Регулятор напряжения с многозонной импульсной модуляцией

СОЮЗ СООЕТОНИХщнаамаэаРЕСПУЬЛИН СА О ТВУ ИОЮУ СВИДЕТ о. УДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОЧНРЫТИЙ(71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики приТомском институте автоматизированныхсистем управления и радиоэлектроники(56) 1. Современные задачи преобразовательной техники. Тезисы докладов Всесоюзной научно-техническойконФеренции. Киев, 1975, ч.4,с. 301-306,2. Авторское свидетельство СССРВ 699504, кл. Н 02 Р 13/16, 1978.3, Авторское свидетельство СССР9 754635, кл. Н 02 Р 13/14,.1980;. инверторных ячеек на полностью управляемых ключах, к выходам которыхподключены йервичные обмотки И всокочастотных трансФорматоров, втричные.обмотки которых подключенык И выпрямительным мостам, блокуправления, включавций в каждом канале по числу инверторных ячеек задающий генератор и пороговый элемент,первый вход которого предназначендля подключения напряжения. управления, о т л и ч а ю щ и й с я тем,что, с целью повышения техникоэнергетических показателей,И выпрямительных мостов включенй последовательно, блок управления выполненмногоканальным по числу ииверторных.ЯО 1022129 А з(я) 6 05 Р 1/20; Н 02 Р 13/14 ячеек, каждый канал которого снабжен расширителем импульсов, инвер-. тирующим каскадом, генератором пилообразного напряжения, сумматором, ииротно-импульсным Формирователем, неуправляемым и управляема блоками развязки и усиления, причем второй вход каждого из пороговых элементов предназначен для подключения опор" ного напряжения, выход его через задающий генератор и раевяритель импульсов. подключен к генератору пилообразного напряжения, инвертирующему каскаду и неуправляемому блоку развязки и усиления, выход которого подключен к соответствую". щей паре ключей инверторной ячейки, выходы генератора пилообразного напряжения и инвертирующего каскада подключены к первому и второму входам сумматора, третий вход которого предназначен для подключения сигна-. ла управления, выход сумматора подключен к первому входу зиротно-импульсного Формирователя, второй вход которого предназначен для подключения опорного напряжения, а вы-ход через управляемый блок развязки и усиления подключен к соответствующей паре ключей ннверторной ячейки,2. Регулятор по п. 1, о т л и .-ч а ю щ и й с я тем, что при регулировании переменного напряжения ключи и упомянутых выпрямнтельных мостов выполнены полностью управляемыми, при этом управляющие входы ключей выпрямительных мостов подклю. чены к соответствующим выходам неуправляемых блоков развязкии усиления.30 15 Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям и регуляторам переменного ипостоянного напряжений, и может бытьиспользовано при регулировании нап"ряжения в большом диапазоне присохранении высоких энергетическихпоказателей, а также в тех случаях,когда требуется высокое быстродействие регулирования и минимальнаямасса и габариты регулятора,Известны регуляторы напряжения,содержащие генератор переменной частоты, соединенный с управляющимицепями ключевых элементов, включенных последовательно с линейнымдросселем 1. Однако такие регуляторы позволяют регулировать напряжение в ограниченном диапазоне, так как снижение частоты приводит к значительно"му росту массогабаритных показателей трансформаторов и дросселей.Кроме того, увеличение диапазонарегулирования приводит к резкому рос 25ту искажений.Известны также регуляторы напряжения, содержащие высокочастотныетрансформаторы и регулируемые коммутаторы (мостовые или с выводом сред"ней точки трансформатора), первичные цепи которых соединены параллельно, а вторичные - последова"тельно через высокочастотные трансформаторы, реализующие многозонную уимпульсную модуляцию.Такие регуляторы вне зависимостиот диапазона регулирования имеютвысокие энергетические показателиэа счет незначительных искаженийпотребляемого тока и выходного напря жения, а наличие звена повышеннойчастоты позволяет снизить массу игабариты 12 .