Способ автоматического регулированияпостоянного напряжения и устройстводля его осуществления

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Союз Советских(22) Заявлено 14 Д 174 (21) 2075897/24-07 )М 1 Л с присоединением заявки йо С 05 Г 1/52Н 02 М 7/04 фН 02 М 3/10 Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий(088.8) Дата опубликования описания 1501 В 1(71) Заявитель Томский ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.С.М.Кирова(54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к способам автоматического регулирования постоянного напряжения и может быть использовано в импульсных системах автоматического регулирования, в частности в стабилизированных преобразователях напряжения.В импульсных системах автоматического регулирования широко извест. но астатическое регулирование, основанное на сравнении напряжений двух автогенераторов, один из которых опорный, другой - преобразователь непрерывного сигнала в частоту 1 и 2 Д.При таком регулировании возникает проблема синхронизации частот авто- генераторов в особенности при переходных режимах. интеграторы на усилителях постоянных напряжений обладают существенным дрейфом нуля. Поэтому на практике при регулировании напряжения с помощью широтно-импульсной модуляции используется способ, основанный на суммировании двух знакопеременных напряжений прямоугольной формы одинаковой частоты, в котором регулирование ширины импульсов оеализуется путем сдвига фаз суммируемых напряжений 13).В этих устройствах, также нарушается синхронизация частоты, чтоприводит в системах автоматическогорегулирования к сложным переХоднымпроцессам и снижению надежности,При регулировании напряжения прямоугольной формы применяют ключ переменного тока. Входное постоянноенапряжение при этом способе инвертируют. Полученное после инвертирования знакопеременное напряжение регулируют по ширине с помощью ключа, 15 управляемого посредством широтно-импульсной модуляции. При таком способе обеспечивается плавное статическое регулирование ширины импульсов 14.Устройство, реализующее известный 20 способ, содержит последовательно соединенные инвертор генератор), ключпеременного тока, выпрямитель, сглаживающий фильтр. Ключ управляетсяот широтно-импульсного модулятора, 25 имеющего два входа,с силозыми иуправляющими входными выходами. Ключпеременного тока выполнен на двухтрансформаторах, один из них подключен к инвертору, а первичная обмотка 30 второго связана со втооичной обмот 796815кой первого трансформатора черездиоды и ключевой элемент. Выходомключа является вторичная обмоткавторого трансформатора, а управляющий вход ключевого элемента подклю;чен к выходу широтно-импульсного модулятора 5,При автоматическом регулированиинапряжения ошибка в системах стабилизации постоянного напряжения сводится к нулю при астатическом регулировании. Однако такой способ непозволяет реализовать астатическоерегулирование.Цель изобретения - повышение точности выходного напряжения путем реализации астатического регулирования. 15Поставленная цель достигается путем формирования дополнительногознакопеременного напряжения прямоугольной Формы с у 4 военной амплитудой по отношению к выходному напряжению ключа, вычитания из этого дополнительного напряжения знакопеременного напряжения, полученного послеинвертирования, и осуществленияширОтнО импульснОЙ мОдуляции В функции полученной разности.В устройстве, реализующем способ,силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора подключаютсямежду концами последовательно соединенных обмоток первого и второготрансформаторов.Кроме того, широтно-импульсный мо. дулятор выполнен в виде двух магнитносвязанных посредством общей обмотки управления дросселей, каждый из З 5которых включен между упомянутымиконцами последовательно соединенныхобмоток трансформаторов, а выход модулятора образован концами разныхтрансформаторов, при этом могут быть 40использованы как дополнительно введенные обмотки разных трансформаторов,так и дополнительно введенная обмотка второго трансформатора и вторичнаяобмотка первого трансформатора. 