Регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно импульсным регулированием

СОЮЗ СОВЕТСНИХСОЦИАЛИСТ ИЧЕСНИХРЕСПУБЛИН 26278(19 д(511 Н 02 Р 13/О СУД АРСТВЕННЫЙ ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕЕТЕНИЯ ПИСАНИЕ ТЕЛЬСТВУ И АВТОРСКОМ ОО(71) Научно-исследовательский институтавтоматики и эпектромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэпектроники(56) 1. Авторское свидетельство СССРМф 589681, кп. Н 02 Р 13/14, 1978.2. Патент США % 3596172,кп. 323-45, 1973.3. Авторское свидетельство СССРЛ/о 589683, кп, Н 02 Р 13/16, 1978.(54) (57) РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГОНАПРЯЖЕНИЯ С ВЫСОКОЧАСТОТНЫМШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ, содержащий первый трансформа.тор, вторичная обмотка которого соеди.иена последовательно с нагрузкой, первичная подкпючена к выходным зажимампервого коммутатора, выполненного напопностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, а входные зажимыпоследнего соединены с зажимами сети,причем управляющие цепи полностью уп:равпяемых ключей первого коммутаторасоединены через устройство усиления и гальванической развязки с выходом модупятора ширины импупьсов, управпяющий вход которого образует управляющий вход регулятора, о т п и ч а ю щ и й с я тем, что, с цепью улучшения энергети ческих показатепей эа счет увепичения частоты искажающих гармоник и уменьшения величины регулируемого вопьтодобавочного напряжения, он сиабжен допопнитепьио Н трансформаторами, вторичные обмотки которых соединены поспедоватепьно между собой и вторичной обмоткой пер. вого трансформатора, а первые подкпючены к выходным зажимам Н допопнитель ных коммутаторов, входные зажимы последних объединены и соединены с выход-Я ными зажимами первого коммутатора, допопнитепьными устройствами усиления и гальванической развязки, Й допопни- рею тельными модупяторами ширины импульсов и распределитепем . импупьсов, вход которого соединен с выходом эадающе го генератора, а (8+1) выходы соединены с синхронизирующими входами первого и Й дополнитепьных моаупяторов р ширины импульсов, при этом управляющие рю) входы последних объединены и соедине- .р ны с управпяющим входом первого моду- , пятора ширины импульсов.1 1026278 2Изобретение относится к эпвктротвхни- сети, причем управляющие цепи полностью ке, в частности к регуляторам перемвнно- управляемых ключей. коммутатора сое го напряжения, и может найти применение .динены через устройство усиления и галь- в мощных регуляторах и стабилизаторах ванической развязки с выходом модупятосетввого переменного напряжения, изме ра ширины импульсов, управляющий вход няющвгося в широком циапазонв вверх и которого образует управляющий вход ревниз от номинального а также там, где гупятора переменного напряжения Я. требуется практически неискаженная фор- Однако известный регулятор обладает ма выходного напряжения, высокое быст- низкими энергетическими показателями родействие регулирования и стабипиэа О из-эа низкой частоты искажающих гармоции, высокие энергетические показатели, ник,в.выходном напряжении и выходномИзвестны регуляторы переменного на токе и большой величины регулируемой пряжения с высокочастотным широтно-им- части вопьтодобавочного напряжения, копупьсным регулированием, содержащие торая определяется диапазоном регупиротрансформатор промежуточной частоты, 15 вания дпя регулятора и диапазоном изме- коммутаторы первичной и вторичной. об- нения входного напряжения дпя стабипиза моток трансформатора, выполненные на ,тора. Увеличение частоты коммутации полностью управляемых кшочах с двусто- приводит к снижению коэффициента полез ровней нроводимостью, схему управце- ного действия регуляторе из-за несоотния 1, ветствия проектной частоты трансформаНедостатком данного регулятора явля- тора (он рассчитывается на частоту сеется сложность реализации полностью ти) и частоты коммутации. Реально часуправпявмых ключей вторичного комму тоту удается повысить лишь в 3-8 раз татора в мощных системах рвгупирования а этого нецостаточно, потому что фипьт- И стабнпизации, так как ключи вторичного р 5 ры, рассчитанные на сглаживание пупьсакоммутатора должны быть рассчитаны на ций соответственно 150 - 400 Гц бу ток нагрузки. дут существенно ухудшать удвпьномассоИзвестен также регупятор переменно- вые и энергетические показатели регупяго напряжения с высокочастотным широт- тора в целом.