Однако такие регуляторы требуюттрансформаторной гальванической 45развязки силовых цепей и цепей управления и характеризуются низкойнадежностью при резких измененияхуправляющего сигнала, так как этоприводит к насыщению трансформато .ров, цепей управления и высокочастотных силовых трансформаторов.Наиболее близким техническим решением к предлагаемому являетсярегулятор напряжения с многоэонной 55импульсной модуляцией, содержащий . И параллельно включенных инверторныхячеек на полностью управляемых клю" чах, к выходам которых подключены первичные обмотки И высокочастотных 60 трансформаторов, вторичные обмотки которых подключены к И выпрямительным мостам, блок управления, включаю щий в каждом канале по числу инверторных ячеек задающий генератор и пороговый элемент, первых вход которого предназначен для подключения напряжения управления 3").Недостатком известного регулятора являются большие коммутационные паузы выходного напряжения и токи намагничивания, снижающие его технико-энергетические показатели. Это обусловлено тем, что вследствие синхроннос,ти работы широтно-импульсных модуляторов и каналов, моменты закрытых состояний всех ключей совпадают и в выходном напряжении присутствуют паузы, искажающие его форму и увели-чивающие его коэффициент пульсаций.В известном регуляторе также не устранена воэможность эамагничивания сердечников трансформаторов цепи управления и силовых высокочастотных трансформаторов в случае несимметрии относительной продолжительности включения плеч инвертора, продолжаю" щейся хотя бы несколько периодов коммутации инвертора. Такие режимы возникают при резких изменениях входного управляющего напряжения и создают необходимость применения специаль. ных устройств по борьбе с замагничиванием, снижающих КПД регулятора и повышающих его массу и габариты.Целью изобретения является повышение технико-энергетических показа. телей регулятора напряжения.Поставленная цель достигается тем, чтО в регуляторе напряжения с многопозиционной импульсной модуляци. ей й выпрямительных мостов включены последовательно, блок управления выполнен многоканальным по числу инверторных ячеек, каждый канал которого снабжен расширителем импульсов, инвертирующим каскадом, генератором пилообразного напряжения, сумматором, широтно-импульсным формирователем, неуправляемым и управляемым блОками развязки и усиления, причем второй вход каждого из пороговых элементов предназначен для подключения опорного напряжения, выход его через задающий генератор и расшири" тель импульсов подключен к генератору пилообразного напряжения, инвертирующему каскаду и неуправляемому блоку развязки и усиления, выход которого поцключен к соответствующей паре ключей инверторной ячейки, выхо. ды генератора пилообразного напря жения и инвертирующего каскада подключены к первому и второму входам сумматора, третий вход которого предназначен для подключения сигнала управления, выход сумматора подключен к первому входу воротно-им :.пульсного формирователя, второйвход которого предназначен дляподключения опорного напряжения, авыход через управляемый блок раэввз. ки и усиления подключен к соответ- входы ключей выпрямительных мостовствующей паре ключей инверторной соединены с выходами неуправляемыхблоков 10 развязки и усиления.ячейки.Кроме того, при регулировании пе- На Фиг. 2 циФрой 17 показано вымеменного напряжения ключи И упомяну. ходное напряжение задающего генера" .тых выпрямйтельных мостов выполнены 5 тора первого канала; 18 - выходноеполностью управл еправляемыми при этом напряжение расширителя 9 импульсов;управляющие входы клюющ е входы ключей выпрямитель 19 " выход генератора 12 пилообных мостов подключены к соответствую разного напряжения; 20 - напряжениещим выходам неуправляемых блоков инвертирующего каскада 11; 21 - уп 10 равляющий входной сигнал регулятоНа фиг. 1 приведена Функциональ- .Ра; 22 - сумма напряжений 19, 20 иная схема регулятора напряжения; на 21; 23 и 24 - пороговые напряженияф 2 -временные диаграммы работы задающего генератора 8 и широтноузлов регулятора; нафиг. 