SU1272425A2

SU1272425A2 - A.c.voltage regulator with high-frequency pulse-width control

Info

Publication number: SU1272425A2
Application number: SU843823407A
Authority: SU
Inventors: Валерий Дмитриевич Семенов
Priority date: 1984-12-10
Filing date: 1984-12-10
Publication date: 1986-11-23

Abstract

Изобретение относитс к области электротехники и может быть использовано в мощных регул торах и стабилизаторах сетевого переменного напр жени , измен ющегос в широком диапазоне , требующих 11епскаженной формы выходного напр жени и высокого быстродействи регулировани и стаThe invention relates to the field of electrical engineering and can be used in high-power regulators and stabilizers of a network alternating voltage, varying in a wide range, requiring 11deflected shape of the output voltage and high control speed and a hundred

Description

билизации. Цель изобретени - повьппение энергетических показателей и улучшение использовани ключевых элементов . Устройство содержит задающий генератор 1, соединенный с входом .кольцевого распределител импульсов 2 с N выходами, соединенными с синхронизирующими входами 6-8 модул торов ширины импульсов (11111И) 9-11, управл ющие входы 12-14 которых объединены . Каждый из МШИ 9-П вьшолнен в виде двух каналов, включающих генератор пилообразного напр жени 15 (17) и компаратор 16 (18). Одноименные входы 19 и 20 компараторов 16 и 18 объединены, образу управл ющие входы 12-145 к которым подключен выходbilization. The purpose of the invention is to improve energy performance and improve the use of key elements. The device contains a master oscillator 1 connected to the input of the ring pulse distributor 2 with N outputs connected to the clock inputs 6-8 of the pulse width modulators (11111И) 9-11, the control inputs 12-14 of which are combined. Each of the LMS 9-P is implemented in the form of two channels, including a sawtooth generator 15 (17) and a comparator 16 (18). The same inputs 19 and 20 of the comparators 16 and 18 are combined to form the control inputs 12-145 to which the output is connected

дополнительно введенного.блока суммировани (БС) 57. К двум входам 58 и 59 БС 57 подключены дополнительно введенные двусторонний ограничитель напр жени 60 и источник посто нного напр жени 61. Вход ограничител напр жени 60 вл етс вводом управл ющего напр жени 62. Благодар введению указанных дополнительных элементов устройства под действием изменени сигнала управлени , поступающего на ввод 62, среднее значение выходного напр жени трансформатора 53 измен етс как по величине, так и по знаку, что приводит к регулиррванию напр жени на нагрузке 56 и достижению поставленной цели. 3 илadditionally added. summing unit (BS) 57. To the two inputs 58 and 59 of BS 57 are connected the additionally introduced two-sided voltage suppressor 60 and the source of the constant voltage 61. The input of the voltage suppressor 60 is the input of the control voltage 62. By introducing these additional elements of the device under the action of changing the control signal supplied to the input 62, the average value of the output voltage of the transformer 53 varies both in magnitude and in sign, which leads to an adjustment of the voltage load 56 and achieve the goal. 3 silt

Изобретение относитс к электротехнике , в частности к регул торам переменного напр жени , может найти применение в мощных регул торах и стабилизаторах сетевого переменного напр жени , измен ющегос в широком Диапазоне вверх и вниз от своего номинального значени , а также там, где требуетс практически неискаженна форма выходного напр жени , высокое быстродействие регулировани и стабилизации, высокие энергетические показатели и вл етс усовершенствованием устройства по авт.св. 1026278.The invention relates to electrical engineering, in particular, to alternating voltage regulators, can be used in high-power regulators and stabilizers of a network alternating voltage, varying in a wide range up and down from its nominal value, as well as where practically undistorted shape is required. output voltage, high speed regulation and stabilization, high energy performance and is an improvement on the device auth.s. 1026278.

Цель изобретени - повышение энергетических показателей и улучшение использовани ключевых элементов.The purpose of the invention is to improve energy performance and improve the use of key elements.

На фиг. 1 представлена схема регул тора переменного напр жени с высокочастотным широтно-импульсным регул1фованием; на фиг. 2 и 3 - временные диаграммы, по сн ющие принцип работы предлагаемого регул тора.FIG. Figure 1 shows the AC voltage regulator circuit with high-frequency pulse-width control; in fig. 2 and 3 are timing diagrams explaining the principle of operation of the proposed controller.