но-импульсным регупированивм, содержа- З 0 Цепь изобретения - улучшение энвргвщий трансформатор, вторичная обмотка тических показателей за счет увепичения которого включена последовательно с на-. частоты искажающих гармоник и умень груэкой, а первичная подключена к комму кения величины регулируемой части вольтатору на полностью управляемых ключах тодобавочного напряжения,с двусторонней проводимостью схему Указанная цепь достигается тем, что управления с задающим генератором и35известный регулятор переменного напрямодупятором ширины импульсов 2, жения, содержащий первый трансформатор,Однако такой регулятор имеет большую вторичная обмотка которого соединена амплитуду пульсаций вопьтоцобавочного поспвдоватепьно с нагрузкой, первичная напряжения, равную диапазону рвгупиро- подключена к выходным зажимам первого40вания выходного напряжения, и низкий коммутатора, выполненного на попностм 8 коэффициент полезного действия из-еа упРавляемых кшочах с двусторонней прокоммутации, трансформатора с частотой, водимостью, а входные зажимы поспеднвмного большей частоты сети, в то врв- го соединены с зажимами сети, причем мя как его проектная частота равна час- управляющие цепи попностью управляемых тоте сети (потери в контурах коммута- кЪючей коммутатора соединены через уст 45ции пропорциональны вепичинвпаразитной ройство усипвния и гальванической развязинцуктивности рассеяния, которая в свою ки с выходом модулятора ширины импупьочерець, обратно пропорциональна проект- сов, управпяющий вход которого образу ной частоте трансформатора). ет управляющий вхоц регулятора, снабженНаиболее близким по технической сущдополнительно И трансформаторами, втэности к предлагаемому является регупя- . ричные обмотки которых соединены после тор, содержащий трансформатор, вторич- довательно между собой и вторичной обная обмотка которого соединена поспедо-, моткой первого трансформатора, а первичватепьно с нагрузкой, первичная подкпю- ные подключены к выходным зажимам Й чена к выходу коммутатора выпопненного 55 дополнительных коммутаторов, входные на полностью управляемых ключах с дву- зажимы поспвднв объединены и соеди сторонней проводимостью, а входные за- иены с входными зажимами первого комжимы последнего соединены с зажимами мутатора, И дополнительными устройстдругие входы которых объединены и об- разуют управляющий вход 25 моаупятора 23 ширины импульсов, который, в м свою очередь, образует управпяющий входрегулятора в цепом 1 у . Синхронизирую щий вход 24 модупятора 23 ширины импульсов через распредепитепь ЗО импупь.сов поцключен к задающему генератору 31, Кроме того, регулятор переменного напряжения с высокочастотю м широтно- импульсным регупированием содержит М допопнитепьных трансформаторов (на фиг,1 Й дпя примера принято равным двум) 32 и 33, вторичные обмотки которых 34 и 35 соединены последовательно между собой и поспедоватепьно со вторичной об- моткой 2 первого трансформатора 1 . Первичные обмотки 36 и 37 допопнитепьных трансформаторов 32 и ЗЗ подключены к выходным зажимам 38, 39 и 40,41 И допопнитепьных коммутаторов 42 и 43 соответственно. Входные зажимы 44,45 и 46,47 дополнитепьных коммутаторов 42 и 43 объединены соответственно 44, 2 46 и 45, 47 и подключены к зажимам14 и 15 сети.Допопнитепьные коммутаторы 42 и 43выпопнены аналогично первому коммутатору 7 на попностью управляемых кпючах с двусторонней проводимостью, упра ляющие цепи которых соответственно через Й допопнитепьных устройств 48 и 49 усипения и гальванической развязки, выполненных анапогично 18, подключены к Й дополнительным модупяторам 50 и 51 ширины импупьсов с синхронизирую- шими 52 и 53 и управпяюшими 54 и 55 входами, Управляющие входы 54 и 55 дополнитепьных модупяторов 50 и 51 ширины импульсов объединены и цодключены к управляющему входу 25 первого модупятора 23 ширины импупьсов. Сиехронизирующие входь 52 и 53 допопнитепьных модупяторов ширины импульсов 43подкпючены к дополнительным выходам 56 и 57 распределитепя ЭО импуцьсов, основной выход 58 которого подключен к синхрониэирующему входу 24 первого модупятора 23 ширины импульсов.