3 " эпюрыимпульсного формирователя 1иг. - ват 1325напряженп яжения на нагрузке для известно выходное напряжение воротно-импульсго и предлагаемого регуляторов нап- ного формиРователя; ,27,2 и 29 -26 8ряжения; на фиг, - врефиг 4 - временные диаг- соответственно входной сигнал 6 кротрамчы, поясняющие упоясняющие устранение возмож- но-импульсного формирователя, поро. ности замагничивания сердечников говые напряжения задающего генера"трансФорматоров регулятора, 20 тора и широтно-импульсного формирорегулятор напряжения содержит И вателя и выходное напряжение аоротпараллельно включенных инверторных но-импульсного формирователя второячеек 1+И на полностью управляемых . го канала; 30 и 31 - выходные напряключах 1.1-; И, 4, в диагонали высо- . жения неуправляемого блока 10 раэкой частоты которых включены первич вязки и усиления; 3 и 3 " напряные о моте обмотки высокочастотных транс- жения управляемого блока 16 развязкиениеформаторов 2 1 - 2:И подключенных . и усиления, 34 - выходное напряженвторичными обмотками к входным за- инвертора первого канала; 35 - напжимам выпрямительных моыпрямительных мостов 3.1 - ряжение на выходе выпрямительного3,М соединенных последовательно моста первого канала; 36 - выходноеи подключенных к нагрузке 4. Блок напряжение регулятора, редсо3037 - с нее5 управления, выполнен многоканаль" значение напряжения на нагрузке;ным, каждый канал снабжен подклю- На фиг. 3 эпюра 38 означает напченным к управляющему входу регуля- ряжение на выходе выпрямнтельногоополнительным пороговым эле- моста первого канала с учетом комментомб с задающим резистором 7,З 5 мутационных пауз напряжения; 9,3.выход которого подключен к задающ -р подключен к задающе и 41 " выходные напряжения выпря-,ратору 8 с последовательномительных мостов последующих канасоединенными расширителем 9 импульсов лов; 42. - выходное напр регусвязаннйм с выходом задающего. гене- ф лятора с пжротно-импульсным управратора, н неуправляемым блоком 10 40 лением; 43-46 - напряжения на высиления, подключенным ходе выпрямительных мостов предлагаек управляющим входам ключей 1.2, 1.4- .мого регулятора, 47 - его суммарное- .2 И .4 и инвертирующим каскадом выходное напряжение.11, вход которого, объединен с кхо- На Фиг. 4 эпюра 48 от рю а 48 отоб ажаетдом генератора 12 пилообразного нап входной управляющий сигнал регуляряжения и подключен к выходу расши- тора; 49-50 - соответственно напряжение на обмотке высокочастотноготрансформатора и индукция в его серОдин вход широтно-импульсногодечнике для регулятора с широтно:формирователя 13 подключен к цепи импульсным управлением; 51 ".гранииз пороговых элементов 14, а к вто- . ца насыщения сердечника; 52 и 53 рому его входу через Сумматор 15 напряжение на обмотке высокочастотподключены выходи генератора 12 пи- ного трансформатора и индукция влообраэного иапряжения 1 инвертирую- его сердечнике для предлагаемого реф.щего каскада 11 и управляющий вход гулятора при входном управляющем сигрегулятора напряжения. Выход широт- нале 48.55но-импульсного Формирователя 13 че- регулятор работает следувзцимр 6 э управляемый блок 16 развязки образом,и усиления соединен с управляющими при включении питающего напряжевходаэы ключей 1,1 и 1.3 ииверторной ния и отсутствии управляющего входячейки 1. При регулировании пере" 60 ного сигнала. задающий генератор 8:менного напряжения выпрямительные (выполненный на компараторе, к одномосты 3.1-Э.И и ииверторные ячей- . му из входов которого приложено опор,- ки 1 -и выполнены иа полностью уп- ное напряжение, а к другому присоерааляемых ключах с двухсторонней динена емкость времяэадающей Ж-цепроводимостью, при этом управлякаде 65 пи., шунтированная транзистором, ба 1022129эа которого связана с выходом компа" ратора) формирует импульсы 17, частота которых определяется опорным нап ряжением дополнительного порогового элемента 6.Импульсы 18 с выхода расши)- рителя 9 импульсов поступают на вход неуправляемого блока развязки и усиления, выполненного на основе Э К-триг 1 гера с последовательно соединенными усилителем мощности по нулевой схеме и развязывающим трансформатором. Не управляемый блок развязки и усиления Формирует напряжения 30 и 31, управ.; ляющие ключами 1.2 и 1.4 первой инверторной ячейки.