Регул тор содержит задающий генератор 1, соединенньй с входом кольцевого распределител 2 импульсов, которьй имеет N выходов (дл однозначности рассмотрен распределитель с трем выходами 3-5). Выход распределител 2 (проведен пунктиром) показьшает , что число выходов может быть любым. Выходы 3-5 соединены с синхронизирующими входами модул торов 9-11 ширины импульсов. Управл ющие входы 12-14 объединены.The controller contains the master oscillator 1, which is connected to the input of the ring distributor 2 pulses, which has N outputs (the distributor with three outputs 3-5 is considered for uniqueness). The output of the distributor 2 (drawn by a dotted line) shows that the number of outputs can be any. Outputs 3-5 are connected to the clock inputs of pulse width modulators 9-11. Control inputs 12-14 are merged.

Каждый из модул торов 9-11 выпол- iEach of the modulators 9-11 is made i

нен в виде двух каналов. Цервьй канал состоит из последовательно включенных генератора 15 пилообразного напр жени и компаратора 16, а второй канал - из генератора 17 пилообразного напр жеьш и компаратора 18. При этом синхронизирующие входы генераторов 15 и 17 объединены и образуют синхронизирующие входы 6-8 модул торов 9-11. Одноименные входы 19 и 20not in the form of two channels. The cervical channel consists of a series-connected generator 15 of the saw-tooth voltage and a comparator 16, and the second channel consists of the generator 17 of the saw-tooth voltage and a comparator 18. At the same time, the synchronizing inputs of the generators 15 and 17 are combined and form the synchronizing inputs of 6-8 modulators 9-11 . Entrances of the same name 19 and 20

компараторов 16 и 18 также объедине- ны и образуют управл ющие входы 12-14 модул торов 9-11. Выходы компараторов 16 и 18 образуют выходы 21-26 модул торов 9-11. Выходы 21-26 соедииены с управл ющими входами 27-32 коммутаторов 32-35 через устройства гальванической разв зки и усилени , выполненные, например, в виде усилителей 39 с оптронной илиthe comparators 16 and 18 are also combined and form the control inputs 12-14 of the modulators 9-11. The outputs of the comparators 16 and 18 form the outputs 21-26 of the modulators 9-11. Outputs 21-26 are connected to the control inputs 27-32 of switches 32-35 through galvanic isolation and amplification devices made, for example, in the form of amplifiers 39 with optocouplers or

трансформаторной св зью.transformer connection.

Каждьм из коммутаторов 33-35 выполнен в виде мостового инвертора на полностью управл емых ключах 40-43, управл ющие цепи которых образуютEach of the switches 33-35 is designed as a bridge inverter on fully controlled keys 40-43, the control circuits of which form

