Регулятор переменного напряжения со звеном высокой частоты

Союз Советских Социалистических РеспубликфГосударственный комите Совета Министров СССР ополнительное к авт. свид-ву 1) М. Кл.з 6 05 Г 1/44Н 02 Р 13/16 7,4 (21) 2042956/О 22) Заявлено рисоединением заявки Ме(088.8) 2,77. Бюллетень М о делам нзобретенн ткрытнн Дата опубликования описания 30,03.77А. В. Кобзев и Г, Я. Михальчеико Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники(54) РЕГУЛЯТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ НМ Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти прцмецеш 1 е, например, в стабилизаторах напряжения радиоэлектронной аппаратуры, в регуляторах и стабилизаторах различных электротехнических установок в тех случаях, когда требуется повышенное качество выходного напряжения и пониженные масса и габариты этих устройств.Известен регулятор переменного напряжения со звеном высокой частоты, содержащий тиристорный модулятор, нагруженный на первичную обмотку высокочастотного трансформатора, и тиристорный демодулятор, входом подключенный ко вторичной обмотке этого трансформатора, а также систему управления с задающим генератором и с двумя управляемыми фазосдвигаемыми блоками. Однако известный регулятор имеет пониженные энергетические показатели и повышенную массу. Основной причиной этого является использование в качестве модулятора последовательных инверторов с принудительной коммутацией и связанное с этим нерациональное построение системы управления.Предложенный регулятор отличается от известного тем, что в нем в качестве модулятора применен обратимый параллельный цнвертор напряжения, в качестве демодулятора - непосредственный преобразователь частоты по мо- стОВОЙ схеме, а блок упраВлеция содерж 11 Т авогенератор, синхронизированный через блок задерхккц от упомянутого задающего генератора и своими выходами связанный через двухвходовые логические схемы И с управляющими входами тцристоров модулятора, датчик входного напряжения, выходом соединенный со входами упомянутых двухвходовых схем И ц с задающим генератором, датчики выходных напряжения и тока, выходами свя занные через трехвходовые логические схемыИ с тирцсторами демодулятора, причем остальные входы логических схем И подключены к задающему генератору непосредственно и через управляемые фазосдвцгающце бло ки.Это позволяет уменьшить массу регулятораи улучшить его энергетические показатели,На фцг. 1 показана схема регулятора переменного напряжения со звеном высокой частоты; на фцг. 2 - временные диаграммы, цоясцяюцВе работу регулятора; ца фцг, 3 ц 4 варианты выполнения логических элементов.Регулятор переменного напряжения со зве 1 юм Высокоц 1 астоты содержит Высо.Очастотцый трансформатор 1 с модулятором ца тиристорах 2, 3 и 4, 5 коммутирующим конденсатором 6, тирцсторамц 7, 8 сброса реактивной энергии и дросселем 9 в его первичной цепи.Во вторичной цепи трансформатора 1 включен ЗО мостовой демодулятор на тцрцсторах 10 - 13и 14 - 1, выход которых через флтр 18 подключен к нагрузке 19. Регулятор также содержит датчики напряжения 20, 21 н тока 22, двухвходовые логические схемы 23 и трехвходовые схемы 24. Синхронизированный автогенератор 25 выходом через двухвходовые логические схемы И 23 подключен к управляющим электродам тиристоров 2 - 8 инвертора первичной цепи высокочастотного трансформатора, а входом через устройство задержки 26 - к задающему генератору 27, к которому также подключены входы фазосдвигающих устройств 28, 29, а их выходы и выходы упомянутых генераторов 25, 27 через трехвходовые логические схемы И 24 соединены с управляющими электродами тиристоров 10 - 17 вторичной цепи трансформатора 1. Датчик нанряжешгя 20 входом подключен к напряжению сети, а выходом к одному из двух входов логических схем 23. Датчики напряжения 21 и тока 22 нагрузки подключены ко входам логических схем 24. Демодулятор выполнен по мостовой схеме на встречно-параллельных тиристорах в каждом плече с естественной комму гацисй.На фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу регулятора, где 30 - напряжение сети; 31 - ток нагрузки; 32 - импульсы задающего генератора 27 (фиг. 1);33 - импульсы синхронизированного автогенератора 25; 34, 35 - управляющие импульсы тир и стор ного модулятора в первичной цепи трансформатора 1; 36 - напряжение вторичной обмотки трансформатора 1; 37, 38 - импульсы, действующие на выходе фазосдвигающих устройств 28, 29 соответственно; 39 - 42 - управляющие импульсы тиристорного демодулятора во вторичной цепи трансформатора 1;43 - 46 - временные диаграммы переключения тиристоров демодулятора; 47 - выходное напряжение регулятора переменного напряжения.На фиг. 3 показана одна ячейка, собранная на двухвходовых логических элементах И, где 48, 49 - двухвходовые логические схемы И, выполненные на транзисторах. К одним из входов 50 подключены обмотки синхронизированного автогенератора 25, вторыми входами 51 являются эмиттер-базовые переходы транзисторов 7. Выходные зажимы 52 транзисторов объединены и через отсекающий диод подключены к управляющему электроду, например, тиристора 3 (фиг, 1). Управляющие электроды остальных тиристоров первичной цепи соединены с выходом синхронизированного автогенератора через аналогичные ячейки,На фиг, 4 показана ячейка, собранная на трехвходовых логических схемах И 53, 54 и выполненная на базе последовательно соединенных транзисторов 55, 56, Цифрами 57, 58, 59 обозначены каждый из входов элемента, а выход 60 является общим и через отсекающий диод подключен к управляющему электроду одного из тиристоров вторичной цепи трансформатора 1,10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 Указанные на фиг. 3 и 4 логические ячейки могут выполняться и на серийно выпускаемых интегральных микросхемах с последующим включением усилителей.Работу регулятора рассмотрим для наиболе общего случая активно-индуктивной нагрузки, когда напряжение сети 30 (фиг. 2) опережает ток нагрузки 31 на некоторый угол и.При включении питания задающий генератор 27 (фиг. 1), который может быть выполнен на основе как трансформаторов-синхронизаторов при соединении вторичных обмоток трансформаторов в зигзаг, так и на основе синхронизированных с сетью автогенераторов Роэра, начинает формировать импульсы 32 с заданной частотой (в описании рассматривается вариант, когда задающий и синхронизированный автогенераторы выполнены на основе автогенераторов Роэра). Следует отметить, что синхронизации задающего генератора с сетью может и не быть, для устойчивой работы регулятора достаточно синхронизировать автогенератор 25 и фазосдвигающие устройства 28, 29 с задающим генератором. Импульсы 32 поступают на вход устройства задержки 26 на выходе которого действуют узкие импульсы длительностью у (фиг. 2), равной времени восстановления запирающих свойств тиристора. В качестве устройства задержки может быть использован, например, ждущий блокинг-генератор, запускаемый фронтами импульсов 32. Импульсы устройства задержки длительностью у и являются синхронизирующими для синхронизированного автогенератора 25, на выходе которого формируются импульсы 33, задержанные относительно импульсов задающего генератора, на строго фиксированное время у. Эти импульсы 33 поступают на вход логических схем 23, работу которых поясним на примере конкретной схемы, изображенной на фиг, 3.