Преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией

ОП ИСАНИЕИЗЬБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕПЬСТ 8 У Союз СоветскихСоцнапнстнческниреспублик п 11985772(22) Заявлено 24, 10.8 ением прис ротваный ко СССРД опубли кования описания 06. 01, 83 2) Авторьизобрете Кобзев, Н ханикиенияо й ИНСТИ аучно-исследо и Томском и автоматик и (влек тром тем уйравл 7 ) Заявител е автоматизированных и радиоэлектроник 4) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯМНОГОЗОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛ ЯЦИ лектротехованию ии постоянйти примерегулирова) напряжетема ния управапример амтелях мошеских покаэнергетичыми мас выс ок минима ти, лях габаами напряжения Известен преобразователь скретного действия, содержаший генератор, фазореверсирую ряд силовых ячеек с трансми 1. ие бломатораОднако такой преобразователь имеетаниченный динамический диапазон и зау воспроизведения управляюшего вхорешить не может. о Изобретение относится к энике, в частности к преобразрегулированию переменногоого напряжений, и может наение в системах глубокого постоянного (переменно и основанных на этом с ного воспроизведения и усил ляюшего входного сигнала, н дных модуляторах, усил ыченко и А. В. Тараски Наиболее близким к предлагаемому является регулятор напряжения со звеном повышенной частоты, реализующий много зонную импульсную модуляцию, содержащий и -соединенных между собой преобразовательных ячеек, связанных с фаэосдвигаюшими узлами, основной эадаюший генератор и и -пороговых элементов 21. Здесь регулирование напряжения осуествляется поочередно в каждой ячейке за счет однополярной реверсивной модуляции (ОРМ). К недостаткам известного регулятораследует отнести то, что при точном воспроизведении и усилении регулирукзцего воздействия с повышенной частотой или большой скоростью перестройки уровня (5 кГц и вьпце) приводит к дополнительоным потерям мошности за Счет увеливения тактовой частоты, что снижает КПД и надежность, так как увеличиваются динамические потери, При низкой тактовой3 98577 частоте остается не высоким и динамический диапазон преобразования)1 ель изобретения - повышение КПД надежности и расширение динамического диапазона, 5Поставленная дель достигается тем, что в преобразователь напряжения с многозонной импульсной модулядией, содержащим и соединенных между собой преобразовательных ячеек, связанных с фазэ 410 сдвигаюшими узлами, основной задающий генератор и и -пороговых элементов, введены допопнительный задающий генератор с частотой ниже частоты основного, подключенный к К -фазосдвигаюшим узлам 1 З К-фиксаторов уровня, подключенных к входам этих же узлов, и к пороговым элементам, а также сумматор подключенный через ( Р - К ) -пороговых элементов к другим (.и- к ) -фаэосдвигаюшимузлам, соединенным с основным задающим генератором, при этом К входов сумматора связаны с управляющим входом преобразователя через последовательно соединенные фиксаторы уровня и пороговые элементы, а один непосредственно.Каждая преобразовательная ячейка выполнена из первичного, подключенного сидовыми входами к источнику питания, и вторичного, подключенного выходами к З 0 другим ячейкам, коммутаторов соединенных между собой высокочастотным трансформатором.С целью упрошепиа вторичные обмотки К-трансформаторов и вторичные обмотки з (Н- К ) -трансформаторов преобразовательных ячеек соединены последовательно и образуют две группы обмоток, каждая из которых подключена к одному из двух вторичных коммутаторов. 40С пелью расширения функциональных возможностей, все преобразовательные ячейки разделены на две группы, где в одной К, а в другой(п- Ц -вторичных ком- мутаторов, причем один первичный комму;татор в каждой группе связан со вторичными одним трансформатором.При регулировании в нагрузке однополярного напряжееня вторичные коммутато50 ры выполнены на неуправляемых вентилях.Кроме того, с делью повышения среднего КПДпри широком диапазоне регулирования К -фазосдвигаюших узлов выполнены по логической схеме Пфиксаторы уровня выполнены, например, по схеме стабилизаторов положительного и отрипательного напряжения. 