Устройство для регулирования переменного напряжения

 

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является снижение бросков зарядного тока, улучшение массогабаритных показателей и уменьшение установленной мощности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве формирование тока первой гармоники напряжения питающей сети осуществляется с помощью колебательных зарядов и разрядов основных конденсаторов 2, 3 и вспомогательных конденсаторов 23, 24 с частотой, большей частоты питающей сети, а регулирование осуществляется путем изменения начальной фазы тока в первичной дополнительной обмотке 17 относительно первичной основной обмотки 12. Устройство снабжено двумя дросселями 1 и 22 и двумя выпрямителями 6 и 25 с фильтрами 7 и 26, причем первичные, основная и дополнительная обмотки выполнены со средними выводами, а блок управления 27 снабжен двумя двухканальными формирователями прямоугольных импульсов 29 и 39, генератором пилообразного напряжения 30, разделительным блоком 28, датчиком напряжения 32, узлом сравнения 31, четырьмя управляемыми генераторами 34 - 37, триггером 33 с парофазным выходом и десятью усилительно-развязывающими узлами 40 - 49, за счет чего достигается поставленная цель. 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5!)5 Н 02 М 5/257

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ и

3 -1

С 1 ..

Г!,„. э 1Г / у)+ В

1 )лг) ° ВИВА (21) 47 }4449/07 (22) 04,07.89

{46) 15.08.91. Бюл. М 30 (71) Псковский филиал Ленинградского политехнического института им. М.И, Калинина (72) А.И. Маркевич, А.А. Иванов и P,А. Полянский (53) 621,314,2(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

M 1081628, кл. G 05 F 1/24, 1984.

„„50„„1670758 А1 (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ

ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является снижение бросков зарядного тока, улучшение массогабаритных показателей и уменьшение установленной мощности устройства. Поставленная цель достигается тем, что в устройстве формирование тока первой гармоники напряжения питающей сети осуществляется с помощью колебательных зарядов и разряЯ 4

О

V (л

1670758

40 вспомогательных конденсаторов 23 и 24, 45 подключенных вторыми выводами к выводов основных конденсаторов 2, 3 и вспомогательных конденсаторов 23 и 24 с частотой, большей частоты питающей сети, а регулирование осуществляется путем изменения начальной фазы тока в первичной дополнительной обмотке 17 относительно первичной основной обмотки 12, Устройство снабжено двумя дросселями 1 и 22 и двумя выпрямителями 6 и 25 с фильтрами

7 и 26, причем первичные, основная и дополнительная обмотки выполнены со средними

Изобретение относится к электротехнике.

Целью изобретения является снижение бросков зарядного тока, улучшение массогабаритных показателей и уменьшение установленной мощности.

На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства; на фиг, 2 — временные диаграммы напряжения питающей сети (U ) и токов первичной основной liz, дополнительной !1т и вторичной I обмоток трансформатора, напряжения на вторичной обмотке и на выходных выводах устройства при ф= 0; на фиг. 3 — временные диаграммы напряжения питающей сети и токов первичной основной, дополнительной и вторичной обмоток трансформатора, напряжения на вторичной обмотке и на выходных выводах устройства при + 180 ; на фиг, 4 — временные диаграммы, поясняющие работу блока управления, Устройство содержит первый дроссель

1, соединенный первым выводом с общими выводами включенных последовательно основных конденсаторов 2 и 3, подключенных вторыми выводами к входным выводам устройства, трансформатор 4, вторичная обмотка 5 которого через первый выпрямитель 6 и первый фильтр 7 соединена с входом первого моста на управляемых вентилях 8-11, Второй вывод дросселя 1 соединен со средним выводом основной первичной обмотки

12 трансформатора 4, включенной между первой и второй парами соединенных встречно-параллельно управляемых вентилей 13 и 14 и 15 и 16. Вторые выводы этих пар вентилей подключены к входным выводам устройства. Первичная дополнительная обмотка 17 трансформатора 4 включена в диагональ второго моста на управляемых вентилях 18-21 и средним выводом соединена с первым выводом второго дросселя