управл ющие входы 27-32 коммутаторов 33-35. При этом силовые входы 44: и 45 коммутаторов 33-35 подключены к сетевым выводам 46 и 47, а силовые выходы 48 и 49 - к первичным обмоткам 50-52 вольтодобавочных трансфор маторов 53-55, вторичные обмотки ко торых соединены последовательно меж ду собой и нагрузкой 56 и подключены к сетевым выводам 46 и 47. Кроме того, к объединенным управл ющим входам 12-14 подключен выход блока 57 суммировани , к двум входам 5 и 59 которого подключены двусторонн ограничитель 60 напр жени и источник 61 посто нного напр жени , причем вход двустороннего ограничител 60 вл етс вводом 62 управл юще го напр жени . На фиг. 2 обозначены напр жение 6 сети, импульсы 64 задающего генератора I, импульсы 65-67 на выходах 3 кольцевого распределител импульсов соответственно, выходные напр жени 68 и 69 генераторов 15 и 17 пилообразного напр жени модул тора 9 соответственно, выходное напр жение 70 блока 57 суммировани при от сутствии сигнала управлени на входе 62, выходное напр жение 7I и 72 блока 57 суммировани при максималь ном и минимальном сигналах управлени : , равных соответственно верхнему и нижнему уровн м ограничени ог раничител 60, выходное напр жение 7 и 74 блока 57 суммировани при промежуточных значени х сигнала управлени , выходные напр жени 75, 76 77,78 (в зоне изменени управл ющего сигнала) генераторов 15 и 17 пилообразного напр жени модул торов 10 и 11 соответственно, выходной сигнал 79 и 80 модул тора 9 на выходах 21 и 22 соответственно при максимальном входном сигнале 71,рав . ном верхнему уровню ограничени 81 и 82 - то же, при сигнале 73. на выходе блока 57 суммировани , 83 и (84 - то же, при сигнале 70, 85 и 86 - то же, при сигнале 74,.87 и 88 то же, при сигнале 72. , На фиг.. 3 обозначены напр жение 8 на вторичной обмотке вольтодобавочного трансформатора 53 при сигнале 71, 90 - то же, при сигнале 73, 91 - то же, при сигнале 74, 92 - то же, при сигнале 72, напр жение 93 - на нагрузке при сигнале 71,уровень напр жени сети, напр жение 95-98 на нагрузке при сигналах управлени 73 70, 74 и 72 соответственно. Предлагаемый регул тор переменного напр жени с высокочастотным широтно-импульсным регулированием работает следующим образом. Напр жение 63 сети подаетс на первичные обмотки 50-52 вольтодобавочных трансформаторов 53-55 через коммутаторы 33-35, выполненные на полностью управл емых ключах 40-43. Величина и форма выходных напр жений, вольтодобавочных трансформаторов 5355 определ ютс как напр жением 63 сети, так и алгоритмами переключени полностью управл емых ключей 40-43. Вторичные обмотки трансформаторов 5355 соединены последовательно между собой, нагрузкой и сетью, так что на нагрузке 56 действует напр жение, равное алгебраической сумме напр жени 63 сети и всех напр жений вторичных обмоток вольтодобавочных трансформаторов 53-55. Алгоритмы переключени , в свою очередь, определ ютс напр жением управлени Uy, подаваемым на ввод 62 управл ющего напр жени , и развертывающим напр жением модул торов 9-11 ширины импульсов. В исходном состо нии задающий генератор 1 вырабатывает импульсы 64, синхронные с напр -. жением 63 сети и имеющие частоту, много большую частоты сети. Импульсы 64 поступают на вход кольцевого распределител 2 импульсов и распредел ютс по его выходам 3-5 в соответствии с диаграммами 65-67. Импульсные последовательности 65-67 синхронизируют генераторы 15 и 17 пилообразных напр жений модул торов 911 ширины импульсов соответственно. Причем генератор 15 вырабатывает пилообразные линейно падающее напр жение 68, а генератор 17 - линейно рас-, тущее напр жение 69. Напр жени 68 и 69 вл ютс развертьшающими напр жени ми дл модул тора 9 ширины импульсов , а напр жени 75-78 - развертывающими напр жени ми дл модул торов 10 и 11 соответственно. На управл ющие входы 12-14 модул торов 9-11 подаетс напр жение с выхода блока 57 суммировани , равное . сумме управл ющего напр жени Uy и напр жени источника 61. Так как напр жение иу проходит через двусторонний ограничитель 60 (в качестве которого может использоватьс операционный усилитель с регулируеьым уровнем насыщени ) , напр жение на входе 58 блока 57 суммировани измен етс в пределах от -U (нижний уровень, ограничени ) до Ug (верхний уровень ограничени ). Напр жение на выходе блока 57 суммировани также измен етс при изменении U, причем при максимальном входном сигнале, равном 4-и,, это напр жение максимально и равно уровню 71 (фиг. 2), при нулевом управл ющем сигнале это напр жение равно уровню 70 и при минимальном управл ющем сигнале, равном это напр жение минимально и равно уровню 72. Уровни 73 и 74 соответствуют некоторым промежуточным значени м , управл ющего сигнала. .. -in -II Напр жени 70-74, определ емые разными уровн ми управл ющего напр жени Uy, сравниваютс с развертывающими пилообразными напр жени ;:ми 68-69, 75-76, 77-78 на компараторах 16 и 18 соответственно модул торов 9-11 ширины импульсов. В ре|зультате сравнени напр жений 68-69 с напр жением 70-71 на выходе компараторов 16 и 18 модул тора 9 вырабатываютс импульсные последовательности 79-83, которые через устройство . 36 разв зки и усилени поступают на управл ющие цепи ключей 40-43 ком мутатора 33 и определ ют алгоритм пе реключени ключей коммутатора 33.