Выходные обмотки синхронизированного автогенератора 25 подключены ко входам 50, причем к эмиттеру транзистора схемы 48 подключено начало обмотки, а к эмиттеру транзистора схемы 49 - конец. На входы 51 подаются сигналы с датчика напряжения 20 (фиг. 1) с полярностью, указанной на фиг. 3. Г 1 ри положительной полуволне напряжения сети 30 полярность на входах 51 логических элементов соответствует полярности, указанной на фиг. 3 без скобок. Это предполагает, при наличии напряжения питания транзисторов схем 48, 49, в качестве которого служат импульсы 33 (фиг, 2), открытое состояние транзистора схемы 48 и закрытое состояние транзистора схемы 49. Однако импульсы на выходе 52 будут появляться лишь при положительной полярности импульсов 33, действующих на входе 50. При отрицательной полуволне напряжения сети 30 (полярность на входах 51 указана на фиг, 3 в скобках) транзистор схемы 48 закрывается, а транзистор схемы 49 открывается, поэтому на выходе 52 будут действовать отрицательные полуволны импульсов ЗЗ.Так формируются импульсы 34. Импульсы 35 формируются аналогичной ячейкой, у которой начала обмоток, подключенных ко входам 50. зключены наоборот. Указанные импульсы 34 и 35 подаются на управляющие электроды тиристоров 2, 3 и 4, 5 соответственно. Тцрцсторы 2, 3, 4, 5 переключаются с повышенной частотой согласно импульсам 34, 35, причем в интервалах времени а, и ав проводящем состоянии попеременно будут находиться тиристоры 3 и 4, а в интервалах а,с и сс 1 - тиристоры 2 и 5. Диаграммы проводящего и закрытого состояния тиристоров в указанных интервалах в точности соответствуют длительности импульсов 34 и 35 (открытое состояние тирцсторов 3, 5 и 2, 4 соответственно) и длительности пауз между импульсами (закрытое состояние этих тиристоров). Такое переключение тцристоров подключает первичные полу- обмотки трансформатора 1 к одноименному зажиму сети либо началом либо концом, а при переходе напряжения сети через ноль остается подключенной к одноименному зажиму сети тот конец или начало полуобмоток, которые были последними подключены в предыдущем полупериоде напряжения сети. Это позволяет сформировать во вторичной обмотке трансформатопа 1 высокочастотное напряжение 36 с синусной огибающей и, кроме того, позволяет изменить полярность этого напрякения 36 прц изменении полярности наппяжения сети 30.Каждый из тирцсторов 7 и 8 включается на весь полупериод напряжения сети ц вместе с дросселем 9 служит для сброса реактивной энергии.Выпрямление и регулирование высокочастотного напряжения 36 осуцествляет демодулятор на тиристорях 10 - 17 во вторичной пепи тряцсформатора, на управление которымц через трехвходовые логические схемы И 24 полают импульсы 32 задающего генератора, импульсы 33 сицхпонизированного явтогецератора, я также сдвинутые по фазе на угол регулирования ац импульсы 37, 38. Сдвиг этих импульсов осмшествляют фазосдвцгаюшце устройства 28, 29 с регулцпуемымц угламц задеркки аи опережения рс, на вход которых поступают импульсы 32 задающего генепатора.Принцип с 1 ормирования логцческимц элементами требуемых пос,чедовательностей импульсов рассмотрим на ппимере работы логической ячейки, изображенной на фиг, 4.На входы 58 этой ячейки подаются сигналы, например, с датчика наппяжения, а на входы 59 - с датчика тока с полярностью, указанной на фиг. 4, причем полярность, указанная без скобок, соответствует положительным полуволнам напряжения и тока (интервал времени а. на фиг. 2). На входы 57 логических схем 53 и 54 подключены выходные обмотки синхронизированного автогенератора 25 и фазосдвигающего устройства 29 соответственно. В указанном интервале а, в проводящем состоянии находятся транзисторы схем 53 прц 10 15 2 О 25 30 35 40 45 50 55 60 5 положительной полярности цапрякения 33. В момент перехода напряжения сети 30 через ноль (интервал а) полярность на входах 58 меняется на обратную (на фцг. 4 эта полярность указана в скобках). транзистор 55 логической схемы 53 закрывается, но открывается одноименный транзистор схемы И 54, поскольку и транзистор 56 этой схемы возбужден, то на выходе 60 теперь будут действовать отрицательные импульсы 38. Прц изменении направления током 31 транзисторы 56 обеих логических схем 53, 54 закрываются и на выходе 60 управляющие импульсы не появятся до следующей смены направления тока 31. Таким образом, формируются импульсы 39.