Преобразователь напряжения

(51)5 Н 02 М 7/48. ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(ГОСПАТЕНТ СССР)ОПИСАНИЕ ИЗОБРК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ЕНИЯ Изобретение относит ,тротехники, в частности тельной технике, и использовано в многофун темах вторичного электро мируемых регулятора обеспечивая высокое кач ванной электроэнергии и ся к области элек, к преобразоваможет быть кциональных сиспитания, програмх напряжения, ество преобразоулучшение массогабаритные показатели при питании личных первичных источников электр гии (не только переменного тока).Целью изобретения является робласти применения преобраз ряжения.На фиг. 1 представлена блок-схем обраэователя напряжения; на фиг. 2 от оэ асшире- ователя ние нап а пре- фун 1 2(46)07.05.93. Бюл, %17 (57) Преобразователь напряжения обеспе- (71) Киевский политехнический институт им, чивает получение высококачественного вы-летия Великой Октябрьской социалисти- ходного напряжения при питании ческой революции . преобразователя от источника либо посто- (72) 15.И,Сенько, В,С.Смирнов, К,В.Труби- янного,либопеременногонапряжения.При цын, А.А.Мозоляко и А.П.Калиниченко , этом обесйечивается быстродействующее (56) 1. Источники электропитания радио-.:широкодиапаэонное регулирование и стаэлектронной аппаратуры, Справочник /, билизация выходного напряжения, причем Г.С,Найвельт, К.В,Мазель и дрПод ред, на программном уровне, что достигается за Г,С.Найвельта, - М.; Радио и Связь, 1985, с. счет введения. второго преобразовательно-178, .. го тракта, а также дополнительное введение .2. Источники вторичного электропита- в каждый из преобразовательных трактов ния / С.С.Букреев, В,А,Головацкий и др,: анализатора напряжейия питания, форми- Ф Под ред. Ю.И.Конева, - М.; Радио и Связь, . рователя управляющего кода, аналого-циф, с. 94-98, рового блока, делителя и умножителя, 2 ил.3. Авт. св. СССР М 1019566, кл, Н 02 М7/48, Н 02 Р 13/18, 1983.4. Краснопроаина А,А., Скаржепа В.А.,Кравец П.И. Электроника и микросхемотехника, Ч. 2. Электронные устройства промышленнойй автоматики: учебник / Под общ.ред. А.А.Краснопрошиной, - К.: Вища школа. Головное изд-во, 1989, с. 295-297.5. Гусев С.ИСенько В.И, и др, Принци. пы построения прецизионныхпреобразователей с программируемой формой .,4 выходного напряжения. - Техническая элек тродинамика, 1980, М 5, с. 49-55.. кциональная схема задатчика формы выход- Задатчик формы выходного напряженого напряжения. ния 5 (фиг, 2) включает в себя циклическиеПреобразователь напряжения (фиг. 1) двоичные счетчики 18, 19 на счетные входысодержит два одинаковых преобраэова- которых подключен выход генератора тактельных тракта 1 и 2, входы которых являют товой частоты 4, а выходы соединены с адся входами преобразователя напряжения, а ресными входами блоков памяти 20 и 21.выходы соединены последовательно и под- Преобразователь напряжения работаетключены к силовому входу демодулятора 3, следующим образом. Входное напряжениеа к управляющему входу демодулятора 3 произвольной формы, О, поступает наподсоединен выход генератора тактовой ча вход модулятора 10,1, преобразованногостоты 4, а также задатчик формы выходного тракта 1 а О на вход модулятора 10,2,напряжения 5 и выходной аналого-цифро- преобразованного тракта 2. На модуляторахвой блок 6, вход которого соединен с выхо.1 и 10,2 выполненных например по модом демодулятора 3, а выход с одним из стовойсхемеинверторанапряжениянаполвходов компенсирующего делителя 7, на 15 ностью управляемых ключах, входноевторой вход которого подключен сумматоР напряжения О и О модулируются пронапряжения