При чем напр жению 71 соответствуют импульсные последовательности 79-80, напр жению 73 -последовательности 81 82, напр жению 70 - последовательности 83-84, напр жению 74 - последовательности 85-86, напр жению 72 последовательности 87-88. Другими словами, при изменении управл ющего сигнала от +Ug до -U импульсные по следовательности, определ ющие алгоритмы переключени ключей 40-43, измен ютс непрерывно от 79-80 до 8788 . При этом выходное напр жение воль тодобавоЧ:ного трансформатора 53 также непрерьшно измен етс от напр жени 89, до напр жени 92, причем,как .видно из диаграмм, среднее значение выходного напр жени трансформатора измен етс от своего положительного значени до отрицательного. Т.е. под действием изменени сигнала управлени Цу, поступающего на ввод 62, среднее значение выходного напр жени трансформатора 53 измен етс как по величине, так и по знаку, что при водит к регулированию напр жени на нагрузке 56. Аналогичные процессы происход т в других вольтодобавочных трансформаторах 54 и 55. Отличие состоит в том, что фазы импульсов в выходных напр жени х трансформаторов 5А и 55 сдвинуты за счет синхронизации модул торов 10 и 11 с других вьшодов 4 и 5 кольцевого распределител 2 импульсов . В результате напр жение 93, 96, 98 на нагрузке 56 имеет неискаженную синусоидальную форму .при уровне сигнала 71, 70 и 72, а при промежуточных уровн х сигнала 73 и 74 напр жение 95 и 97 на нагрузке 56 имеет утроенную, по отношению к напр жению одного трансформатора, частоту f f t з пульсаций. Величина среднего напр жени на нагрузке измен етс при этом от напр жени 93, равного сумме напр жени сети и добавочного напр жени трансформаторов 53-55, до напр жени 98, равного разности напр жени сети и напр жении траисфор-, маторов 53-55. Рассмотрим формирование напр жени 89-92 на выходной обмотке трансформатора 53 под действием Управл ющих импульсных последовательностей 79-88. Пусть напр жение 79 поступает на полностью управл емые ключи 40 и 41, а напр жение 80 - на ключи 42 и 43, причем положительное значение напр жений 79 и 80 соответствует включенному состо нию ключей 40 и 43 и выключенному состо нию ключей 41 и 42, а отрицательное значение напр жений 79 и 80 - включенному состо нию ключей 41 и 42 и выключенному состо нию ключей 40 и 43. Тогда на первом интервале времени 0-t (фид. 3, диаграммы 79, 80 и 89 соответственно) включены ключи 40 и 42, первична обмотка трансформатора 53 отключена от сети и закорочена этими ключами, на трансформаторе 53 напр жение равно нулю. В момент времени t ключ 40 выключаетс и включаетс ключ 41, при зтом первична обмотка 50 трансформатора 53 подключаетс к выводам 46 и 47 (началом к вьшоду 47) и на вторичной обмотке трансформатора 53 действует напр жение , определ емое соответствующим коэффициентом трансформации и включенное согласно с напр жением сети. Такое состо ние ключей продолжаетс доcontrol inputs 27-32 of switches 33-35. At the same time, the power inputs 44: and 45 of the switches 33-35 are connected to the network terminals 46 and 47, and the power outputs 48 and 49 - to the primary windings 50-52 voltage booster transformers 53-55, the secondary windings of which are connected in series with each other and the load 56 and connected to the network terminals 46 and 47. In addition, the combined control inputs 12-14 are connected to the output of the summation unit 57, to the two inputs 5 and 59 of which are connected a two-sided voltage limiter 60 and a constant voltage source 61 double-sided limiter input 60 is input m 62 control voltage. FIG. 2 denotes the network voltage 6, the pulses 64 of the master oscillator I, the pulses 65-67 at the outputs 3 of the ring pulse distributor, respectively, the output voltages 68 and 69 of the generators 15 and 17 of the modulator sawtooth voltage 9, respectively, the output voltage 70 of the summation block 57 in the absence of a control signal at input 62, the output voltage 7I and 72 of the block 57 are summed at the maximum and minimum control signals: equal to the upper and lower limits of the limiter 60, respectively, output voltage 7 and 74 blocks 57 summation at intermediate values of the control signal, the output voltage 75, 76 77.78 (in the zone of change of the control signal) generators 15 and 17 sawtooth voltage modulators 10 and 11, respectively, the output signal 79 and 80 modulator 9 on the outputs 21 and 22, respectively, with a maximum input signal of 71, equal to. At the upper limit level, 81 and 82 are the same, with a signal 73. At the output of block 57, the summation, 83 and (84 is the same, with a signal 70, 85 and 86 is the same, with a signal 74, .87 and 88 the same , at the signal 72., Fig. 3 denotes the voltage 8 on the secondary winding of the booster transformer 53 at the signal 71, 90 - the same, at the signal 73, 91 - the same, at the signal 74, 92 - the same, at the signal 72, voltage 93 - at load at signal 71, line voltage level, voltage 95-98 at load at control signals 73 70, 74 and 72, respectively. The proposed AC voltage regulator is high Total pulse-width regulation operates as follows: Network voltage 63 is applied to primary windings of 50-52 booster transformers 53-55 through switches 33-35 performed on fully controlled switches 40-43. The size and shape of the output voltages, booster transformers 5355 are determined by both the network voltage 63 and the switching algorithms of the fully controllable keys 40-43. The secondary windings of transformers 5355 