Стабилизатор переменного напряжения (варианты)

Союз СоветскикСоцнапмстнческниРеспублик ОП ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОее СКОМУ СВМДЕТЕЛЬСТВУ и 935898(51) М. Кл. С 05 Р 1/44 евюуларстееемН кюмвтет СССР юю далем кэебретеикв к открытки"Упри Томском институте автоматизированнь сис 1 ем .управления ;и радиоэлектроники(54) СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ(ВАРИАНТЫ) Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам стабилизации переменного напряжения, и может найти применение там, где необходимо стабилизировать не только среднее, эффективное или амплитудное значения переменного напряжения, но и поддерживать заданную форму выходного напряжения при изменяющейся форме входного напряжения и выходного тока, а также в стаби.лизированных источниках переменного на- Ю пряжения произвольной формы. Известен стабилизатор переменного напряжения, содержащий входной и выход 15 ной фильтры, ключевой регулирующий орган, источник эталонного ступенчато-синусоидального напряжения синхронного с напряжением сети, блок обратной связи, осуществляющий преобразование стабили 20 зируемого переменного напряжения в ступенчатое напряжение, блок сравнения, осуществляющий сравнения эталонного ступенчато-синусоидального напряжения и напряжения с выхода блока обратной связи 11.Наиболее близким техническим решением к изобретению является стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входнъм клеммам, а выходом - к.силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к выходныч клеммам, компаратор, выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, одним из входов соединенный с выходом первого выпрямителя, а другим входом - с выходом второго выпрямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения 123,Однако известные стабилизаторы переменного напряжения имеют низкую точность, обусловленную непостоянством коэффициента передачи ключевого регулирующего органа (по среднему значению)3 ОЗВЙ и ограниченные функциональные воэможности, выражаюшиеся в том, что они не способны работать в режиме регулирования по возмущению. Если ключевой регулируюший орган работает на частоте, в Н раз превышающей частоту сети, то при изменении коэффициента заполнения импульсов от О до 1 среднее выходное напряжение на каждом периоде высокой частоты изменяется от О до Оср;. Таким обф . разом, статический коэффициент передачи регулирующего органа по среднему значению напряжения на периоде высокой частоты будет изменяться от периода к периоду и его можно выразить следующим образом: ЩфВ то же время точность замкнутойсистемы стабилизации определяется, какизвестно, вьаажениемдахр1+Кгде ьХ - ошибка замкнутой системы стаЭ6 илиэаци и;ЬХр - ошибка разомкнутой системы;К - статический коэффициент передачи разомкнутой системы.Подставляя в выражение 4) вместо Квыражение (3) получимЬХ р5)д" з- (рЬк н)в 1 пИз выражения (5) видно,что прибольших И и изменении 1 от 1 до йкоэффициент передачи разомкнутой системы изменяется от нуля до максимального значения Кщ(Й), При этом ошибкаразомкнутой системы изменяется откакой-то минимальной величины до величины ошибки разомкнутой системы, чтои определяет низкую точность известныхстабилизаторов переменного напряжения.В режиме регулирования по возмущению (для этого необходимо контролировать не входную величину напряжения,а входное напряжение, для чею необходимо подключить блок обратной связина вход стабилизатора); ошибка равнаяразности входного и задающего (эталонного) синусоидальных напряжений будеттакже синусондальной, что приведет к низкочастотной модуляции выходного напряжения, т.е. в этом режиме известные стабилизаторы неработоспособны, что являетсяограничением их функциональных возможностей,Цель изобретения - повышение точности и расширение функциональных возможностей. гдеЬО - изменение среднего значениянапряжения при изменении уот О до 1,3 у - изменение коэффициента заполнения импульсов.Таким образом У 1 ПЦ 1)У 51 Ю30М Выражение (2) можно упростить: К кую(м) бд м (ъ).%-)лР 01 1 пОк гдеКк(Й)- максимальный коэффициент передачи разомкнутой системьь щ Иэ выражений (2) и (3) видно, что статический коэффициент йередачи ключевого регулируюшего органа является величиной переменной, зависящей от номе ра периода высокой частоты, на которой он работает ( 1 = 1,2,38). Статический коэффициент передачи разомкнутой системы стабилизации определяется произведением статических коэффициентов передачи всех звеньев, входящих в контур регулирования. Статичес- кие коэффициенты передачи всех остальных звеньев постоянны и для простоты примем их равными единице. Тогда ста фф тический коэффициент передачи разомкнутой системы определяется выражением (3). Укаэанная цель в первом варианте достигается тем, что известный стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к