вх 1 и вх 2 модулируются про 8, причем выход компенсирующего делите- о ой ас о ой 1 за аваеножителя 9, на регулирующий вход которогомой генератором тактовой частоты 4,подается сигнал регулирования величины 20Высокочастотное импульсное найряжевыходного напряжения О. ние Оц, с выхода модулятора 10.1 и ОмсСтруктура преобразовательных трактоввыхода модулятора 10,2 поступает на входы1 и 2 одинакова. Каждый преобразовательсоответственно амплитудного квантователя11.1 и 11.2, где происходит формированиеный тракт содержит последовательно соединенные модулятор 10,1 (10,2). (В скобках 25указана нумерация блоков преобразовательного тракта 2), на Управгяющий вход нения амплитуды, величина которой задаеткоторого подключен выход генератора так- ся адатчиком формы выходноготавой частоты 4, амплитудный квантователь . напряжения.5 в каждом такте промежуточ 11.1(11.2), с двумя группами силовых ячеек, 30 ной высокой частоты тпр,причем выход вторых групп силовых ячеек Рассмотрим более подробно процесссоединены последовательно и подключены формрования высокочастотногО импульск входу демодулятора 3, Кроме того преоб- ного напряжения Одк 1 и Одк в амплитудразовательный тракт 1 (2) содержит иэмери ных квантователях 11 1 и 11.2.тель амппитуды напряжения питания 12.1 35 Входное напряжение Овх,и Овхпарал(12.2). и детектор нулевого напряжения3,1 лельно с поступлением на модуляторы 10,1(13.2), входы которых подключены к входу и 10.2, поступает на входы измерителя намодулятора 10.1 (10,2), а выходы детектора пряжения питания 12,1 и 12.2 соответственнулевого напряжения 13,1(13,2)к входу на- но, где значение их амплитудычальнойустаноаки эадатчикаформы выход преобразуется в двоичный код, в каждыйного напряжения 5 и выход измерителя такт частоты напр, причем частота преобразоамплитуды напряжения 12.1(21,2) к одному вания на порядок больше частоты Ьр. Двоиэ входов первого делителя 14,1 (14.2), на и"ные коды Овх и Овх, выходов измерителявторой вход которого подключен выход за- напряжения питания 12,1 и 12,2, соответстдатчика Формы выходного напряжения 5, 45 вующие значениям амплитуд входных напричем выход первого делителя 14.1 (14,2) пряжений Орх,и Оох в каждомтакте частотыпоразрядно подключен к управляющему тпр поступают на входы первых делителейвходу второй группы силовых ячеек ампли.1 и 14.2 соответственно, на вторые входытудного квантователя 11.1 (11.2) и одному из которых поступают двоичные коды Оэт, и Овходов второго делителя 15.1 (15,2), на вто блоков памяти 20 и 21, последовательнаяРой вход которого подключен аналого-циф- выборка которых с помощью двоичных цикровой блок 16.1 (16.2), вход которого . лических счетчиков 18 и 19 и задаеттребуеподключен к выходу амплитудного кванто- мую форму огибающей высокочастотногователя 11.1 (11,2), а выход второго делителя импульсного напряжения Одк 1 и Одкг амп 15.1 (15.2) на один из входов умножителя 55 литудных квантователей 11.1 и 11.2 при по 17,1(17,2), на второй вход которого подклю- стоянном значении входных напряженийчается выход регулирующего умножителя 9, Овх,и Овх,. Значения Овх, и Овх, поступаюта выход поразрядно подключен на управля- на вход первых делителей 14.1 и 14,2 соотющий вход первой группы силовых ячеек ветственно,навторыевхоыкоторыхпостуамплитудного квантователя 11.1 (11,2). пает значение Оэт, и Оз, иэ задатчика1814177 ОАК 1Котл 1Офу 1и амплитудного:квантователя 11.2;Одк 2,Коткл.2фу 2Огде Одк Одк - двоиЧный код, соответствующий значению амплитуды выходного на- пряжения соответственно амплитудногоквантователя 11.1 и 11,2;Офу Офу- двоичный код, поступающий соответственно с выхода первых делителей 14,1 и 14,2.