SU1022129A1 - Регул тор напр жени с многозонной импульсной модул цией - Google Patents

Abstract

г ЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ С МНОГОЗОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ, содёржаофий и параллельно включенных инвертор ых  чеек на полностью управл емых ключах, к выходам которых подключены первичные обмотки И высокочастотиых трансформаторов, втo ричные обмотки которых подключены к и выпр мительным мостам, блок . управлени , включающий в кг1ждси4 кана ле по числу йиверторйых  чеек задаю1ЦИЙ генератор и пороговый элемент, первый вход которого предназначен дл  подклк1чени  напр жени  управлени , о тли ч а ю щ и И с   тем, что, с целью повыщени  техникоэнергетических показателей,VI выпр мительных мостов включеМл последовательно , блок управлени  выполнен многоканальным по числу инверторных  чеек, кажда1й канал которого снабжен расширителем импульсов, инверт , тирующим каскадом, генератором пилообразного напр жени  IT сумматором, ииротно-импульсным формирователем, неуправл емым и управлЯемьв4 блоками разв зки и усилени , причем второй вход каждого из пороговых элементов предназначен дл  подключени  опорного напр жени , выход его через задающий генератор- и расииритель импульсов.подключен к генератору пилообразного напр жени , инвертирующему каскаду и неуправл емому блоку разв зки и усилени , выход которого подключен к соответствую§ щей паре ключей инверторной  чейки, выхода генератора пилообразного напрйжени  и инвертирующего каскада подключены к первому и второму входам cjWMaTopa, третий вход которого предназначен дл  подключени  сигнаfi ла управлени , выход сумматора под ключен к первому входу ииротно-импульсного формировател , второй вход которого предназначен дл  подэ ключени  опорного напр жени , а вы-ход через управл емый блок разв зки NS и усилени  подключен к соответствую Э щей паре ключей инверторной  чейки. 2. Регул тор по п; 1, о т Л и-чающийс  тем, что про. регуND лировании переменного напр жени  ключи VI упом нутых выпр мительных мостов выполнены полностью управл емыми , при этом управл кхцие vxoma ключей выпр мительных мостов подключены к соответствующим выходам неуправл емых блоков разв зки и усилени .

Description

Изобретение относитс  к электро технике, в частности к преобразова теЛ м и регул торам песюменкого и посто нного напр жений, и может бы использовано при регулировании нап р жени  в большом диапазоне при сохранении высоких энергетических показателей, а также в тех случа х когда требуетс  высокое быстродействие регулировани  и минимальна  масса и габариты регул тора. Известны регул торы напр жени , содержгицие генератор переменной час тоты, соединенный с управл ющими цеп ми ключевых элементов, включенных последовательно с линейным дросселем Однако такие регул торы позвол  ют регулировать напр жение в ограниченном диапазоне, так как снижа йиё частоты приводит к значительно му росту массогабаритных показателей трансформаторов и дросселей . Кроме того, увеличение диапазона регулировани  приводит к резкому рю ту искажений. Известны также регул торы напр жени , содержащие -высокочастотные трансформаторы и регулируе1уие комму таторы (мостовые или с выводом сред ней точки трансформатора), первичные цепи которых соединены параллельно , .а вторичные - последовательно через высокочастотные трансформа торжл, реализующие многозонную импульсную модул цию. Такие регул торы вне зависимости от диапазона регулировани  имеют высокие энергетические показатели за счет незначительных искажений потребл емого тока и выходного напр женин, а наличие звена повышенной частоты позвол ет снизить массу и габариты t2 . Однако такие регул торы требуют трансформаторной гальванической разв зки силовых цепей и цепей управлени  и характеризуютс  низкой надежностью при резких изменени х управл ющего сигнала, так как это приводит к насыщению трансфО 4ато;ров , цепей управлени  и высокочастотных силовых трансформаторов. Наиболее близким техническим ре1шением к предлагаемому  вл етс  регул тор напр жени  с многозонной импульсной модул цией, содержащий Ц параллельно включенных инверторны  чеек на полностью управл емых ключах , к выходам которлх подключены первичные обмотки ц. высокочастотных трансформаторов, вторичные обмотки которых подключены к И выпр мительным мостам, блок управлени , включа щий в каждом канале по числу инверторных  чеек задающий генератор и пороговый элемент, первых вход которого предназначен дл  подключени  нап- р жени  управлени  З. Недостатком известного регул тора  вл ютс  большие коммутационные паузы выходного напр жени  и токи намагничивани , снижающие его технико-энергетические показатели. Это обусловлено тем, что вследствие синхронное .ти работы широтно-импульсных модул торов п каналов, моменты зак1%1тых состо ний всех ключей совпгшают и в выходном напр жении присутствуют паузы, искажающие его форму и увеличивающие его коэффициент пульсаций. В известном регул торе также не устранена возможность замагничивани  сердечников трансформаторов цепи управлени  и силовых высокочастотных трансформаторов .в случае несимметрии относительной продолжительности включени  плеч инвертора, продолжающейс  хот  бы несколько периодов коммутации инвертора. Такие режимы возникают при резких изменени х входного управл ющего напр жени  и создают необходимость применени  специальных устройств по борьбе с замагничиванием , снижающих КПД регул тора и повышающих его массу и габариты. . Целью изобретени   вл етс  повышение технико-энергетических показателей регул тора напр жени . Поставленна  цель достигаетс  тем, что в регул торе напр жени  с многопозиционной импульсной модул цией К) выпр мительных мостов включены последовательно, блок управлени  выполнен многоканальным по числу инверторных  чеек, каждый канал которого снабжен расширителем импульсов, инвертирующим каскадом, генератором пилообразного напр жени , сумматором , широтно-импульсным формирователем , неуправл емым и управл емым блоками разв зки и усилени , причем второй вход каждого из пороговых элементов предназначен дл  подключени  опорного напр жени , выход его через задающий генератор и расширитель импульсов подключен к генератору пилообразного напр жени , инвертирующему каскаду и неуправл емому блоку разв зки и усилени , выход которого подключен к соответствующей паре ключей инверторной  чейки, выходы генератора пилообразного напр  жени  и инвертирующего каскада подключены к первому и второму входам сумматора, третий вход которого предназначен дл  подключени  сигнала управлени , выход сумматора подключен к первому входу широтно-им-ч-. пульсного формировател , второй вход которого предназначен дл  подключени  опорного напр жени , а выход через управл емый блок развазки и усилени  подключен к соответ .ствующей паре ключей инверторной  чейки.