На фиг. 2 и 3 приведены временные 50диаграммы: 59 - напряжение сети; 60- импуцьсы на выходе задающего генератора 31, 61 - 63 - импупьсы,: поступающие на синхронизирующие входы 24, .52 и 53 модуляторов 23,50 и 51 шири+ны импульсов с выходов 58,56 и 57распределителя 30 импуньсов; 64 - напряжение управления 0, подаваемое на управляющие входы 25, 54 и 55 модупя.3 102 вами усиления и гальванической развязки, М допопнитепьными модупяторами ширины импупьсов и распредепителем импульсов, вход которого соединен с выходо задающего генератора, а (Я+1) выходы соединены с синхронизируюшими входами первого и Й дополнительных модуляторовширины импупьсов, при этом управпяющие входы последних объединены и соединены с управляющим входом первого модулятора ширины импульсов.На фиг. 1 представлена структурная схема регулятора переменного напряжения с высокочастотным широтно-импупьс ным регулированием; на фиг, 2 и 3 - временные диаграммы, поясняющие работу предлагаемого рогупятора.Регулятор переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием содержит первый трансформатор 1, вторичная обмотка 2 которого вкпючена последовательно с нагрузкой 3. Первичная обмотка 4 трансформатора 1 подкпючена к выходным зажимам 5 и 6 коммутатора 7, выполненного на попностью управляемых кпючах 8 - 11 с двусторонней проводимостью. При этом выходные зажимы 5 и 6 коммутатора 7 образованы общими точками полностью управляемых ключей 8,9 и 10,11 соответственчо, а выходные зажимы 12 и 13 первого коммутатора 7 образованы общими точками ключей 8,10 и 9,11 соответственно и соединены с зажимами сети 14 и 15. Управпяющие цепи попностью управпяемых ключей 8 - 11 соединены с выходами 16 и 17 устройства 1 8 усиления и гальванической развязки, которое состоит из двух усилителей 1 9 и 20 мощности, имеющих гацьваническую развязку входных и выходных цепей.Входы усипителей 19 и 20 мощностиl являющиеся одновременно входами устройства 18 усипения и гальванической развязки, соединены с выходами 21 и 22 модупятора 23 ширины импульсов с синхронизирующим 24 и управляющим 25 входами, При этом модулятор 23 ширины импупьсов выполнен также двухканальным. Каждый канал состоит из генератора 26,27 развертывающего напряжения и компаратора 28,29 соответственно, Причем синхронизирующие входы генераторов 26 и. 27 развертывающих напряжений объединены и образуют синхронизирующий. вход 24 модулятора 23 ширины импульсов, а выхоцы этих генераторов 26 и 27 подключены к первым входам компараторов 28 и 29,6278 15 10262 торов 23,50 и 51 ширины импупьсов;65,66 и 67 - линейно нарастающее напряжение генераторов 26 развертывающего напряжения первого канала, модупяторов 23,50 и 51 ширины импупьсов соответственно; 68, 69, 70 - линейно падающее напряжение генераторов 27 развертывающего напряжения второго канада модуляторов 23,50 и 51 ширины импупьсов со ответственно; 71 - 76 - импульсы управо пения на выходе модупяторов 23,50 и 51 ширины импупьсов соответственно; 77- 79 - выходное напряжение на вторичных обмотках 2, 34 и 35 трансформаторов 1, 32 и 33 соответственно; 80 - суммар ное выходное напряжение на вторичных обмотках 2, 34 и 35 трансформаторов 1, 32 и 33; 81 - 83 - кривые выходных напряжений на вторичных обмотках 2, 34 и 35 трансформаторов 1, 32 и 33 20 соответственно при другом напряжении управпения; 84-87 - суммарные напряжения на обмотках 2, 34 .и 35 трансформаторов 1, 32 и 33 при различных напряжениях управления. 25Регулятор работает спедующим образом.