1970. 2. Авторское свидетельство СССР Ф 504287, кл. Н 02 Р 13/14, 197 б. 3. Авторское свидетельство СССР по заявке Я 2647718, 21.07.78. 4. Заявка Японии Р 41-10233,кл. 58 Н 1, 19 б 5,