выходным клеммам, компаратор, выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, одним иэ входов соединенный с выходом первого выпрямителя, а другим входом - с выходом второго выпрямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок раэвертываюшего напряжения, снабжен блоком перемножения и блоком сум: мироваиия, причем один из входов блока перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, другой входс выходом блока формирования опорного напряжения и первым входом блока суммирования, а выход блока перемножения подключен ко второму входу блока суммирования, выход которого подключен ковходу первого выпрямителя, при этом 10 вход второго выпрямителя соединен с клеммами для подключения сравниваемого напряжения, которые могут быть подключены как к входным, так и к выходным клеммам. 15Во втором варианте указанная цельдостигается тем, что тот же известныйстабилизатор переменного напряженияснабжен блоком перемножения и блокомсуммирования, причем первый вход блока щперемножения соединен с выходом блокаразвертывающего напряжения, второйвход - с клеммами для подключения сравнивающего напряжения и первым входомблока суммирования, второй вход которо р 5го соединен с выходом блока перемножения, а выход блока суммирования подключен ко входу первого выпрямителя, причем выход блока формирования опорногонапряжения соединен со входом второговыпрямителя, при этом клеммы для подключения сравниваемого напряжения могут быть поцключены как к вкоцным,так и к выхопным клеммам,На фиг. 1 приведен первый вариант блок-схемы предлагаемого стабилизатора; на фиг. 2 - второй вариант; на фиг, 3, - 4 приведены временные диаграммы работы первого и второго вариантов стабили О заторов соответственно.Устройство .по первому варианту (фиг, 1) состоит из первого фильтра 1, входом подключенного к входным клеммам, .а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа 2, второго фильтра 3, входом соединенного с выходом ключевого регулирующего органа 2, а выходом - с выходными клеммами, компаратора 4, выходом соединенного с управляющим входом ключевого регулирующего органа 2. Второй выпрямитель 5, входом соединенный с первым входом компаратора 4, второй вход которого соединен с выходом первого выпрямителя .6, вход которого соединен с выходом блока суммирования 7Блок 8 формирования опорного напряжения входом подключен к входным клеммам, а выходом - к первому входу блока суммирования 7 и ко второму входу блока перемножения 9, выход которого соединен со вторым входом блока суммирования 7, а первый вход с блоком развертывающего напряжения 10. При этом в режиме регулирования по возмущению вход второго выпрямителя 5 соединен с входными клеммами.Устройство по второму варианту (фиг. 2) содержит тервый фильтр 1, входом подключенный к выходным клеммам, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа 2, выход которого соединен со входом второго фильтра 3, выход которого соединен с выходными клеммами.Управляющий вход ключевого регулирующего органа 2 соединен с выходом компаратора 4, второй вход которого соединен с выходом второго выпрямителя 5, а первый вход - с выходом первого выпрямителя 6, причем его выход - с выходом первого выпрямителя 6, причем его вход, в свою очередь, подключен к выходу блока суммирования 7, вход выпрямителя 5 через блок 8 формирователя опорного напряжения, при этом первый вход блока суммирования 7 соединен с выходными клеммами и вторым входом блока перемножения 9, а второй вход блока суммирования 7 соединен с выходом блока перемножения 9. Первый вход блока перемножения 9 соединен с выходом блока развертывающего напряжения 10. Выход блока формирования опорного напряжения 8 соединен со входом второго выпрямителя 5, а входподключен к выходным клеммам, В режиме регулирования по возмущению обт- единенные первый вход блока суммирования 7 и второй вход блока перемножения 9 подключены к входным клеммам.На фиг. 3 показаны временные диаграммы работы стабилизатора переменного напряжения по первому варианту (фиг. 1), Здесь обозначено: 11 - напряжение на выходе блока формирования .опорного напряжения. Напряжение 11 синусоидвльно по форме, стабильно по амплитуде и синхронно с напряжением сети, что достигается подключением блока формирования опорного напряжения 8 к входным клеммам; 12 - напряжение на выходе блока развертывающего напряжения 10, которое представляет собой пилообразное напряжение с частотой намного большей частоты сети. Это напряжение может иметь любую другую форму, при 935898вания 7 и выходных клемм стабилизатора, причем напряжение 15 выпрямляется 20 напряжение на выходе блоке развертывающего напряжения 10, которое можетиметь вид как линейно нарастаюшего пилочем закон изменения этого напряженияопределяет вид регулировочной характеристики ключевого регулирующего органа 2; 13 - напряжение на выходе блока.