Кроме того, при регулировании переменного напр жени  ключиИ упом ну тых вьптр мительных мостов выполнены полностью управл емьвди, при этом управл к дие входы ключей выпр мительных мостов подключены к соответствующим выходам неуправл емых блоков разв зки и усилени ,

На фиг. 1 приведена функциональна  схема регул тора напр жени ; на фиг. 2 - временные диаграммы работы узлов- регул тора; на фиг. 3 - эпюры напр жени  на нагрузке дл  известного и предлагаемого регул торов напр жени ; на фиг. 4 - временные диаграммы/ по сн ющие устранение возмож . ности замагничивани  сердечников трансформаторов регул тора.

Регул тор напр жени  содержит и параллельно включенных инверторных  чеек на полностью управл емых ключах 1.If И t 4/ в диагонали высокой частоты которых включены первич ные обмотки высокочастотных транс-форматоров 2.1 - 2.:И /подключенных вторичньми обмотками к входным зажимам вьтр мительных мостов 3.1 - 3.И, соединенных последовательно н подключенных к нагрузке 4. Блок 5 управлени , выполнен многоканальным , каждый канал снабжен подключенным к .управл к цему входу регул тора дополнительным пороговым элементом 6 с задающим резистором 7, .выход которого подключен к задающему , генератору 8 с последовательно соединенными расширителем 9 импульсо св занным с выходом задающего генератора , ч неуправл емым блоком 10 разв зки и усилени , подключенным к управл ющим входам ключей 1.2, 1. -П.2,Ц .4, Иинвертирующим каскадом 11, вход которого, объединен с входом генератора 12 пилообразного нап р жени  и подключен к выходу расширител  9 импульсов..

Один вход широтно-ймпульсного формировател  13 подключен к цепи из пороговых элементов 14, а к второму его входу через сумматор 15 подкошчены выходы генератора 12 пилообразного напр жени ; инвертирующего каскада 11 VI управл ющий вход регул тора напр жени . Выход ииротно- 1мпу ьсног6 форфировател  13 че- рёэ управл емый блок 16 разв зки и усилени  соединен с управл юашми входаш ключей 1.1 и 1..3 инверто 7но  чейки 1. При регулирований переменного напр жени  выпр мительные мосты 3.1-3.и и инвёрторные  чей ки 1-й выполнены на полностью управл емых ключах с двухЬторонней проводимостью, при этом упр%вл 1о е

входы ключей выпр мительных мостов соединены с выходами неуправл емых блоков 10 разв зки и усилени .