Для формирования импульсов 40 необходимо включать обмотки, соединенные со входамц 57 обратно тому обозначению, что указано на фцг. 4, а для формирования импульсов 41, 42 также в протцвофазах подключаются обмотки фазосдвцгающего устройства 28, на выходе которого действ ют импульсы 37, ц задающего генератора 27. На фцг. 2 чередование работы логических схем 53 ц 54 для наглядности показано импульсами разной амплитуды (цнтервалы времени а. ц и,).Таким образом, импульсы 39, 40, 41, 42 подаются на управляющие электроды тцрцсторов 10, 11, 12, 13 соответственно.Работу демодулятора рассмотрим ця ппцмере одного мостового выпрямителя 1 О, 11, 12, 13, который работает прц положительной полуволце тока 31 (интервалы времени аи а), процессы, происходящие прц работе встречно- паря.члельно включенного моста 14, 15, 16, 17. работающего прц отрцпательцоц по,чуволне тока (интервалы - аь - а, ), совершепнацалогпчны.В момент времени, когда ток 31 псрехочит через нулевое значение и становится положи тельцым, в работу вкчючяется с выпрямцтсльного режима мост 10, 11, 12, 13. Напряжение 36 вторичной обмотки высокочастотного трацсформатора 1 в этот момент времени полокительно и полярность его соответству ет полярности, указанной ня фцг. 1 без скобок.,Логические схемы 24 прп этом пропускают управляющие импульсы только на два тцрцстора 11, 13, которые открываются, ц ток нагрузки протекает по цепи; (+) втопцчной обмотки трансфопматора 1, тцрцстор 11, фильтр 18, нагрузка 19, датчик 21, фильтр 18, тиристор 13, ( в ) вторичной обмотки. Временные диаграммы 43. 44, 45, 46 проводящего (зацтрцховацные площадки) ц непроводящего (незаштрцхова нные площадки) состояний тир цсторов показывают, что в интервале времени- Ь в проводящем состоянии находятся тцристоры 11, 13. В момент времени 1. высокочастотное напряжение 36 меняет свою полярность на обратную (на фиг. 1 показана в скобках), создавая условия для включения тцрцсторов 10, 12, однако в отличие от (прототипа) управляющий импульс 40 поступает только на тиристор5 1 О 15 20 25 зо 35 40 45 50 55 60 65 12, который, включаясь, коммутирует тиристор 11 ц закорачцвает нагрузку 19, создавая цепь для протекания реактивного тока нагрузки по цепи; нагрузка 19, датчик 22, фильтр 18, тцристор 13, тцрцстор 12, фильтр 18, нагрузка 19, Поскольку в интервале времени 1. - 1 включены тцрцсторы 12, 13, а тиристоры 10, 11 закрыты, то модулятор с высокочастотным трансформатором переходит в режим холостого хода ца указацпое время- 1 з, Прц достижении угла регулирования ар па тцристор 10 поступает управляющий импульс 42, тиристор включается, коммутируя тиристор 13, и обмотка трансформатора 1 снова подключается к нагрузке 19, ток в этом интервале- , протекает по цепи: (+) вторичной обмотки трансформатора, тиристор 12, фильтр 18, нагрузка 19, датчик тока 22, фильтр 18, тиристор 10, ( - ) обмотки трансформатора. В момент времени 1 напряжение вторичной обмотки трансформатора снова меняет свою полярность, создавая условия для включения тиристоров 11, 13, однако включается по управляющему импульсу 39 только тиристор 11, коммутируя тиристор 12, нагрузка снова закорачивается, а регулятор переходит в режим холостого хода. При достижении угла регулирования пр включается тиристор 13 и нагрузка подключается ко вторичной обмотке трансформатора 1,Далее описанные процессы повторяются до тех пор, пока напряжение сети 30 не изменит свою полярность, с этого момента выпрямительцый мост 10 - 13 переходит в инверторцый режим.