2 фНа фиг, 1 приведена функциональная схема предлагаемого преобразователя; на юг. 2 - 5 - варианты выполнения силовой части преобразовательных ячеек; на фиг, 6 - временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя при преобразовании напряжения сети в регулируемое сигналом управления любой формы; на фиг, 7 - вариант выполнения фазосдвигаюшего узла.Преобразователь (фиг. 1) содержит О -соединенных между собой преобразова тельных ячеек 1 и 2 выходом подключенных через фильтр 3 к нагрузке 4, а сидовым входом источника 5 питания к сети переменного или постоянного тока,Все преобразовательные ячейки разделены на две группы; в одной К ячеек 1, а во второй (и-К)ячеек 2В каждой ячейке 2 иэ второй группы подключены выходи фазосдвигаюших уз-, лов 6, которые соединены с основным задающим генератором 7 и через пороговые элементы 8, сумматор 9 и его один вход с входом преобразователя 10, ко торий кроме того через Х пороговых элементов 11 и фиксаторы 12 уровня, подключены к К входам сумматора 9 и к фазосдвигаюшим узлам 13, вторые входы которых соединены с дополнительным задающим генератором 14, а выходами - с управляющими входами ячеек 1 первой группы.Кроме того,(фиг. 2) каждая преобразовательная ячейка 1 и 2 выполнена из первичного 15, подключенного силовым входом к источнику 5 питании и вторжного 16, выходом подключенного последовательно к другим ячейкам, мостовых коммутаторов на ключевых элементах 17- 20 и 21-24, соединенных между собой высокочастотным трансформатором 25.Каждая из двух групп ячеек 1 и 2 (фиг. 3) содержит несколько первичиьв коммутаторов 15 со своими трансформаторами 25, у которых вторичные обмотки соединены последовательно и подключены к одному вторичному коммутатору 16. Каждая из двух групп ячеек 1 и 2 (фиг. 4) может быть выполнена из одного первичного ком мутатора 15, трансформатор 25 которого вторичными обмотками подключен к нескольким вторичным коммутаторам 16, соединенным последовательно между собой.,На фиг. 5 вторичные коммутаторы выполнены на неуправляемых вентилях, фазо сдвигающие узлы 13 первой группы ячеек выполнены по логической схеме 11 (фиг.7).5 9857 фиксаторы уровня 12 - по схеме стабилизатора положительного и отрицательного напряжений.Принцип работы преобразователя пояс няется диаграммами напряжений, представ 5 ленных на фиг. 6.При отсутствии управляющего сигнала на входе 10 преобразователя силовые ячейки 1 и 2 подключены таким образом, что напряжение на нагрузке 4 равно нулю.10 Пороговые элементы ф и 11 имеют последовательно нарастающие уровни срабатывания, причем выходы Х пороговых элементов 11 подключены к фиксаторам 12 уровня, позволяющих при срабатывании по 5 рогового элемента эастабилиэировать амплитуду сигнала, который поступает на сумматор 9 и фазосдвигаюшие узлы 13. При нарастании входного сигнала 26 (фиг. 6) вначале он также повторяется 20 сумматором 9, и поступает на(п-К)-пороговых элементов 8, которые разрешают поочередную работу фазосдвигающих узлов 6, подключенных к основному задающему генератору 7, и работающему на оп.2 тимальной, по информационным возможностям и минимума искажений, частоте 27 управляющих импульсов. Фазосдвигающие узлы 6 управляют работой преобразовательных ячеек 2, которые за счет сдвига З 0 фазы управляющих импульсов 27, реализуют однополярную реверсивную (или не реверсивную) широтно-импульсную модуляцию выходного напряжения ячеек 2 (диаграммы 28 и 29), Эти напряжения суммируются и формируется результирующая кривая 30. Дальнейшее увеличение входного сигнала приводит к срабатыванию одного из К пороговых элементов 11, сигнал которого скачкообразно возрастает, 40 стабилизируется по амплитуде фиксатором 12 уровня и осуществляет мгновенное изменение фазы на 180 эл, град, в одном из фаэосдвигающих узлов 13, За счет этого дискретно меняется выходное напря 45 жение 31 и 32 этой ячейки. Кроме того, напряжение с выхода фиксатора 12 вычитается в суммарное из входного сигнала так, что на выходе сумматора 9.сигнал обнуляется (диаграмма 33), а вместе с ним обнуляется выходное напряжение 30 (о- К ) ячеек. Частота 34 дополнительного задающего генератора 14 выбирается оптимальной по КПД. Последующее увеличение входного сигнала 26 приводит к включению следующей (второй из К ) ячейки и возвращением (и - К ) ячеек к их начальным условиям и т.