are connected in series with each other, the load and the network, so that the load 56 has a voltage equal to the algebraic sum of the 63 network and all the voltages of the secondary windings of booster transformers 53-55. The switching algorithms, in turn, are determined by the control voltage Uy applied to the control voltage input 62 and the sweep voltage of the pulse width modulators 9-11. In the initial state, the master oscillator 1 generates pulses 64, synchronous with eg. 63 networks and having a frequency much higher than the frequency of the network. The pulses 64 are fed to the input of the ring distributor 2 pulses and are distributed along its outputs 3-5 according to diagrams 65-67. The pulse sequences 65–67 synchronize the oscillators 15 and 17 of the sawtooth voltages of the pulse width modulators 911, respectively. Moreover, generator 15 produces saw-tooth linearly falling voltage 68, and generator 17 produces linearly flowing voltage 69. Voltages 68 and 69 are sweep voltages for the pulse width modulator 9, and voltages 75-78 sweep voltages for modulators 10 and 11, respectively. The control inputs 12-14 of the modulators 9-11 are supplied with a voltage from the output of the block 57 summation equal to. the sum of the control voltage Uy and the voltage of source 61. Since the voltage uy passes through a two-way limiter 60 (for which an operational amplifier with an adjustable saturation level can be used), the voltage at input 58 of summation unit 57 varies from U (lower level, restrictions) to Ug (upper level restrictions). The voltage at the output of summation unit 57 also changes when U changes, and with a maximum input signal equal to 4, this voltage is maximum and equal to level 71 (Fig. 2), with a zero control signal this voltage is equal to 70 and with a minimum control signal equal to this voltage minimum and equal to level 72. Levels 73 and 74 correspond to some intermediate values of the control signal. .. -in-II Voltages 70-74, determined by different levels of control voltage Uy, are compared with sweep saw-tooth voltages;: 68-69, 75-76, 77-78 at comparators 16 and 18, respectively, module tori 9-11 pulse width. As a result, the comparison of voltages 68-69 with voltage 70-71 at the output of the comparators 16 and 18 of the modulator 9 produces pulse sequences 79-83, which through the device. 36 decouples and amplifications are supplied to the control circuits of the keys 40–43 by the mutator 33 and the switch key switch algorithm 33 is determined. At voltage 71, the pulse sequences 79–80 correspond, voltage 73 are the sequences 81 82, voltage 70 - sequences 83-84, voltage 74 - sequences 85-86, voltage 72 sequences 87-88. In other words, as the control signal changes from + Ug to -U, the pulse sequences that determine the key switching algorithms 40-43 change continuously from 79-80 to 8788. In this case, the output voltage of the add-on transformer 53 also varies continuously from voltage 89 to voltage 92, and, as can be seen from the diagrams, the average value of the output voltage of the transformer changes from its positive to negative value. Those. under the effect of a change in the Zu control signal to input 62, the average value of the output voltage of transformer 53 varies both in magnitude and in sign, which leads to voltage regulation at load 56. Similar processes occur in other booster transformers 54 and 55. The difference is that the phases of the pulses in the output voltages of transformers 5A and 55 are shifted due to the synchronization of the modulators 10 and 11 from the other outputs 4 and 5 of the ring distributor 2 pulses. As a result, the voltage 93, 96, 98 at the load 56 has an undistorted sinusoidal shape. At a signal level of 71, 70 and 72, and at intermediate signal levels 73 and 74, the voltage 95 and 97 at load 56 has tripled, in relation to the voltage one transformer, the frequency of fft pulsation. The magnitude of the average voltage on the load varies from a voltage of 93, equal to the sum of the network voltage and the additional voltage of the transformers 53-55, to a voltage of 98 equal to the difference of the network voltage and the voltage of the transformers 53-55. Consider the formation of voltage 89-92 on the output winding of a transformer 53 under the action of Control Pulse Sequences 79-88. Let voltage 79 go to fully controlled keys 40 and 41, and voltage 80 to keys 42 and 43, with a positive value of voltages 79 and 80 corresponding to the on state of the keys 40 and 43 and the off state of the keys 41 and 42, and the negative value of voltages 79 and 80 is the on state of the keys 41 and 42 and the off state of the keys 40 and 43. Then, in the first time interval 0-t (feed 3, charts 79, 80 and 89, respectively), the keys 40 and 42, the primary winding of the transformer 53 is disconnected from the network and short-circuited with these keys for the transform Torus 53 is zero voltage. At time t, key 40 is turned off and key 41 is turned on, with this, the primary winding 50 of the transformer 53 is connected to terminals 46 and 47 (beginning with figure 47) and the secondary winding of the transformer 53 is energized by the corresponding transformation ratio and is turned on according to network voltage. This key state continues until