Его работу удобно рассмотреть с предыдущего полупериода напряжения высокой частоты, когда мост еще работал в выпрямительном режиме. Управляющие импульсы 40, 42 поступали на тиристоры 12, 10, и ток нагрузки протекал по описанной выше цепи для случая, когда полярность напряжения вторичной обмотки трансформатора соответствовала полярности, указанной на фиг, 1 в скобках (интервал времени 1 з в .,). При переходе напряжения сети через ноль напряжение вторичной обмотки трансформатора меняет свою полярность, создавая тем самым условия для включения тиристоров 11, 13, Однако управляющие импульсы 40, 42, благодаря логическим элементам И (см. фиг. 2) поступают на те тцристоры, которые были включены в предыдущем полупериоде напряжения высокой частоты, т, е, ца тиристоры 10, 12, По этой причине ток, определяемый активно-индуктивным характером нагрузки, будет протекать по-прежнему по указанной цепи, но теперь уже навстречу напряжению вторичной обмотки трансформатора, так как полярность этого напряжения изменилась (показана на фиг. 1 без скобок).При достижении опережающего угла регулирования Рр логическая ячейка пропускает импульс 39 на тиристор 11, который, включаясь, коммутирует тиристор 12 и закорачивает нагрузку в напряжен на нагрузке равно цу. лю. В момент времени 1 управляющий импульс 41 с обмотки задающего генератора поступает ца тиристор 13, который включаясь, коммутирует тиристор 10 и переводит мост в выпрямительный режим. Спустя время у полярность вторичной обмотки трансформатора 1 меняется на обратную (на фиг, 1 в скобках), и мост автоматически переходит в инверторный режим.Далее описанные процессы повторяются до тех пор, пока ток не изменит своего направления. С этого момента в работу включается биполярно включенный мост 14 - 17 с выпрямительного режима, так как на входах 59 описанных логических ячеек (фиг. 4) полярность становится запирающей для обоих транзисторов 56 ц управляющие импульсы в течение интервалов а и а, на мост 10 - 13 поступать це будут.У другой группы аналогичных ячеек, подключенных к управляющим электродам тиристоров 14 - 17, полярность на указанных входах 59 будет отпирающей, и они будут таким же образом управлять этим мостом.Таким образом, на выходе регулятора действует напряжение 47, регулирование которого осуществляется сдвигом по фазе управляющих импульсов. Совершенно очевидно при рассмотрении диаграмм переключения тиристоров, что увеличение углов регулирования ар ц Рр приводит к увеличению нулевой полочки Ь - 1, а следовательно, к уменьшению выходного напряжения. Изменяя углы ар и рр от 0 до 180, можно регулировать выходное напряжение от нуля до максимального значения. Формула изобретения Регулятор переменного напряжения со звеном высокой частоты, содержащий тирцсторцый модулятор, нагруженный на первичную обмотку высокочастотного трансформатора, ко вторичной обмотке которого подключен вход тиристорного демодулятора, систему управления с задающим генератором и двумя управляемыми фазосдвигаемымп блоками, а также датчики входного и выходного напряжений и датчик выходного тока, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью уменьшения массы п улучшения энергетических показателей, в качестве модулятора применен обратимый параллельный инвертор напряжения, в качестве демодулятора - непосредственный преобразователь частоты, а блок управления снабжен автогенератором, связанным через блок задержки с упомянутым задающим генератором и подключенным своими выходами через двухвходовые логические схемы И к управляющим входам тиристоров модулятора, причем выход датчика входного напряжения соединен со входами упомянутых двухвходовых схем И и с задающим генератором, выходы датчиков выходных напряжения и тока соединены через трехвходовые логические схемы И с ти548848 10 юг / ристорами демодулятора, а остальные входы этих схем И иодключены к задающему генератору непосредственно и через указанныефазосдвигающие блоки.Составитель Г. МыцикРедактор В. Девятов Техред А. Камышникова Корректор И. ПозняковскаяЗаказ 53514 Изд. М 245 Тираж 1069 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета Совета Министров СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Ра,шскаи наб., д. 4/5 Типография, пр. Сапунова, 2