перемножения 9, полученное путем перемножения мгновенных значений напряжений 11 и 12, поданных на входы блокаперемножения 9; 14 - напряжение на выходе блока суммирования 7, полученное путем сложения напряжения 11 и 12,которые поданы соответственно на первый и второй входы блока суммирования 7; 15 и 16 - выпрямленные напряжении соответственно с выхода блока суммиропервым выпрямителем 6, а 16 - вторым выпрямителем 6. Эти напряжения подаются соответственно на второй и первыйвходы компаратора 4; 17 - сигнал на выходе компаратора 4, который подается на управляющий вход ключевого регулирующего органа 2; 18 -, напряжение на выходе стабилизатора переменного напряжения.На фиг, 4 показаны. временные диаграммы работы Стабилизатора переменного напряжения по второму варианту, Здесь обозначено: 19 - развертывающее образного, так и линейного падаюшего;20 - напряжение на выходе блока перемножения 9, полученное путем умножениямгновенного значения выходного напряжения 18, на развертывающее напряжение 19, которые подаются соответственно на второй и первый входы блока перемножения 9; 21 - напряжение на выходе блока суммирования 7, равное сумменапряжения 20 и выходного напряжения18 стабилизатора переменного напряжения; 22 - напряжение на выходе блокасуммирования 7, выпрямленное первым .выпрямителем 6; 23 - сигнал на выходекомпаратора 4, который подается науправляющий вход ключевого регулирующего органа 2.Принцип работы предлагаемого стабилизатора переменного напряжения по варианту первому состоит в следующем.Частота работы ключевого регулирующего органа 2, определяемая частотой работы блока развертывающего напряжения 10,выбирается намного большей частоты сети. При этом на входе фильтра З.формируются прямоугольные импульсы напряжения, огибающая которых 3 40 4 0представляет собой синусоиду, частота которой равна частоте сети. фильтр 3 выделяет основную гармонику напряжениясети. Регулируя коэффициент заполнения импульсов у от 0 до 1, можно изменять выходное напряжение от нуля до напряжения, подаваемого на вход стабилизатора, Этот факт используется для осуществления стабилизации. Выходное напряжение 18 через второй выпрямитель 5 подается на первый вход компаратора 4, на другой вход которого подается опорное напряжение 1 1, перемноженное с развертываюшим напряжением 12 блоком перемножения 9 и просуммированное блоком суммирования 7 опять с опорным напряжением 11. Полученное таким образом напряжение 15 выпрямляется выпрямителем 6 и сравнивается с выпрямленным выходным напряжением 16 на компараторе 4. Допустим, что исходный коэффициент заполнения импульсов , соответствующий выходному номинальному напряжению, равен 0,5 (определяется как отношением времени замкнутого состояния ключевого регулирующего органа 2 к длительности периода высокой частоты). Тогда на выходе напряжение, отфильтрованное фильтром 3, будет синусоидальным и равным номинальному 18. При изменении выходного напряжения (как показано на фиг. 3, во второй половине второго полупериода выпрямленное выходное напряжение 16 изменяется скачком) в сторону увеличения длительности замкнутое состояние также изменяется скачком в сторону уменьшения, что приводит к уменьшению коэфициента заполнения импульсови, таким образом, к уменьшению выходного напряжения 18, т,е, к . возврату его к номинальному значению. При изменении выходного напряжения в сторону уменьшения коэффициент заполнения импульсовбудет возрастать, что опять же приведет к всзаращеиию выходного напряжения к номинальному.Покажем, что в этом случае изменение статического коэффициента передачи ключевого. регулирующего органа 2 компенсируется встречным изменением коэффициента передачи компаратора 4. Действительно, при изменении амплитуды выходного напряжения 16 от величины опорного напряжения до верхней огибающей коэффициент заполнения импульсовизменится от 1 до нуля. При этом изменение среднего значения напряжения на каждом периоде высокой частоты различно. Принимая25 Э 5 0358во внимание его синусоидвльную форму,можно записать(Ь-)3Ь%СРЗф ОТКл,т ", (И тле Ю Р - изменение среднего значенияХ СР 1входного напряжения компаратора на 1 гом периодевысокой частоты 1 10отклм -, амплитуда отклонения.Поскольку статический коэффициент передачи компаратора равен отношению изменения выходной величины по изменению входной, получаем: 15 Общий коэффициент передачи ключевого 20регулируюшего органа 2 и компарвтора 4определяется произведением, выражений(3) и (7), т.е. Поскольку коэффициенты передачи остальных звеньев контура регулирования приняты равными единице, то выражение ( )е (8) определяет общий статический коэффициент передачи разомкнутой системы. Подставляя (8) в (4), получаем 98 10ходкое напряжение 18 и развертывающее напряжение 19 (эдесь показаны два варианта развертывающего напряжения) блоком перемножения 9, а затем полученное напряжение 20 суммируют в блэ. ке суммирования 7 опять с выходным напряжением 18. Компаратор 4 сравнивает .