Одновременно значения двоичного кода Одк и Одкпоступают на вход сумматора 8, а результат Одк + Одк на один их входов компенсирующего делителя 7, на второй вход которого поступает двоичный код Оных с выходного аналого-цифрового блока 6, который соответствует значению амплитуды выходного напряжения Овых в каждом такте частоты Ьр. На выходе компенсирующего.ОАк 1 + Одк 2Крсф1О 5:формы выходного напряжения 5, в результатеделения.в каждом такте формируются "значения двоичного кодаОфуи Офу, которые поразрядно поступают на управляю-щие: электроды соответствующих ключей 5 второй группы силовых ячеек амплитудных квантователей 11,1 и 11.2, что вызывает за . счет коммутации ключей изменение коэффициента трансформации высокочастотного трансформатора амплитудных 10 квантователей 11.1 и 11,2 и обеспечивает формирование высокочастотного импульсного напряжения требуемой формы. За счет последовательного соединения вторичных обмоток амплитудных квантователей 11.1 и 15 11,2, напряжения Одк 1 и Одк 2 суммируются и поступают на силовой вход демодулятора 3, который выполнен по схеме мостового инвертора напряжения на полностью уп. равляемых ключах, где под воздействием 20 сигналов управления Ьр, поступающие на управляющие входы ключей происходит формирование из высокочастотного импульсного напряжения, выходного напряжения преобразователя требуемой формы 25 Овы, Форма выходного напряжения Олы задается задатчиком формы выходного напряжения 5, а именно значениями двоичного кода; записанного в блоке памяти 20 и 21.Если в качестве блоков памяти 20, 21 ис пользовать оперативные запоминающие устройства, то записывая ОЗУ в процессе работы новые. значения можно оперативно менять форму выходного напряжения Олых преобразователя. 35Первая группа силовых ячеек амплитудных квантователей 11.1, 1,1,2 и аналого-цифровые блоки 16,1 и 16.2, вторые делители . 15,1, 15,2, умножители 17 Л, 17.2 соответственно преобразовательного тракта 1 и 2; а 40 также выходной аналого-цифровой блок 6, комгенсирующий делитель 7, сумматор 8 и регулирующий умножитель 9 служат для стабилизации и регулирования (значения амплитуды) выходного напряжения Овых. 45 Цепь стабилизации и регулирования Овых работает следующим образом. На один из входов второго делителя 15 Л (15;2) поступает значение амплитуды выходного напряжения амплитудного квантователя 11.1 (11,2) 50 Одк (Одури преобразованное в двоичный.код О дк (Одк ) на двухполярном аналого-циф-.ровом блоке 16.1 (16.2), на второй вход делителя 15.1 (15.2) с выхода первого делителя 14.1 (14,2) поступает управляющий двоич .ный код Офу,(Офу), В результате деления определяется коэффициент отклонения выходного нап ряжения амплитудного квантователя 11.1: делителя 7 формируется коэффициент рассогласования Крс равный: Значение коэффициента рассогласова-. ния Крс поступает на вход регулирующегоумножителя 9, на второй вход которого подается сигнал регулирования величийы ам- " плитуды выходного напряжейия ОвыхО, (Если значение амплитуды Овых не регулируется, то 0-1). Значение коэффициента рассогласования поступает на вход умножителя 17.1 преобразовательного. тракта 1 и на вход умножителя 17,2 преобразовательного тракта 2, на вторые входы умножителей 17,1 и 17.2 поступает значение коэффициентов Котл и Котлсоответственно; в результате на выходе умножителей17 Л и 17.2 формируется код, который, поступая с умножителя 17.1 на соответствующие . управляющие электроды ключей первой груггпы силовых ячеек амплитудного квантоватвля 11,1, а с умножителя 17,2 на соответ- . .