д, При уменьЮ шении входного сигнала процессы проте 72 6кают в обратном порядке. т. е. вторая группа ячеек преобразователя циклически плавно регулирует выходное напряжение с широтно-импульсной модуляцией, как бы осуществляет плавающее зонное регулиро .ванне с каждой ячейкой иэ первой группы регулируемых дискретно, форма выходного напряжения имеет вид 35 (фиг. 6).При поступлении на вход преобразователя сигнала другой полярности остается тем же за исключением того, что на вы ходе фиксаторов уровня формируется ста/бильное напряжение другой полярности, что позволяет сформировать на выходе фазосдвигаюших узлов, такую фазу управ .ляюших импульсов, крторая обеспечит необходимую полярность выходного напряжения. При.этом ключевые элементы ячеек должны быть выполнены на ключах переменного тока. Числом эон регулирования, реализуемых в предлагаемом преобразова теле при однополярпой реверсивной моду- ляции, в каждой из(о-К) ячеек составляет Й = 2 (и- К ) ( К + 1), а при однополярной нереверсивной Мн (п- К ) ( К + 1).За счет того, что практически всегда до статочно одной ячейки с ШИМ, где, требуется повышенная частота, а остальные могут работать и на низшей частоте, КПД преобразователя, а также надежность существенно повышается. Применение же нескольких ячеек с ШИМ существенно расширяет динамический диапазон.Так, например, при десяти ячейках одна из них регулируемая с ШИМ, а девять с АИМ, количество плавно регулируемых зон составляет - 20, а при 3 с ШИМ и 7 С АИМ - 48, т. е. число яче- ек не изменяется, а точность и динамический диапазон увеличиваеп:я значительно, что видно иэ конкретного примера, :Применение же преобразователя с многозонной импульсной модуляцией при точном воспроизведении управляющего воздействия является предпочтительным. В качестве ключей коммутатора применяются транзисторы, но в связи с тем, что первая группа преобразовательных ячеек, 1 работает на достаточно низкой частоте, применимы и тиристоры, что поз воляет существенно повысить мощность всей системы.При применении преобразователя с большими выходными токами вторичные обмотки К трансформаторов и вторичные обмотки (о- К )-трансформа торов преобразовательных ячеек соединены последова-, тельно и образуют две группы обмоток,каждая из которых подключена к одному из двух вторичных коммутаторов, На фиг,5 показана одна группа ячеек.При малых мощностях и больших выход. ных напряжениях все преобразовательные ячейки разделены также на две группы, где в одной К, а в другой (о-К)вторичных коммутаторов, при этом один первичный коммутатор в каждой группе связан со вторичным одним трансформатором. 10При применении в качестве вторичных коммутаторов не управляемых вентилей при регулировании однополярного напряжения (фиг, 5) повышает КПД за счет уменьшения мощности управления, а также зна чительно упрощает устройство (плавное регулирование,за счет нереверсивной ШУМ 1Использование для управления первой группой ячеек 1 вместо фазосдвигающих узлов 13 логических схем И целесообразно и возможно когда управляемыми являются первичные коммутаторы, а вторичные выполнены на неуправляемых вентилях. Этопозволяет повысить средний КПД преобразователя при широком диапазоне регупирования. Преобразователь работает при этом следующим образом.При поступлении на первый вход узла 13 нулевого потенциала с фиксатора 12 уровня сигнал с задающего генератора 14, поступающий на второй вход, не проходит и на выходе узла 13 нулевой потенциал. В этом случае управляемый коммутатор заперт, а напряжение на выходе ячейки равно нулю, Если сигнал на первом входе равен единице, то прямоугольное напряжение задаюпего генератора проходит через узел 13 на управление ключами ячейки и напряжение на ее выходе максимально. Наиболее простое исполнение узла 13 показано на фиг, 7 Он работает следую 45 щим образом. При наличии сигнала с фиксатора 12 уровня ключ К, в узле 13 замыкается и сигнал с задающего генератора 14 проходит на управление преобразовательной ячейкой, Во всех других сигналах (любой из сигналов равен нулю)50 сигнал на управление преобразовательной ячейкой отсутствует и она заперта.