45В варианте с использованием интегральной широтно-импульсной модуляции модулятор выполнен в виде однофазного инверторного моста на транзисторах, причем входы транзисторовобразуют силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора, в однудиагональ моста включен конденсатор,а другая диагональ образует входныеуправляющие выводы модулятора, модулятор целесообразно выполнять на 55транзисторах разного типа проводимости, базы транзисторов разной стойкиобъединяют между собой и вместе сточками объединения эмиттеров транзисторов образуют силовые входные Щвыводы широтно-импульсного модулятора. На фиг. 1 показана структурнаясхема системы автоматического регу лирования, реализующая предлагаемый способ, на фиг. 2 - временные диаграммы напряжений в системе; на фиг. 3 - принципиальная схема соединений узлов инвертор - ключ ; модуля. тор предлагаемого устройства с магнитным модулятором ширины импульсов; на фиг4 - принципиальная схема соединений узлов инвертор - ключ - модулятор предлагаемого устройства с ,использованием интегральной широтно. импульсной модуляции,Входное постоянное напряжение инвертируется с помощью инвертора (генератора) 1 (фиг.1). На выходе инвертора получают знакопеременное напряжение О (Фиг.2) прямоугольной формы. После регулирования этого напряжения с .помощью ключа 2 переменного тока (Фиг.1) получают знакопеременное напряжение О прямоугольной формы с регулируемой длительностью импульсов. Ключ 2 при этом должен замыкаться и размыкаться с частотой в два раза большей частоты инвертирования. Формируют дополнительное знакопеременное напряжение 2 О (фиг.2) прямоугольной формы с удвоенной амплитудой по отношению к выходному напряжению О 2 ключа. Из дополнительного знакопеременного напряжения 2 Овычитают знакопеременное напряжение О 4, полученное после инвертирования, и осуществляют широтно-импульсную модуляцию в функции этой разности О, т.е. разности напряжения 2 О и найряжения О .Управление ключом 2 от модулятора 3 неполное, т.е. модулятором происходит только выключение ключа, а включение обеспечивается ключом самостоятельно в момент изменения полярности напряжения О . Знакопеременное напряжение О с выхода ключа 2 преобразуют в выходное постоянное. Такое преобразование может быть реализовано в блоке 4, либо путем непосредственного выпрямления напряжения О 2, либо путем усиления напряжения О 2 по мощности и выпрямления. Выпрям ленное напряжение фильтруют, получая тем самым выходное напряжение Он. Последнее сравнивают с заданным напряжением О 0 и отрабатывают полученный сигнал рассогласования О с помощью широтно-импульсной модуляции (фиг,1).Из временных диаграмм следует, что изменение полярности напряжения О,р,по времени совпадает с задним фронтом импульсов напряжения О. Так как задний фронт импульсов определяется модулятором 3 в функции напряжения О, то в установившемся режиме при любой длительности импульсов напряжения О отключение ключа 2 происходит в момент спустя полпериода после изменения полярности напряжения О. Отсюда, в установившемся:с+ а д ОЧ (с) 30 и п-го импульса бО режиме гнал рассогласования Оу является постоянной величиной не зависящей от длительности импульсовнапряжения О и от нагрузки, приклацываемой на выходе системы регулирования. Следовательно, предлагаемыйспособ позволяет реализовать астатическое регулирование,Возьмем длительность первого услов. нопринятого импульса напряжения. ОТ=Г+ а д Оч(с),) О где Р - длительность предыдущегоимпульса напряжения О "а - постоянная, зависящая откоэффициента передачи модулятора,дО - отклонение управляющего наЧсряжения О модулятора или сигнала рассогласования от номинального (за номиналь-.ное значение принято такое значение управляющего напряжения, при котором длительность импульсов не изменяется),время.Длительность второго импульса 2 С:с+ а дОч (с) . (2)Длительность третьего импульса Ъ ь- (4)Подставим значение Сл из уравнения (1) в (2) и полученное значение С из (2) в (3) последовательно полу- чим о И Г,с+ ЕдО,(с),о При большой частоте инвертирования приближенно можно принять Ги - о+ а Д доч(с)дс. (5) Последнее уравнение показывает, что длительность импульсов напряжения О и, следовательно, величина напряжения О на выходе, системы зависит не от величины сигнала рассогласования О , а от интеграла отклонения сигнала рассогласования от номинального значения, что позволяет реализовать астатическое регулирование.Характерной чертой предлагаемого астатического регулирования является то, что при его реализации отпадает проблема синхронизации частот, так как частота следования импульсов напряжения О всегда равна частоте инвертированйя. Таким образом создаются новые возможности астатического регулирования.В устройстве (фиг.3,4) ключ переменного тока выполнен на двух трансФорматорах, первый из которых подключен кинвертору 1, первичная обмотка второго связана со вторичной обмоткой первого трансформатора через диоды 5 и 6 и ключевой элемент 7.Входом ключа является первичная обмотка первого трансформатора, т.