ствующие управляющие электроды ключей первой группы силовых ячеек амплитудного квантователя 11.2, вызывает изменение коэффициента трансформации. высокочастотных трансформаторов амплитудных, квантователей 11.1 и 11.2 за счет изменения количества виткОв в первичной обмотке и, как следствие, ведет к стабилизации амплитуды выходных напряжений Олыпреобразователя напряжения. При регулировании Овых увеличивая значение сигнала регули1814177 ременные напряжения Овх и Овх поступаютна вход модуляторов 10,1 и 10.2 соответствейно преобразоаательных трактов 1 и 2:,где преобразуется в промежуточное высокочастотное импульсное напряжение ОмиОм с частотой 1 пр. ГГричем частота ЬррОГц, вырабатываемая генератором тактовойчастоты 4 в 2" (п=5,6,7) раз больше частотывходного напряжения Овх, и Овх . Входноепеременное напряжение Ох, одновремен-.но поступает на вход детектора нулевогонапряжения 13,1 преобразовательного .тракта 1, где при прохождении огибающейнапряжения 01 через "0" срабатывает детектор нулевого напряжения и происходитобнуление двоичного счетчика 18. В блокепамяти 20, начиная с нулевого адреса, записаны двоичные коды Оэт соответствующиефункции Эп х, а в блоке памяти 21 - Оэт2ооответотвугощнй ов к. Двоичные коды Оагт(9 п х) и О, (Соз х) поступают на входыпервых двигателей 14,1 и 14.2 соответствен- .но преобразовательного тракта 1 и 2, где"происходит формирование управляющегокода Офу 1 б, и Офу 1 б для второй группы силовых ячеек амплитудных квантователей 11,1и 11.2, в зависимости от величины амплитуд-,ных входных напряжений Ов, и Овх, значеНИЯ КОГОРЫХ 011 И Ох ПОСтУПаЮтсоответственно с измерителгей напряжения .питания 12 1 и 12,2, Таким образом на вторичных обмотках импульсных трайсформаторов амплитудных квантователей .111 и .11,2 в каждом периоде входного переменно- .го.напряжения Овх формируются высокока-.чественные импульсные напряжения Одке иОдк, огибающие которых соответствуютфункции Впх и Соз 2 х. вследствие последо-,вательного соединения вторичных обмолвокамплитудных квантователей 11.1 и 11.2, про- .исходит суммирование импульсных напряже- ний Одк, и Одк, в каждом такте частоты ЬрОдк 1 + Одк = 3 и х + Сов х=1,Таким образом, выделив на демодуляторе 3 огибающую высокочастотного импульсного напряжения Одк, .+ Одк, получимпостоянное выходное напряжение Оы, величина которого зависит отт соотношения количества витков в первйчной и вторичнойобмотках импульсных трансформаторов мо-,жет быть как понижающей, так и повышающей амплитудных квантователей 11 1 и 11.2регулируется по первой группе силовых ячеек,Для приведенного случая (питние оттрехфазного источника) коэффициент транс-,формации амплитудного квантователя 11,2;преобразовательного тракта 2, должен бытьв /Т раз меньше чем в амплитудном кванто - ватепе 11.1, преобразовательного тракта 1,7рраэния О, увеличивается значение Крс О;ПОЙупагющгее нагодин из входов умножите. лей. 17 1 и 17,2 и, как следствие; увеличйвается код, поступающий на управляющиеэлектроды ключей первой группы силовых 5 -яЧеек амплитудныхквантователей 11 1 и11.,2, что ведет к одинаковому изменению :коэффициента трансформации высокочастотных трайсформаторов амплитудныхкеантователей 11.1 и 11.2, одинаковому 10приращению значений амплитуд Одк и Одкси, как следствие, увеличению (уменьшению)амплитуды Овых.Синхронизация работы всех блоков иузлов. схем.ы осуществляется частотой Ьр, 15 "вырабатываемой генератором тактовой частоты. 4, Все аналого-цифровые блоки и преобразователи работают от общего , .источника опорного напряжения. При необходимости (если.диапазон АЦП не совпадает с.