выпрямленное сннусоидальное напряжение 16 блока формирования опорного напряжения 8 с выходным напряжением, модулированным развертывающим 19, При изменении выходного напряжения коэффициент заполнения импульсов у также изменяется таким образом, что происходит компенсация изменения выходного напряжения. Диаграммы 22 и 23 показывают, что при скачкообразном изменении напряжения на выходе скачкообразно изменяется коэффициент заполнения привода, соответственно выходное и задающее напряжение.В этом варианте также осуществляет,ся компенсация изменения статического коэффициента передачи ключевого регулирующего органа 2 встречным" изменением коэффициента передачи компаратора 4. Очевидна также работа этого варианта стабилизатора переменного напряжения в режиме регулирования цо возмущению, для чего необходимо лишь объединенные входы блока суммирования (первый вход) и блока перемножения (второй вход) .переключить с выхода стабилизатора на его вход.Таким образом,данное изобретение позволяет повысить точность стабилизации и расширить функциональные возможности, откуда видно, что, увеличивая коэффициент К можно нолучить любую заданную точ.Оофность.40Понятно, что такой стабилизатор может . .работать и в режиме регулирования по возмущению, для чего необходимо лишь вход выпрямителя 5 подключить к входным клеммам стабилизатора Очевидно, что,и ф увеличивая 8, можно добиться стабилизации мгновенного значения переменного напряжения, потому что увеличение М сближает значения среднего напряжения на периоде высокой частоты и мгновен 50 ного, Этот эффект уже заметен при М 4 100, В то же время, современные транзисторы позволяют увеличивать И до 500-1000 и более.Принцип работы стабилизатора переменного напряжения по второму варианту поясняется на диаграммах (фиг, 4). Отличительной особенностью работы здесь является то, что перемножают выф ор мула изобретения 1. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к,выходным клеммам, компаратор, выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулируюшего органа, одним из входов соединенный с выходом первого выпрямителя, а другим входом - с выходом второго выпрямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения, о т л и ч а ю - . щ н й с я тем, что, с целью повышения точности стабилизации и расширения функциональных возможностей, снабжен бло 938898 12ком перемножения и блоком суммирования, причем один из входов блока перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, другой вход - с выходом блока формирования ойорного на- % пряжения, другой вход - с выходом блока формирования опорного напряжения и первым входом блока суммирования, а выход блока перемножения подключен ко второму входу блока суммирования, выход 10 которого подключен ко входу первого выпрямигеля, при этом вход второго выпрямителя соединен с клеммами для подключения источника сравниваемого напряжения, 12. Стабилизатор переменного напряженияпоп. 1,отличающийсяс тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с выходными клеммами. 203. Стабилизатор переменного напряжения по и. 1, о т л и ч а ю ш и й с я тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с входными кл-.ммами. 24. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого че- ЗО рез второй фильтр подключен к выходным клеммам, компаратор, выходом соединен ный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, одним из входов соединенный с выходом первого выпрямителя, а другим входом - с выходом второго выпрямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения, о т л и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, снабжен блоком перемножения и блоком суммирования, причем первый вход блока перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, второй вход - с клеммами для подключения сравнивающего напряжения и первым входом блока суммирования, второй вход которого соединен с выходом блока перемножения, а выход блока суммирования подключен ко входу первого выпрямителя, причем блок формирования опорного напряжения соединен со входом второго выпрямителя.5; Стабилизатор по п. 4, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с входными клеммами.6. Стабилизатор по п. 4, о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с выходными клеммами. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР по заявке М 2431084/07,кл. 6 05 Р 1/44, 1978. 2. Авторское свидетельство СССР М 472339, кл. (05 Г 1/44, 1974.Составитель С. ЧернышевРедактор С. Запесочный Техред Ж,Кастелевич аз 4209/49ВН омитета СС н открыти ушская наб 4/ иал ППП "Патент", г, Ужгород, ул. Проектная, 4 Тираж 914 ИПИ Государственного к по делам изобретений 035, Москва, Ж, Ра