22, второй вывод которого подключен к общим выводам последовательно включенных

35 выводами, а блок 27 управления снабжен двумя двухканальными формирователями прямоугольных импульсов 29 и 39, генератором пилообразного напряжения 30, разделительным блоком 28, датчиком напряжения 32, узлом сравнения 31, четырьмя управляемыми генераторами 34-37, триггером 33 с парофазным выходом и десятью усилительно-развяэывающими узлами 4049, за счет чего достигается поставленная цель. 4 ил. дам постоянного тока второго выпрямителя

25 через второй фильтр 26. Вход второго моста подключен к выходу второго фильтра

26, а вход второго выпрямителя 25 соединен с входными шинами устройства.

Основные конденсаторы 2 и 3, дроссель

1, первичная основная обмотка 12 трансформатора 4 и управляемые вентили 13 и 16 и 14 и 15 можно рассматривать в совокупности, как два последовательных полумостовых резонансных инвертора, питающихся непосредственно от первичной сети, при этом инвертор на управляемых вентилях 13 и 16 формирует положительную полуволну тока входной частоты через основную первичную обмотку 12 посредством п1/2 тактов работы этого инвертора. Индуктивность первого дросселя 1 с учетом индуктивностей сети и первичной основной обмотки 12 и емкости основных конденсаторов 2 и 3 выбраны так, что процессы заряда и разряда этих конденсаторов носят колебательный характер с частотой в п1 раз большей частоты и итающей сети. Аналогично ин вертор на управляемых вентилях 14 и 15 формирует отрицательную полувопну тока входной частоты через первичную основную обмотку 12, Вспомогательные конденсаторы 23 и

24, второй дроссель 22, первичная дополнительная обмотка 17 трансформатора 4 и управляемые вентили 19 и 20 и 18 и 21 также в совокупности можно рассматривать, как два других последовательных полумостовых резонансных инвертора, но питающихся уже от второго выпрямителя 25 с вторым фильтром 26. При этом инвертор на управляемых вентилях 19 и 20 формирует положительную полуволну тока входной частоты через первичную дополнительную обмотку

17 посредством пр/2 тактов работы этого инвертора. Индуктивность второго дросселя 22 с учетом индуктивности первичной дополнительной обмотки 17 и емкости вспомогательных конденсаторов 23 и 24 выбраны так, что процессы заряда и разряда этих конденсаторов носят колебательный харак1670758

4С1х1 — 1

4Л fñ n1С Q(1

55 эом. тер с частотой в и раз большей частоты питающей сети. Анало ичным образом формируется отрицательная полуволна тока входной частоты через дополнительную обмотку 17 с помощью инвертора на управляемых вентилях 18 и 21. При этом индуктивности первого и второго дросселей 1 и 22 и емкости основных и вспомогательных конденсаторов 2 и 3, 23 и 24 связаны между собой следующими соотношениями:

4Q1 — 1

4л2 f n1 С1 С11

4Q) — 1

2 ——

4Л f n) С2 С1 где L1 — индуктивность первого дросселя с учетом индуктивности полуобмоток основной первичной обмотки; бр — индуктивность второго дросселя с учетом индуктивности полуобмоток дополнительной первичнои обмотки;

С1 — емкость основного конденсатора;

Ср — емкость вспомогательного конденсатора;

fc — частота входного напряжения; п1, R2 — числа. показывающие, во сколько раз частота преобразования больше частоты входного напряжения;

Q1 и Qz — добротности соответственно основного и дог1олнительного контуров, обраЗОВЭННЫХ с 1 И С1, L2 И С2.

Принимая во внимание, что частота свободных колебаний первого контура а к1 больше частоты пи1аюЩеи сети 1с в п1 Раз (Wk1 2 7г fcn1) и используя эги же выражения для вывода соотношения. связывающего индуктивность в орого дросселя 22 и емкости вспомогательных конденса горов 23 и 24, при э ом учитывал, что частота свободных колебаний второго контура wj z больше часToTbl питающей сети f в ni раз (ю/х2=2М/ franz), окончательно имеем следующие соотношения;

4Q(2 1

4л с n> Cz Qi<1

При этом начальная фаза тока первой гармоники частоты питающей сети в дополнительной первичной обмотке может изменяться автоматически от 0 до 180 (от 180 до

360О) относительно тока в ервичной основной обмотке путем иэменсния углов управления управляемыми вентилями 19, 20, 18, и 21 с помощью блока 27 управления в зависимости оТ уровня выходного напряжения.