реальными значениями напряжения)перед аналого-циФровыми блоками и пре. образователями ставятся масштабирующиеусилители, а выход делителей 14 р 1, .14.2 иумножителей 17,1, 17.2 подключаются к управляющим электродам ключей. амплитудных квантователей 11.1 и 11.2 черезбуФерные регистры хранения.Далее более ясного представления рассмотрим работу преобразователя, который 30питается от трехфазногоисточника электро. энергии и осуществляет преобразованиепеременно 1 о синусоидального напряженияв постоянное.Амплитудные квантователи 11.1 и 11,2 35содержат в первой и второй группах по пятьсиловых ячеек. Причем отношение количества витков сйловых ячеек в первой и второйгруппах высокочастотного импульсноготрансформатора составляют весов.ые коэффицйенты двоичного кода. То есть, если количество витков первой силовой ячейки(младшей) составляет 10, то второй 20,трегьей 40, а четвертой 80 витков и т.д. Аключевые элементы каждой силовой ячейки 45рабОтают в противофазе. На вход преобразовательного тракта 1 поступает фазное напряжение фазы А трехфазного источникаэлектроэнергии; т,е. 0 -Од, (действующеезначение 220 В, 1-50 Гц). Вход преобразовательйого тракта 2 подключен к линейномУ напРЯжению фаз В и С, т,е, Ову 1 "ОВС(действующее значение 380 В 1=50 1 ц). Таким образом на входе преобразовательноготракта 2 поступает синусоидальное напряжение Овх.с амплитудой в Ю раз больше и.сдвинутое по фазе на 90 относительновходного синусоидальногонапряжения Ох,.преобразовательного тракта 1. Входные пе. что позволяет упростить работу эадатчикаФормула изоб рете н и яформы выходного напряжения 5. При коэф. Преобразователь напряжения, содерфициенте трансформации Ктр,=0,25 транс- жащий преобразовательный тракт в виде форматора амплитудного квантователя 11,1 последовательно соединенных модулятора и Кр,25/ Ю амплитудного квантователя 5 и амплитудного квантователя, который вы- . 11.2 можно получить постоянное регулируе- . полнен в виде двух групп последовательномое выходное напряжение Оех=2(12,5 - 50) саединенных по выходу силовых ячеек, каж, с шагом регулирования 2,3 В. Реализация дая из которых представляет собой эамкнуамплитудного квантователя описана в 4 Ц 5). тую цепь из последовательно включенныхВ качестве полностью управляемых си обмотки трансформатора и двух ключевыхловых ключей с двухсторонней проводимо- элементов, работающих в противофазе, систью модулятора 101 (10,2) и модулятора 3, ловые выводы одного из которых образуют выполненных по мостовой схеме инвертора выходы ячеек, а также демодулятор, задат. напряжения, могут использоваться полевые чик формы выходного напряжения, генератранэисторы со статической индукцией типа 15 тор тактовой частоты, подключенный к - КП 701 А, которые имеют обратное напряже- управляющим входам модулятора, демодуние Оси=600 В, большой частотный диапа- лятора, задатчика формы выходного напрязон до 1 МГц и малые потери, Этот же,тип жения; и последовательно соединенные транзисторов можно использовать а ампли- выходной аналого-цифровой блок, вход котудных квантователях 11.1 и 11,2. В зависи торого подключен к выходу демодулятора, а мости от мощности преобразователя, выход - к одному из входов компенсирую- силовой ключ может состоять из нескольких щегоделителя, регулирующий умножитель, параллельно включенных транзисторов, сумматор, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, сВ системе управления силовыми транзи- . целью расширения области использования,сторами используются оптроны типа 25 он снабжен вторйм преобразовательным .