На фиг. 2 цифрой 17 показано вы.. ходное напр жение задающего генератора первого канала; 18 - выходное напр жение расширител  9 импульсов; 19 - выход генератора 12 пилообразного напр жени ; 20 - напр жение инвертирующего каскада 11; 21 - управл к ций входной сигнал регул то- . .ра; 22 - сумма напр жений 19, 20 и 21; 23 и 24 - пороговые напр жени  задающего генератора 8 и ыиротноимпульсного формировател  13; 2-5 выходное напр жение имротно-импульсного формировател ;26,27,28 и 29 соответственно входной сигнал пиротно-импульсного формировател , пороговые напр жени  задаквдего генератора и широ.тно-импульсного формировател  и выходное напр жение пиротно-импульсного формировател  второго канала; 30 и 31 - выходные напр жени  неуправл емого блока 10 разв зки и усилени ; 32 и 33 - напр жени  управл емого блока 16 разв зки и усилени , 34 - выходное напр жение инвертора первого канала; 35 - напр жение на выходе выпр мительного моста первого канала; 36 - выходное напр жение регул тора; 37 - среднее значение напр жени  на нагрузке;

На фиг. 3 эпюр.а 38 означает напр жение на выходе выпр мительного моста первого канала с учетом коммутационных пауз напр жени ; 39, 40 и 41 - выходные напр жени  выпр  мительных мостов последующих каналов; 42. - выходное напр жение регул тора с широ,тно-импульсным управлением; 43-46 - напр жени  на выходе выпр мительных мостов предлагамого регул тора, 47 - его суммарное выходное напр жение.

На фиг. 4 эпюра 48 отображает входной управл ющий сигнал регул тора; 49-50 - соответственно напр жение на обмоТке высокочастотного трансформатора и индукци  в его сердечнике дл  регул тора с широтноимпульсным управлением; 51 -.Граница насыщени  сердечника; 52 и 53 - напр жение на обмотке, высокочастотного трансформатора и индукци  в его сердечнике Дл  предлагаемого ре гул тора при входном управл ющем синале 48..

Регул тор работает следующим образом.

При включении питающего напр жени  и отсутствии управл ющего входного сигнала Вещающий генератор В (выполненный на компараторе, к одному из входов которого приложено опоное напр жение, а к другому присоединена емкость врем задающей ЯС-цепи , шунтированна  транзистором, база которого св зана с выходом компа ратора ) формирует импульсы 17, частота которых определ етс  опорным на р жением дополнительногопорогового элемента б.Импульсы18 с выхода расш рител  9 импульсов поступают на вход неуправл емого блока разв зки и усич Ленин, выполненного на основе Зк-триН гера с последовательно соединенными усилителем мощности по нулевой схеме и разв зывакмцим трансформатором. Неуправл е1 ый 6:rtoK разв зки и усилени  формирует напр жени  30 и 31, управ л ющие ключами 1.2 и. 1.4 первой инверторной  чейки.

Кроме того, импульсы 18 поступают в инвертирующий каскад 11, выполненный на логическом элементе 2И-НЕ, который формирует напр жение 20, и на вход генератора 12 пилообразного напр жени , формирующего сигналы 19, равные по длительности импульсам 18 и 20. Поступающие на сумматор 15 напр жени  19, 20 и 21 складываютс  в сигнал 22, который сравниваетс  в широтно-импульсном формирователе 13 с опорным напр жением 24, равным по величине сумме амплитуд напр жений 19 и 20. Выходное напр жение 25 на выходе широтно-импульсного формировател  равно нулю, что определ ет отсутствие сдвига по фазе выходных напр жений 32 и 33 управл емого блока 16 разв зки и усиле- . ни  относительно 30 и 31. Ключи инвертора работают по циклу 1.1 и 1.2, 1.3и 1.4. Выходное напр жение 34 инверторной  чейки, так же как и напр жение 35 выпр мительного моста первого канала, равно нулю, напр жение на выходе регул тора отсутствует.