е.трансформатора 8, выходом ключавторичная обмотка второго трансформатора, т.етрансформатора 9. Силовыевходные выводы широтно-импульсногомодулятора подключены между концамипоследовательно соединенных обмоток10 и 11, и аналогично между концами,обмоток 12 и 13. Обмотки 10 и 12 являются обмотками трансформатора 8,обмотки 11 и 13 - трансформатора 9.Формирование дополнительного знакопеременного напряжения происходит вобмотках 11 и 13. Для этого ЭДС вэтих обмотках должна быть по амплитуде в два раза больше, нежели в обмотках 10 и 12. Вычитание знакопеременного напряжения, полученногопосле инвертирования, из дополнительного напряжения происходит путемвышеуказанного последовательноговключения обмоток 10, 11 и 12, 13 сучетом полярностей ЭДС. Для поддержания напряжения в трансформаторе 9во время паузы равным нулю используется отсекающая ЭДС и диод 14. Призакрытом ключевом элементе 7 черезвторичную обмотку трансформатора 8,диод 5 или б, первичную обмоткутрансформатора 9 и через диод 14 про.ходит ток, обеспечивающий постоянство магнитного потока трансформатора9. Напряжения, снимаемые с выходныхобмоток трансформатора 8, должныбыть равны сумме отсекающей ЭДС ипадений напряжений в прямом направлении на диодах 14 и 5 (или 6) . В устройстве с магнитным широтно- импульсным модулятором (фиг.З) модулятор 3 выполнен в виде двух магнитносвязанных посредством общей обмотки управления дросселей, один из которых включен между концами последовательно соединенных обмоток 10 и 11, а другой - между концами последовательно соединенных обмоток 12 и 13. Выход модулятора образован концами 10-13. В качестве обмоток 10 и 12 могут быть использованы дополнительные обмотки трансформатора 8.Ключевой элемент 7 открывается вмомент измерения полярности напряжения О,( напряжением, подаваемым с обмоток 11 и 13. Ток базы транзистора(элемента 7) огр=ничивается резистором 15. При насыщении очередногосердечника модулятора 3 элемент 7запирается напряжением обмоток 10и 12. Допустим, что в один из полупериодов полярность напряжения такова, что открыт диод 16, элемент 7 -открыт. При насыщении в этом полупериоде сердечника 17 к базе транзистора будет приложено напряжениеположительной полярности и произойдет запирание транзистора. Так какк рабочим обмоткам магнитного модулятора будет приложено знакопеременное напряжение О, фаза которого такова, что изменение его полярности совпадает с заданным фронтом выходных импульсов, то в системе автоматического регулирования в установившемся режиме ток обмотки управления дросселей будет такой величины, что сердечник будет насыщаться в течение полупериода после изменения полярности напряжения Ощ,. Отсюда, в установившемся режиме управляющий сигнал модулятора (ток обмотки управления дросселей), являющийся, сигналом рассогласования системы автоматического регулирования, будет постоянной величины, независящей от 15 длительности импульсов напряжения О, т.е. уравнения (1) в (5) справедливй а значит предлагаемое устройство позволяет реализовать астатическое регулирование, 2 ОВ устройстве (фиг,4) с интегральной широтно-импульсной модуляцией ключевой элемент 7 открывается при помощи транзистора 18, а последний при помощи резистора 19. Модулятор 3 р содержит интегрирующий конденсатор 20 и выполнен в виде однофазного инверторного моста на транзисторах 21-24. В одну диагональ моста включен конденсатор 20, а другая диагональ моста образует входные управляющие выводы модулятора. Модулятор целесообразно выполнять на транзисторах разной проводимости. В этом случае базы транзисторов 21 и 22 разной стойки объединены между собой и вместе с точками объединения эмиттеров этих же транзисторов образуют силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора. Аналогично базы транзисторов 23 и 24 объединены 40 между собой и вместе с точками объединения эмиттеров образуют силовые входные выводы модулятора. Один из управляющих выводов модулятора через разделительный диод 25 соединен и переход база-эмиттер транзистора 18 со стабилитроном 26, другой вывод - с корпусом.В зависимости от полярности. знакопеременного напряжения О, опреде- Я ляемого разностью напряжений обмоток 10 и 11, а также 12 и 13, открыты диагонально расположенные транзисто-, ры 21 и 24 или 22 и 23. 