АОД 130 А. трактом, выполненным аналогично первоВ качестве сердечника высококачест- му, причем выходы амплитудных кваитовавенноготрансформатора амплитудных кван- телей первого и . второго . тоаателей 11.1, 11.2. используются преобраэовательныхтрактов соединены поферритовые кольца марки М 2000 НМ 1, кото следовательно и подключены на силовой рые обеспечивают работу трансформатора вход демодулятора, каждый преобразова- на выСОкой чаСтОтЕ дО 100 кГц, Размеры и тельный тракт дополнительно содержит иэтип ферритового сердечника, а также коли- меритель амплитуды напряжения питания, чество ви тков в каждой обмотке определя- детектор нулевого напряжения, два делите- ются частотой промежуточного 35 ля, аналого-цифровой блок и умножитель, высокочастотного преобразователя и мощ- причем вход измерителя амплитуды напряностью преобразователя, В качестве анало- жения питания и детектора нулевого напряго-цифровых блоков 6, 16.1, 16.2жения каждого преобразовательного используется интегральный быстродейству- тракта обьединены с входом модулятора со-.ющий АЦП типа 1113 ПВ 1, .40 ответствующего преобразовательного тракСхематическая реализация детектора та, выход детектора нулевого напряжениянулевого напряжения освещена в моногра- подключен к соответствующему входу нафии Шило В.Л, Линейные интегральные схе- чальной установки задатчика формы выходмы в радиоэлектронной аппаратуре. - ного напряжения, а выход измерителя М,:Соа. радио, 1979, с. 185-188. 45 амплитуды напряжения питания кодномуиэРеализация блоков деления 7, 14.1, 14.2, входов первого делителя, на другой вход15.1, 15.2 умножения 9, 17 1, 17.2 суммирова- которого подключен соответствующий аыния 8 подробно рассмотрена в монографии: ход задатчика формы выходного напряжеСамофалов К.Г, Корнейчук В,ИТарасенко ния, выход первого делителя подключен В.П, Электронные цифровые вычислительные 50 поразрядно к управляющим входам второй машины. - Киев: Вища школа, 1976., группы силовых ячеек амплитудного квантоВсе вичислительные цифровые блоки, а вателя и к одному иэ входов второго делитетакже счетчики.и элементарные логические ля, а на его другой вход подключен выход схемы реализованы на базе интегральной аналого-цифрового блока, входкоторогосо.серии К 555. В качестве блоков памяти 20,21 55 единен с выходом амплитудного квантоааиспользуется перепрограммируемое посто-. теля, а выход второго делителя соединен с янное запоминающее устройство серии, одним из входов умножителя соответствуюК 573 РФб. В схеме генератора тактовой час- щего преобразовательного тракта, на друтоты 4 используется кварцевая стабилиза- гой вход которого подключен выход ция частоты. регулируемого умножителя, а выход пораз)"рвдно подключен к управляющим входам,ичных счетчика, выходы которых подклачепервой группы силовых ячеек амплитудного нысоответственно к адресным входай 4 аух: квантователя, причем выходаналого-цифро- . блоков памяти, причем счетные входы циквых блоков каждого из преобразовательных лических двоичных счетчиков обьедюнейы и трактов также подключены к выходам сум- использованыкакуправляющиевходы,а.вхс- матора, выход которого подключен к второ- ды обнуления йспользованй) как входММ мувходукомпенсирующего.делителя. . чальной установки задатчика фоФЙМ2. Преобразователь по и. 1, о т л и ч а ю- выходного йапряжения, в качестве выходов: щи й с я тем, что задатчик формы выходного которого использованы выходы блоков памяйапряжения содержит два циклических дво- ти,)1814177 Составитель К.Уруби Техред М,Моргентал дактор Г,Бельска рректор Н.Корол СССР Производстве ательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 10 Заказ 1832 Тираж . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5