Кроме того, импульсы 18 поступают в инвертирукщий каскад 11, выполненный на логическом элементе 2 И-НЕ, который формирует напряжение 20, и на вход генератора 12 пилообразного напряжения, формирующего сигналы 19, 20 равные по длительности импульсам 18 и 20. Поступающие на сумматор 15 напряжения 19, 20 и 21 складываются в в сигнал 22, который сравнивается в широтно-импульсном Формирователе 25 13 с опорным напряжением 24, равным по величине сумме амплитуд напряжений 19 и 20. Выходное напряжение 25 на выходе широтно-импульсного формирователя равно нулю, что опре- З 0 деляет отсутствие сдвига по Фазе выходных напряжений 32 и 33 управляемого.блока 16 развязки и усиления относительно 30 и 31. Ключи инвертора работают по циклу 1;1 и З 5 1.2, 1.3 и 1.4. Выходное напряжение 34 инверторной ячейки, так же как и напряжение 35 выпрямительного моста первого канала, равно нулю, напряжение на выходе регулятора отсутствует.При появлении входного управляю- щего сигнала 21 напряжение 22 на входе широтно-импульсного формирователя 13 превышает. пороговое значение 24 и на управляейий блок 16 45 развязки и усиления поступаЮт импульсы 25, частота которых постоянна, а относительная длительность увеличивается пропорционально сигналу управления 21. Управляемый 50 блок 16 развязки и усиления форми" рует управляющие напряжение 32 и 33, сдвинутые относительно напряже" ний 30 и 31 на величину длительнос.-. ти импульса 25. Диаграммы 30"33 в 55 этом режиме соответствуют одновре-. менному замкнутому состоянию клю-. чей 1.1 и 1.2, 1.2 и 1,3, 1.3 и 1.4 1.4 и 1,1.В результате, к первичнойобмот ке высокочастотного трансформатора первого канала прикладывается напряжение 34, а на выходе выпрямитель-ного моста - импульсная последовательность 35, относительная длительность импульсов которой пропорциональна управляющему. входному сигналу. К моменту времени С, когда входное напряжение широтно-импульсного модулятора 13 достигает порого. вого значения 23, равного по величине сумме порогового напряжения 24 и пилообразного 19, фиксируется длительность импульсов (Т на фиг.2) В этот момент управляющее входное напряжение 21 превышает 1 опорное напряжение порогового элемента 6 и частота задакщего генератора 8 растет соответственно управляющему входному сигналу регулятора, за счет чего относительная длительность выходных импульсов широтно-импульсного формирователя 13 с дальнейшим увеличением управляющего сигнала стремится к единице, а диаграмма одновременного замкнутого состояния ключей - к режиму 1.2 и 1,3, 1.4 и 1.1. Среднее значение напряжения на выходе выпрямительного моста 3.1 приближается к своему максимальному уровню.В момент времени;1 пороговый элемент 6 ограничивает величину пос- тупающего на задающий генератор 8 управляющего напряжения, тем самым устанавливая частоту задающего генератора первого канала на максимальном уровне. В этот же момент времени суммарный сигнал 26 на входе широтно-импульсного Формирователя второго канала достигает порогового зна- чения 28 и на вход управляемого блока развязки и усилении второго канала начинают поступать импульсы 29, длительность которых растет до достижения напряжением 26 уровня 27, затем начинается частотно-импульсная модуляция во втором канале.С последующим ростом входного управляющего сигнала вступают в действие все каналы, вплоть до И-ного, каждый из которых работает по замкнутому циклу, сперва с широтно-импульсной, затем с частотно-импульсной модуляцией. На зпюре 36 изображе но напряжение на выходе регулятора и среднее значение мгновенного напря. жения на нагрузке 37, образованные суммой напряжений всех каналов при произвольно нарастающем входном управляющем сигнале без учета коммутационных пауз напряжения как управляющей, так и силовой цепи .