11 од действием входного управляющего тока 1 у55 модулятора, являющимся в системе автоматического регулирования сигналом рассогласования, напряжение на конденсаторе 20 постепенно изменяется в интервале от -Од до +О он где О 0 П - опорное напряжение стабилитро- бО на 26. Каждый раз, когда напряжение на конденсаторе достигает по абсолютной величине значения Ооп, открывается диод 25 и закрываются транзисторы 18 и 7. С этого момента до б 5 конца полупериода транзисторы поддерживаются в закрытом состоянии при помощи резистора 27. Так как конденсатор 20 в установившемся режиме будет перезаряжаться в .течении полупериода, то в системе автоматического регулирования управляющий ток, модулятора будет постоянной величиной, независимо от длительности импульсов напряжения на выходе ключа переменного тока и нагрузки, приложенной к выходу системы регулирования. Здесь уравнения (1)-(5) так же справедливы с той лишь особенностью, что сигналом рассогласования яв ляется не напряжение, а управляющий ток 1 у модулятора. Следовательно, предлагаемое устройство с интегральной широтно-импульсной модуляцией также позволяет реализовать астатическое регулирование.Формула изобретения1. Способ автоматического регулирования постоянного напряжения путем инвертирования входного постоянного напряжения, широтно-импульсного регулирования с помощью ключа, полученного в результате инвертирования знакопеременного напряжения прямоугольной Формы, преобразования знакопеременного напряжения в выходное постоянное, его фильтрации, сравнения выходного напряжения с заданным и отработки полученного сигнала рассогласования посредством широтно-импульсной модуляции, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения точности путем реализации астатического регулирования, Формируют дополнительное энакопеременное напряжение прямоугольной формы с удвоенной амплитудой по отношению к выходному напряжению ключа, вычитают из этого дополнительного напряжения знакопеременное напряжение, полученное после инвертирования, и осуществляют широтно-импульсную модуляцию в функции этой разности.2, Устройство для осуществления способа регулирования по п.1, содержащее последовательно соединенные инвертор, ключ переменного тока,. выпрямитель, фильтр, а также широтно-импульсный модулятор с силовыми и управляющими входными выводами, выход которого подключен к управляющем входу ключа переменного тока причем ключ переменного тока выполйен на двух трансформаторах, первый иэ которых подключен к инвертору, пер" вичная обмотка второго связана со вторичной обмоткой первого трансФорматора через диоды и ключевой элемент, причем выходом ключа является вторичная обмотка второготрансформатора, а управляющий, входключевого элемента подключен к выходу широтно-импульсного модулятора,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора подключены междуконцами последовательно соединенныхобмоток первого и второго трансформаторов,3. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что широтноимпульсный модулятор выполнен в видедвух магнитносвязанных посредствомобщей обмотки управления дросселейкаждый из которых включен между упо-,мянутыми концами последовательно соединенных обмоток трансформаторов, а 15выход модулятора образован концамиобмоток разных трансформаторов.4. Устройство по п.З, о т л ич а ю щ е е с я тем, что выход модулятора образован концами дополнительно введенных обмоток разных трансформаторов,5. Устройство по п.З, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что выход модулятора образован концами.дополнительных обмоток второго трансформатора и средней точкой вторичной обмотки первого трансформатора о б. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что широтно-импульсный модулятор выполнен в видеоднофазного инверторного моста натранзйсторах, причем входы транзисторов образуют силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора,в одну диагональ моста включен конденсатор, а другая образует входныеуправляющие выводы модулятора,7. Устройство по п.б, о т л ич а ю щ е е с я тем, что модуляторвыполнен на транзисторах разного типапроводимости, базы транзисторов разных стоек которого объединены междусобой и вместе с точками объединения эмиттеров транзисторов образуютсиловые входные выводы широтно-импульсного модулятора.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР9292203, кл; Н 02 М 3/02, 1968.2. Авторское свидетельство СССР9338975, кл. Н 02 М 3/10, 1969.3, Авторское свидетельство СССР9131791, кл. Н 03 К 7/08, 1966.4. Авторское свидетельство СССР9163262, кл, Н 02 М 7/04, 1969.5. Авторское свидетельство СССР9251665, кл, Н 02 М 7/04, 1968./65 Тираж 949 ВНИИПИ Государственногопо делам изобретений и 35, Москва, Ж, Раушск Подписноекомитета СССРоткрытийая наб., д. 4/5