Напряжение сети (фиг, 2, диаграмма 59) подается на входные зажимы регулятора 14 и 15, На управляющие входы 5 п подностью управляемых кпючей 8-11 коммутатора 7 подаются импульсы 71 и 72 управления. Причем подожитедьное значение импульсов 71 управпения соответствует включенному состоянию кпюча 9 и выкпюченному состоянию ключа 8 и наоборот, а попожитепьное значение импудьсов 72 управления соответствует вкпюченному состоянию кпюча 10 и выкнюченному состоянию ключа 11 и наоборот, При таком управлении кпючами коммутатора 7 реапизуется следующий алгоритм работы кдючей 9,11-11, 8-8, 10 (рядом стоящие цифры обозначают одновременное замкнутое состояние соответствующих им ключей), Такой апгоритм работы кдючей коммутатора 7 обеспечи вает на вторичной обмотке 2 трансформатора 1 напряжение 77. При этом одновременно замкнутое состояние кпючей50 9, 1 1 и 8, 10 соответствует закорачиванию первичной обмотки 4 трансформатора 1, а одновременное замкнутое состояние кдючей 11, 8 соответствует вопьтодобавке. Таким образом на вторичной обмотке 2 трансформатора 1 формируется напряжение 77.Анапогично работают попностью управпяемые кпючи дополнительных коммута 78 4торов 42 и 43, на управпение которымиподаются управляющие импульсы 73,74 и 75,76, Напряжение на вторичныхобмотках 34 и 35 трансформаторов 32и 33 приведены на фиг. 2 (диаграммы78 и 79). При этом формы напряжений78 и 79 на обмотках 34 и 35 трансформаторов 32 и 33 отпичаются от формы напряжения 77 обмотки 2 трансформатора 1 и друг от друга ввиду того,что синхронизирующие входы 24, 52 и53 первого модулятора 23 ширины импупьсов и дополнительных 50 и 51 подкпючены к задающему генератору 31 через распредепитепь 30 импупьсов; такчто тактовые интервалы модуляторов ширины импульсов 23, 50 и 51 сдвинутыпо фазе на угоп 2/И+1, где В - чисподонопнитепьчых коммутаторов, а угол отсчитывается отйоситепьно частоты тактовых интервапов. В пределах тактовых интервалов каждого модулятора 23, 50 и 51 ширины импульсов работают генераторы 26 и 27 развертывающих напряжений, причем эти генераторы представляют собой генераторы линейно падающего и пинейно нарастающего напряжений 66 и 65 соответственно. Анапогично,в допопнитепьных модуляторах 50 и 51 генераторами развертывающих напряжений вырабатываются пилообразные (пинеяно падающие и линейно н нарастающие) напряжения 68,67 и 70,69 соответственно. Указанные пилообразные напряжения 65-70 сравниваются на компараторах 28 и 29 модупятора 23 ширины импупьсов (анапогично и в других модуляторах 50 и 51) с напряжением 64 управпения, и на выходе модуляторов 23, 50 и 51 формируются импульсы 71-76 управпения, которые через устройства 18, 48 и 49 усипения и гапьванической развязки подаются на полностью управляемые кпючи 8-11 коммутатора 7 и допопнительных коммутаторов 42 и 43 аналогично описанному выше, Изменяя напряжение 64 управпения, изменяют импупьсы 71-76 управления, а значит и выходное напряжение 80.Суммарное напряжение вторичных обмоток 2,34 и 35 трансформаторов 1,32 и 33 равно сумме напряжений 77-79 и приведено на фиг. 3 (диаграмма 80), При уменьшении напряжения 64 управпе" ния по амппитудефпауза в выходном напряжении каждого трансформатора 1, 32 и 33 будет увеличиваться как показано7 1026278 8 на Фиг. 3 (диаграммы 81-83), Это при Таким образом, предлагаемый регуля-ведет к уменьшению суммарного напря- тор переменного напряженияс широтноженйя на всех трех обмотках (диаграм- импульсным регулированием позволяет в , мы 84 и 85). Дапьнейшее уменьшение (Ю +1) раз повысить частоту искажаю- напряжения 64 управления приведет к % щих гармоник и в (9+1) раз уменьшить дальнейшему уменьшению суммарного их амплитуду за счет уменьшения величинапряжения как показано на диаграмме ны регулируемой части вольтодобавочн ого 86 (фиг. 3). Если величина напряжения напряжения,без уменьшения диапазона ре управления равна половине амплитуды гулирования выходного напряжения.При пилообразного напряжения (65 -. 70), то й этом уменьшается коэффициент гармоник, суммарное напряжение на обмотках 2, . позволяется возможность фильтровать вы и 35 будет равно нулю, При дальней- ходноенапряжениефильтрами,имеюшимимасшем уменьшении это напряжение сменит-суигабаритыв(М+1) разменьше, чемупрото-. ся по знаку (диаграмма 87) и начнеттипа.Всеэтоприводиткулучшениюэнергетивозоастать по амплитуде И ческих показателей регулятора в делом.