При по влении входного управл ющего сигнала 21 напр жение 22 на входе широтно-импульсного формировател  13 превышает.пороговое значение 24 и на управл емый блок 16 разв зки и усилени  поступают импульсы 25, частота которых посто нна , а относительна  длительность увеличиваетс  пропорционально сигналу управлени  21. Управл емый блок 16 разв зки и усилени  формирует управл ющие напр жение 32 и 33, сдвинутые относительно напр жений 30 и 31 на величину длительное ; ти импульса 25. Диаграммы 30-33 в этом режиме соответствуют одноврет менному замкнутому состо нию ключей 1.1 и 1.2, 1.2 и1.3, 1.3 и 1.4 1.4 и 1.1. .

В результате, к первичной обмотке высокочастотного трансформатора . первого канала прикладываетс  напр жение 34, а на выходе выпр мительного моста. - импульсна  последовательность 35, относительна  длительность импульсов которой пропор (циональна управл ющему входному сиг .налу. К моменту времени t, когда входное напр жение широтно-импульсного модул тора 13 достигает порогового значени  23, равного по величине сумме порогового напр жени  24 и пилообразного 19, фиксируетс  длительность импульсов (fttMCKc фиг. 2) В этот момент управл ющее входное напр жение 21 превышает(опорное напр жение порогового элемента 6 и частота задающего генератора 8 растет соответственно управл ющему входному сигналу регул тора, за счет чего относительна  длительность выходных импульсов широтно-импульсного формировател  13 с дальнейиим увеличением управл ющего сигнала стремитс  к единице, а диаграмма одновременного замкнутого состо ни  ключей - к режиму 1.2 и 1.3, 1.4 и 1.1. Среднее значение напр жени  на выходе выпр мительного моста 3.1 приближаетс  к своему максимальному уровню.

В момент времени: tg порюговый элемент 6 ограничивает величину поступающего на задающий генератор & управл ющего напр жени , тем самым устанавлива  частоту защающего генератора первого канала на максимально уровне. В.этот же момент времени суммарный сигнал 26 на входе широтно-импульсного формировател  второго канала достигает порогового эначени  28 и на вход управл емого блока разв зки и усилении второго канала начинают поступать импульсы 29, длительность которых растет до дости жени  напр жением 26 уровн  27, затем начинаетс  частотно-импульсна  модул ци  во втором канале.

С последующим ростом входного управл ющего сигнала вступают в действие все каналы, вплоть до VI-ного, каждый из которых работает lio замкнутому циклу, сперва с широтно-импульсной , затем с частотно-импульсной модул цией. На эпюре 36 изображе но напр жение на выходе регул тора и среднее значение мгновенного напр жени  на нагрузке 37, образованные суммой напр жений всех каналов при произвольно нарастающем входном управл ющем сигнале без учета коммутационных пауз напр жени  как управл ющей, так и силовой цепи.

На фиг. 3 изображены эпюры вы-. Ходных напр жений известного и пред. лагаемого регул торов при нарастающем сигнале.управлени  с учетом коммутационных пауз напр жени . При увеличении управл ющего входного сигнала от нулевого уровн  в регул торе- с широтно-импульсным управлением (прототипе) вступает в действие инвертор первого канала, на

выходе вьтр мительного мо.ста формиг руетс  напр жение 38, относительна  длительности импульсов которого измен етс  от нул  до максимальной величины, определ емой длительностью паузы, необходимой дл  переключени  ключей инвертора. При достижении :длительности импульсов напр жени  иа выходе выпр мительного моста первого канала максимального значени  вступает в действие второй канал, напр жение на выходе вш1р мительного моста которого показанЬ на эпюре 29, затем третий канал (40), четвертый (41) и т.д.

Суммарное напр жение на выходе регул тора показано на эпюре 42. Как видно из эпюры 42, при любом уровне выходного напр жени  сохран ютс  коммутацирнны1Ь паузы, частота которых равна частоте задающего генератора . Ввиду синхронности работы схем управлени , паузы: напр жени  всех каналов приход тс  на одни и те же моменты времени, что и определ ет повышение пульсации выходно-го напр жени .

В предложенном регул торе напр жение на выходе выпр мительных мостов (эпюры 43-46) измен етс  в каждом канале сначала по закону имротнО импуль-сной , затем по закону частотно-импульсной модул ции. В результате нарушаетс  синхронность работы каналов регул тора и коммутационные паузы напр жени  не совпадают во времени. Из эпюры 47 суммарного выходного напр жени  регул тора видно, что а11шлитуда пульсаций выkoднoгo напр жени  предлагаемого регул тора значительно меньше (особенно npv. большом каналов и.), чем у известного. Это позвол ет обводитьс  меньшими фильтрами дл  -Обеспечени  того же коэффициента пульсаций.