момента времени t. , когда происходит выключение ключа 42 и включение ключа 43. На интервале первична обмотка трансформатора оп ть отключена от сети и закорочена ключами 41 и 43, на вторичной, обмотке напр жение оп ть равно нулю. Далее процессы повтор ютс .time t. when key 42 is turned off and key 43 is turned on. In the interval, the primary winding of the transformer is again disconnected from the network and short-circuited with keys 41 and 43, on the secondary winding, the voltage is again zero. Further, the processes are repeated.

При изменении управл ющего напр жени UY измен ютс интервалы работы ключей 40 и 41, а значит и измен етс относительна длительность включенного состо ни ключей 42 и 41, что приводит к уменьшению величины добавочного напр жени 90 при сигнале , равном уровню 73. При уровне сигнала 70 алгоритм переключени ключей таков, что попеременно замкнуты то ключи 42 и 40, то ключи 41, и 43, так что. первична обмотка трансформатора все врем закорочена. При дальнейшем изменении алгоритмов 85 и 87 по вл ютс интервалы времени , когда одновременно включены ключи 40 и 43. При этом первична обмотка подключаетс к сетевым вьшодам 46 и 47 (началом к вьшоду 46) и на вторичной обмотке получаетс напр жение, включенное встречно с напр жением сети. Так происходит вычитание напр жени вторичной обмотки трансформатора 53 из напр жени сети.When the control voltage UY changes, the operation intervals of the keys 40 and 41 change, and therefore the relative duration of the on state of the keys 42 and 41 changes, which leads to a decrease in the value of the additional voltage 90 at a signal equal to level 73. At a signal level 70, the key switching algorithm is such that the keys 42 and 40 are alternately closed, then the keys 41, and 43, so. The transformer primary is shorted all the time. With a further change in algorithms 85 and 87, the time intervals appear when the keys 40 and 43 are simultaneously turned on. At the same time, the primary winding is connected to the network outputs 46 and 47 (starting with figure 46) and the secondary winding turns on network. This is how the voltage of the secondary winding of the transformer 53 is subtracted from the supply voltage.

Claims

Invention Formula

AC voltage regulator with high-frequency pulse-width control auth.St. No. 1026278, characterized in that, in order to increase energy performance and improve the use of key elements, a summation unit, a double-sided voltage suppressor and a constant voltage source are introduced, the inputs of the summation unit being connected to the outputs of a two-sided voltage suppressor and a constant voltage source and the output is connected to the control input of the regulator, the input of the two-way voltage limiter is the input of the control voltage.

GC X 7 t X 7/1/1/1/1 /

five

G7G

ABOUT

..

IG

.

U

sl-ya