Блок 27 управления (фиг. 1) содержит разделительный блок 28, первый двухканальный формирователь 29 прямоугольных импульсов, генератор 30 пилообразного напряжения, узел 31 сравнения, датчик 32 напряжения, триггер 33 с парафазным выходом, четыре управляемых генератора 34 — 37 парафаэных импульсов, развяэывающий узел

38, второй двухканальный формирователь

39 прямоугольных импульсов и десять усилительно-развязывающих узлов 40-49, Разделительный блок 28 может осуществлять гальваническую развязку и согласование сигналов по уровню между первичной сетью и входом первого двухканального формирователя 29 прямоугольных импульсов, формирующего парафаэные импульсы длительностью, равной половине периода напряжения первичной сети (Usblx Q29) фиг, 4. Генератор 30 пилообразного напряжения преобразует сигнал прямоугольной формы, поступающий с выхода формирователя 29, в сигнал с пилообразной формой и с длительностью, равной полупериоду напряжения первичной сети (0вх31) на фиг. 4). Датчик 32 напряжения преобразует переменное напряжение в постоянное напряжение управления, пропорциональное выходному напряжению устройства. Узел 31 сравнения в момент равенства амплитуд управляющего и пилообразного напряжения вырабатывает импульс на своем выходе (Ug x 31) на фиг. 4). В качестве узла 31 сравнения можно использовать, например, компаратор, выполненный на операционном усилителе. Упоавляемые генераторы 34 — 37 парафазных импульсов запускаются передним фронтом управляющего импульса, длительностью равного половине периода входной частоты (Овых Q29 и 0вых Q33, фиг. 4) и заполняют его импульсами с частотои, в и раз большей частоты входного напряжения.

Развязывающий узел 38 выполнен на оптоэлектронном коммутаторе и осуществляет гальваническую развязку между силовой частью устройства и блоком управления, а также согласует сигналы по уровню, Второй двухканальный формирователь 39 прямоугольных импульсов может быть выполнен аналогично первому двухканальному формирователю 29.

Усилительно-раэвязывающие узлы 40 — 49 формируют управляющие импульсы достаточной мощности (0со-0щ, фиг. 4) и осуществляют гальваническую развязку, Устройство работает следующим обраПусть частоты собственных колебаний полумостовых резонансных инверторов, формирующих положительные и отрицательные

1670758 полуволны тока входной частоты через первичные основную 12 и дополнительную 17 обмотки, будут больше частоты питающей сети и равны между собой (т.е. n>=nz=n, для фиг, 2 и 3 п=6), а начальная фаза тока первой гармоники напряжения питающей сети в дополнительной первичной обмотке будет равна 0 относительно тока в основной первичной обмотке, В положительный полупериод напряжения сети в момент времени to открываются управляемые вентили 13 и 19 и с этого момента времени до момента ti происходит заряд основного конденсатора 3 до значения напряжения, пропорционального прикладываемому в данный момент входному напряжению, и заряд вспомогательного конденсатора 24 — до значения напряжения, пропорционального входному напряжению выпрямителя 25 с фильтром 26, и разряд основного 2 и вспомогательного 23 конденсаторов, К моменту времени t> ток заряда основного конденсатора 3 и разряда основного конденсатора 2, протекающий через первый дроссель 1 и полуобмотку первичной основной обмотки 12, спадает до нуля, и управляемый вентиль 13 закрывается. Аналогично при спадании до нуля тока в цепи вспомогательных конденсаторов 23 ui 24, второго дросселя 22 и полуообмотки дополнительной первичной обмотки 17 закрывается управляемый вентиль 19.