.Кроме того, в случае несиютетрии относительной продолжительности включени  плеч инвертора (например, при входном управл ющем сигнале, изображенном на эпюре 48 фиг. 4) хот  бы в течение небольшого числа периодов ко(104утации инвертора, что показано на эпюре 49, неизбежно следует замагничивание сердечника высокочастотного трансформатора, крива 

изменени  индукции которого показа . на на эпюре 50, где лини  51 означа ет насыщение сердечника.

Меры по борьбе с замагничиванием .

снижают технико-энергетические показатели регул тора. В предложенном регул торе напр жени  за счет применени  частотного регулировани  исключены режимы, благопри тствую.

щие замагничиванню сердечников. Так как при частотном регулировании напр жение на выходе инвертора при котором отображено на эпюре 52, продолжите ьность импульсов напр жени 

S остаетс  посто нной, сердечники перемагничиваютс  до определенной посто нной величины индукции (эпюра 53) и замагничивани  не происходит.

Таким образом, предложенное решение позвол ет регулировть как переменное , так и посто нное напр жение , во всем диапазоне с сохранением высоких технико-энергетических показателей за счет незначительного

5 коэффициента искажений выходного напр жени , величина которот-о может быть выбрана сколь угодно малой увеличением числа ц инверторных  чеек. С другой стороны., минимальные искажени  на промежуточной повышенной частоте позвол ют устанавливать небольшие и компактные фильтрующие устройства с посто нными времени, не превышающими несколько

полупериодов напр жени  повышенной

частоты либо вообще отказатьс  от фильтров, так как искажени , опреде- , л юише массу и габариты входных и выходных фильтров, снижаютс  до зна

чений, не превышающих требований

гост к качеству электроэнергии.

Кроме того, предложенное решение дает возможность обходитьс  без дополнительных устройств по орьбе с замагничиванием. Это позвол ет

существенно повысить быстродействие регулировани , уменьшить коэффициент пульсаций выходного напр жени  регул тора, повысить его КПД, расширить диапазон регулировани  час-

тоты и напр жени , снизить TOKW . намагничивани  и на этой основе исключить аварийные режимы инверторных  чеек, повыша -тем самым техникоэнергетические показатели.

д ппптгптп

ппп.

пп

9

I

п п

0

П

D

innfUB

D

о

I о ПППП

Р

uz 4

8

9

41.

у

iUi

I И

Claims (2)

1Д>ЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ С МНО•ГОЗОННОЙ ИМПУЛЬСНОЙ МОДУЛЯЦИЕЙ, содержащей и параллельно включенных инверторных ячеек на полностью управляемых ключах, к выходам которых подключены первичные обмотки и высокочастотных трансформаторов, вторичные обмотки которых подключены к и выпрямительным мостам, блок управления, включающий в каждом канале по числу инверторных ячеек задающий генератор и пороговый элемент, первый вход которого предназначен для подключения напряжения управления, о т л и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения техникоэнергетических показателей,И выпрямительных мостов включены последовательно, блок управления выполнен многоканальным по числу инверторных ячеек, каждый канал которого снабжен расишрителем импульсов, инвёр- _ν тирующим каскадом, генератором пилообразного напряжения, сумматором, ииротно-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 ра спирите ль импульсов подключен к генератору пилообразного напряжения, инвертирующему каскаду и неуправляемому блоку развязки и усиления, выход которого подключен к соответствующей паре ключей инверторной ячейки, выходы генератора пилообразного напряжения и инвертирующего каскада подключены к первому и второму входам сумматора, третий вход которого предназначен для подключения сигнала управления, выход сумматора подключен к первому входу щиротно-импульсного формирователя, второй вход которого предназначен для подключения опорного напряжения, а вы-ход через управляемый блок развязки и усиления подключен к соответствующей паре ключей инверторной ячейки.

2. Регулятор по п; 1, о т Λ и·.чающийся тем, что при регулировании переменного напряжения ключи и упомянутых выпрямительных мостов выполнены полностью управляемыми, при этом управляющие входа ключей выпрямительных мостов подключены к соответствующим выходам неуправляемых блоков развязки и усиления.

.SU ....1022129