Использование в управлении ключами первой группы ячеек узла по логической схеме И упрощает управление и повышает55 КПД, так как при регулировании напряжения ячейки, не задействованные в данный момент, отключены и не потребляют ток 72 8(как схема управления, усилитель мощности, так и силовая часть),Предлагаемый преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией позволяет производить следующиевиды преобразования с промежуточнымзвеном повышенной частоты: постоянногов постоянное или постоянное в переменноенапряжение регулируемое как по амплитуде, так и по частоте в звуковом диапазоне; переменного сетевого в переменное1 регулируемое как по вольтодобавочной схеме, так и с гальванической развязкой,соответственно с применением ключей переменного тока с промежуточным двухкрагным преобразованием; переменного в постоянное заданной величины и формы сбыстродействующим регулированием.Введение дополнительного задающегогенератора с частотой ниже частоты основного позволяет уменьшить общие динамические потери в преобразователе и повысить его надежность. ИспользованиеШИМ в одной ячейке при более высокойчастоте в сочетании с АИМ в остальныхячейках расширяет динамический диапазон и повьппает точность регулированияпри минимальной величине фильтров, амплитуда пульсаций имеет величину напряжения на одной ячейке с ШИК при любойвеличине выходного напряжения,Ф о р м у л а и з о б.р е т е н и я 1. Преобразователь напряжения с многозонной импульсной модуляцией, содержащий и -соединенных между собой преобразовательных ячеек, связанных с фазосдвигающими узлами, основной задающий генератор и и -пороговых элементов, о ьл и ч а ю ш и й с я тем, что, с целью повышения КПД, надежности и расширения динамического диапазона, в него введены дополнительный задающий генератор с час- тотой ниже частоты основного, подключенный к К -фазосдвигающим узлам, К -фик саторов уровня, подключенных; к входам этих же узлов и к пороговым элементам, а также сумматор, подключенный через О-К)пороговых элементов к другим (и-К)-фазосдвигаюшим узлам, соединенным с основным задающим генератором, при этом К входов сумматора связаны с управляющим входом преобразователя, через последовательно соединенные фиксаторы уровня и пороговые элементы, а один- непосредственно.2. Преобразователь по п. 1, о т л ич а ю ш и й с я тем, что каждая преоб9 . 9857 разовательная ячейка выполнена из пер вичного, подключенного силовым входом к источнику питания, и вторичного, подключенного к другим ячейкам, коммутаторов, соединенных между собой высокочастотным 3 цансформа тором.3, Преобразователь по пп. 1 и 2, о тл ич а ю щ и й с я тем, что, с целью упрощении вторичные обмотки К трансформаторов и вторичные обмотки (и-К)-транс 0 форматоров преобразовательных ячеек соединены последовательно и образуют две группы обмоток, каждая иэ которых под-. ключена к одному из двух вторичных коммутаторов 334. Преобразователь по п. 1, о т л и, ч а ю щ и й с я тем, что, с целью рас ширения функционалЬных воэм ожнос тей, все преобразовательные ячейки разделены на две группы, где в одной К, а в дру гой(О- К )-вторичных коммутаторов, причем один первичный коммутатор в каждой группе связан совторичными одним трансформатором. 72 105. Преобразователь по пп. 1-3,. о тл и ч а ю ш и й с я тем, что при регулировании в нагрузке однополярного напряжения вторичные коммутаторы выполнены на неуправляемых вентилях,6. Преобразователь по и. 5, о т л ич а ю ш и й с я тем, что, с целью повышения среднего КПД при широком диапазоне регулирования, К . фаэосдвигающихузлов выполнены по логической схеме и,7, Преобразователь по пп. 1- 6, о тл и ч а ю В и й с я тем, что фиксаторыуровня выполнены, например, по схеместабилизатора положительного и отрицательного напряжения. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССРЖ 505104, кл. Н 02 М 7/48,Н 02 Р 13/18, 6 05 Г 1/10, 1971.2. Авторское свидетельство СССРМ 699504 ф кл. б 05 Г 1/22,Н 02 Р 13/16, 1976,Составитель Г. Мыиык Редактор Н. Ковалева Техред М.Надь Корректор О. Билак Заказ 10164/68 Тираж 914 ПодписйоеВНИИПИ Государственнао комитета СССРгпо делам ивобретеиий и открытий113036, Москва, Ж Зб, Раущскаи иаб., д. 4/5филиал ППП фПатеитф, г. Уза ород, ул, Проектная, 4