В момент времени ti открываются управляемые вентили 16 и 20, и с этого момента времени до момента т2 происходит заряд основного конденсатора 2 и разряд основного конденсатора 3 через первый дроссель

1 и другую половину первичной основной обмотки, которые закончатся к моменту времени tz. когда ток через управляемый вентиль 16 спадает до нуля, Подобным же образом с момента времени ti до момента времени t2 происходит заряд первого вспомогательного конденсатора 23 и разряд второго вспомогательного конденсатора 24 при открывании управляемого вентиля 20. Ток при этом протекает через вторую полуобмотку дополнительной первичной обмотки 17 транформатора, Описанные процессы повторяются и/2 раз до момента времени сз, соответствующего окончанию положительного полупериода питающего напряжения, и в течение всего времени в первичной и дополнительной обмотках формируются положительные полуволны токов.

Аналогичным образом с момента времени тз до момента времени t4 в обмотках трансформатора формируются отрицатель5

55 ные полуволны токов от зарядов и разрядов основных конденсаторов 2 и 3 при открывании управляемых вентилей 14 и 15 и от зарядов и разрядов вспомогательных конденсаторов

23 и 24 при открывании управляемых вентилей 18 и 21, Токи всех обмоток трансформатора создают соответствующие магнитные потоки. которые, складываясь, образуют суммарный магнитный поток.

Во вторичной обмотке трансформатора возникает напряжение, пропорциональное этому магнитному потоку и по форме представляющее модулированные по амплитуде колебания.

Это напряжение далее выпрямляется выпрямителем 6, который в данном случае выполняет роль демодулятора. Выходное напряжение выпрямителя содержит постоянную составляющую, гармонику с двойной частотой первичной сети и с частотами, кратными fc u nfc.

С помощью первого фильтра 7, который является фильтром низких частот (в простейшем случае это может быть конденсатор, подключенный параллельно выходному выпрямителю), отфильтровываются составляющие более высоких частот (кратные и fc), Напряжение после фильтра по форме представляет последовательность полуволн с частотой, равной удвоенной частоте первичной сети.

Постоянная составляющая этого напряжения устраняется с помощью моста на управляемых вентилях 8-11, который в то же время выполняет роль делителя частоты.

При открывании управляемых вентилей 8 и

11 в нагрузке формируется положительная, а при открывании управляемых вентилей 9 и 10 — отрицательная полуволны напряжения с частотой fc.

Форма результирующего напряжения на нагрузке показана на фиг. 2 (Uz>). Изменяя моменты открывания управляемых вентилей 19 и 20 в диапазоне от с до и, а моменты открывания управляемых вентилей 18 и 21 — в диапазоне от тз до t4, при неизменном количестве колебаний тока в первичной основной 12 и дополнительной

17 обмотках и составляя моменты открывания управляемых вентилей 13 и 16, 14 и 15 постоянными (т.е. такими, как было указано выше) можно менять угол сдвига фаз первои гармоники тока (с частотой fc) в первичной дополнительной обмотке относительно первой гармоники тока в первичной основной обмотке в диапазоне от tP = 0 до ф == 180 .

Это приводит к изменению по величине результирующего магнитного потока и как

1670758

5

25

35

45

55

40) — 1

Ll—

4 f n) Ct 0) следствие к плавному регулированию выходного напряжения, Формула изобретения