На фиг. 3 изображены эпюры выходных напряжений известного и пред.". лагаемого регуляторов при нарастающем сигнале управления с учетом коммутационных пауз напряжения. При увеличении управляющего входного сигнала от нулевого уровня в регуляторе с широтно-импульсным управлением прототипе) вступает в действие инвертор первого канала, навыходе выпрямительного моста форми". руется напряжение 38, относительная длительностб импульсов которого изменяется от нуля до максимальной величины определяемой длительностьюспаузы,необходимой для переключения ключей инвертора. При достижении .длительности импульсов напряжения, иа выходе выпрямительиого моста пер вого канала максимального значения вступает в действие второй канал, напряжение на выходе выпрямитель- ного моста которого показано на. эпюре 29, затем третий канал (40), четвертый (41) и т.д.Суммарное напряжение на выходе 1 регулятора показано на эпюре 42. Как видно из эпюры 42, при любом уровне выходного напряжения сохраняются коммутационными паузы, частота кото.рых равна частоте задающего генератора. Ввиду синхронности работы схем управления, паузы, напряжения всех каналов приходятся иа одни и те:же моменты времени, что.и опреде. .ляет повышение пульсации выходного напряжения.В предложенном регуляторе напряжение на выходе выпрямительных мостов (зпюры 43-46) изменяется в каждом.канале сначала по закону воротно-импульсной, затем по закону частотно-импульсной модуляции. В результате нарушается синхронность работы каналов регулятора и коммутационные паузы напряжения не совпадают во времени. Из эпюры 47 суммарного выходного напряжения регулято ра видно, что амплитуда пульсацийвыходного напряжения предлагаемого регулятора значительно меньше (осо-. бенно пр 1. большом числе каналов И,), чем у известного, Это позволяет обходиться меньшими фильрами для .Обеспечения того же коэффициента пульсаций..Кроме того, в случае несимметрии относительной продолжительности включения плеч инвертора (например, при входном управляющем сигнале, изображенном на эпюре 48 фиг. 4) хо. тя бы в течение небольшого числа периодов коммутации инвертора, что показано на эпюре 49, неизбежно сле. дует замагничивание сердечника высокочастотного трансформатора, криваяизменения индукции которого показа"на на эпюре 50, где линия 51 означа.ет насыщение сердечника.Меры по бррьбе с замагничиванием .снижают технико"энергетические показатели регулятора. В предложенномрегуляторе напряжения за счет применения частотного регулированияисключены режимы, благоприятствую-.0 щие замагничиванню сердечников. Таккак при частотном регулированиинапряжение на выходе инвертора прикотором отображено на эпюре 52, продолжительность импульсов напряжения 5 остается постоянной, сердечники перемагничиваются до определенной постоянной величины индукции (эпюра53) и замагничивания не происходит.Таким образом, предложенное ре" 2 шение позволяет регулировть как пе"ременное, так и постоянное напряжение во всем диапазоне с сохранениемвысоких технико-энергетических показателей за счет незначительного 25 коэффициента искажений выходногонапряжения, величина которого можетбыть выбрана сколь угодно малойувеличением числа и инверторныхячеек. 0 другой стороны минималь ные искажения на промежуточной повьавенной частоте. позволяют устанавливать небольшие и компактные фильтрующие устройства с постояннымивремени, не превышающими несколькополупериодов напряженияповышенной. частоты либо вообще отказаться отфильтров, так как искажения, опреде.ляющие массу и габариты входных ивыходных фильтров, снижаются до зна.чений, не превышаецих требований 40 гост к качеству электроэнергии.Кроме того, предложенное решениедает возможность обходиться без дополнительных устройств по борьбес замагничиванием. Это позволяет 45 существенно повысить быстродействиерегулирования, уменьшить коэффициент пульсаций выходного напряжениярегулятора, повысить его КПД, расьмрить диапазон регулирования час тоты и напряжения, снизить токйнамагничивания и на этой основеисключить аварийные режимы инверторныхячеек, повышая тем самым техникоэнергетические показатели.1022129 Составитель Г. Ефимоведактор А. Шандор Техредм,тепер КорректорА. Дэят ППО фПатент, г. Ужгород, ул. Проектна Заказ 4043/40 Тираж 874 ВНИИПИ Государст по делам иэобр 11 3035, Москва, Ж