Устройство для регулирования переменного напряжения, содержащее трансформатор с одной вторичной и двумя первичными — первичной основной и первичной дополнительной — обмотками, первый и второй мосты на управляемых вентилях, две пары соединенных встречно-параллельно управляемых вентилей, между которыми включена первичная основная обмотка, два соединенных последовательно основных и два вспомогательных конденсатора, два фильтра и блок управления, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения бросков зарядного тока, улучшения массогабаритных показателей и уменьшение ус ановленной мощности, введены первый дроссель, который первым выводом подключен к общим выводам соединенных последовательно основных конденсаторов. подключенных вторыми выводами к выводам для подключения сети, а вторым выводом — к среднему выводу первичной основной обмотки трансформаторэ, первый выпрямитель, соединенный выводами переменного тока с вторичной обмоткой трансформатора, выводы постоянного тока которого подключены через фильтр к входу первого моста на упрэвляе1 мых вентилях. выход;оторого подключен к выводам для подключения нагрузки, второй дроссель, соединенныи первым выводом с обшими выводами вклю енных последовагельно Bc i0h10fàòåëüíûõ конденсаторов, подключенных вторыми выводами åðe3 второй филь1р к выводам постоянного тока второго выпрямителя второй вывод второго дросселя соединен со средним выводом первичной дополнительной обмотки, которая включена краиними выводами в диагональ второго моста на управляемых вентилях. вход которого оединен с выход ыми выводами фильтра. вторые выводы встречно-параллельно включенных пар управляемых вентилей и выводы переменного тока второго выпрямителя подключены к выводам для подключения сети. а блок управления содержит первыи двухканальный формирователь прямоугольных импульсов, входы которого через разделительный блок соединены cc,îòeñòñTBåííî с первым и вторым входами блока управления, подключенными к выводам для подключения сети, датчик напряжения, первым и вторым входами подключенный соответственно к третьему и четвертому входам блока управления, присоединенным к выводам для подключения нагрузки, а выходом соединенный с первым входом узла сравнения, к второму входу которого подключен выход генератора пилообразного напряжения, входом соединенного с первым выходом первого двухканального формирователя прямоугольных импульсов, четыре управляемых генератора парафазных импульсов, десять усилительно-развязывающих узлов, из которых первый и второй имеют по два гальванически развязанных выхода, а остальные восемь — по одному выходу, причем каждый из этих выходов формирует один иэ выходов блока управления, триггер с парафазным выходом, входом подключенный к выходу узла сравнения, и второй двухканальный формирователь прямоугольных импульсов, входом соединенный через развязывающий узел с пятым и шестым входами блока управления, которые подключены к выходу первого фильтра, при этом первый выход второго формирователя прямоугольных импульсов соединен с входом первого усилительнораэвязывающего узла, а его второй выход— с входом второго усилительно-развязывающего узла, входы третьего, пятого. седьмого и девятого усилительно-развязывающих узлов соединены с первыми выходами соответственно первого, второго, третьего и четвертого управляемых генераторов, а входы четвертого, шестого, восьмого и десятого усилитег. ьно-развязывающих узлов — с вторыми выходами этих генераторов, первый и второй выходы триггера подключены соответственно к входам первого и второго управляемых генератора, а первый и второй выходы первого формирователя прямоугольных импульсов — к входам третьегО и четвертого генераторов, при этом выходы первого и в1орого усилительно-развязывающих узлов подключены к входам управления управляемых вентилей первого моста. выходы третьего и четвертого, пятого и шестого усилительно-развязывающих узлов подключены к входам управления управляемых вентилей второго моста, выходы седьмого, восьмого, девятого и десятого усилительно развязывающих узлов подключены к входам управления пар соединенных встречно — параллельно управляемых вентилей, кроме того, индуктивность первого дросселя с учетом индуктивности полуобмоток основной первичной обмотки и индуктивности сети, и индуктивность второго дросселя, с учетом индуктивности полуобмоток дополнительной первичной обмотки связаны с емкостями соответственно основных и вспомогательных конденсаторов соотношениями

1670758

each — 1

4л 6 п С2 Q) C17

5» а где L1 — индуктивность первого дросселя с учетом индуктивности полуобмоток основной первичной обмотки;

L2 — индуктивность второго дросселя с учетом индуктивности полуобмоток дополнительной первичной обмотки;

C> — емкость основного конденсатора;

С2 — емкость вспомогательного конденсатора;

1, — частота входного напряжения;

5 п1 и лр -числа, показывающие, во сколько раз частота преобразования больше частоты входного напряжения;

Q> и 02 — добротности соответственно первого и второго контуров.

1670758 ь!ц 8 Æ

Ьых 47 бь 48

Ьых Ъл

ЬюаФг Р бил.@ быка

Ъа45 ю

4мкю

blblg41

Составитель И. Головинова

Редактор Н. Каменская Тех е М, р д,Моргентал Корректор М, Максимишенец

Заказ 2755 Тираж 374

ВНИИПИ Гос да ственн г

Подписное осударственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

П роизводственно-издательский комбинат "Пате " . У атент, r. жгород, ул. Гагарина, 101