Способ регулирования напряжения любого вида и устройство для его осуществления

 

Изобретение может быть использовано в системах вторичного электропитания, в частности в регуляторах и стабилизаторах переменного синусоидального, переменного асимметричного, выпрямленного и постоянного, в силовых модуляторах систем автоматики и радиотехнической аппаратуры, низковольтного и высоковольтного электропривода. Предложен способ регулирования напряжения любого вида и устройство для его осуществления, который при увеличении напряжения основан на преобразовании выпрямленного входного напряжения в высокочастотное с равномерной широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), трансформацией, синхронно с входным напряжением выпрямлением, суммированием с входным напряжением и фильтрацией на выходе, а уменьшение входного напряжения осуществляется путем его модуляции равномерной ШИМ с последующей фильтрацией на выходе. Технический результат - повышение энергетических показателей. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах вторичного электропитания, в частности в регуляторах и стабилизаторах переменного синусоидального, переменного асимметричного, выпрямленного и постоянного напряжения.

Известен способ дискретного регулирования напряжения [1], заключающийся в реализации дискретного регулирования текущего уровня входного напряжения, основанный на сравнении последнего с текущими значениями двух специально формируемых уровней напряжения и использовании результата сравнения в качестве информации управления коэффициентом передачи регулирующего органа.

Недостатками известного способа являются:

- искажение формы выходного напряжения при воздействии дестабилизирующих факторов как со стороны питающей сети, так и со стороны нагрузки, выражающееся в ограничении выходного напряжения по мгновенным значениям;

- ограниченная точность регулирования выходного напряжения на уровне дискретности регулирующего органа.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является способ регулирования переменного напряжения [2], основанный на высокочастотном чередовании режима шунтирования вольтодобавочного трансформатора с режимом вольтоприбавления или вольтовычитания и изменения скважности в процессе смешанной коммутации ключей.

Недостатками данного способа являются:

- дополнительные потери в силовых ключах в режиме шунтирования вольтодобавочного трансформатора;

- низкое качество выходного напряжения (повышенный уровень высокочастотных гармоник), особенно в начале и конце диапазона входного напряжения, так как частота коммутации силовых ключей не может быть более нескольких сотен герц.

Это связано с тем, что намагничивание сердечника магнитопровода при переключении силовых ключей имеет один знак и осуществляется в пределах полупериода напряжения сети, следовательно, трансформатор должен быть рассчитан на основную частоту напряжения сети. Кроме того, необходимо учитывать подмагничивание магнитопровода трансформатора током нагрузки. Повышение частоты коммутации силовых ключей приведет к дополнительным потерям в магнитопроводе (потери на перемагничивание) и в меди (за счет скин-эффекта), так как длина проводов в обмотках будет соответствовать параметрам низкочастотного трансформатора.

Известен стабилизатор переменного напряжения [3], содержащий трансформатор, включенный вторичной обмоткой в одну из силовых шин, первичной, через коммутирующие элементы подключенной к входному напряжению, устройство сравнения и управления, коммутирующие элементы подключены таким образом, что в зависимости от выходного напряжения, определяемого схемой сравнения и управления, и схемой контроля уровня, первичная обмотка подключается так, что напряжение на ней изменяет полярность, либо трансформатор работает в режиме трансформатора тока с закороченной первичной обмоткой, и с помощью силового ключа, цепь управления которого подключена к схеме сравнения и управления, а также первой мостовой схемы поддерживается на выходе напряжение с определенной степенью точности.

Недостатками данного стабилизатора переменного напряжения являются

- ограниченная коэффициентом трансформации трансформатора точность стабилизации выходного напряжения;

- дополнительные потери в силовых элементах закороченной первичной обмотки трансформатора в режиме трансформатора тока.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению (прототипом) является электронный стабилизатор напряжения [4], который содержит вольтодобавочный трансформатор, реверсирующий мост, регулирующий ключ из двух встречно-параллельно включенных транзисторов, датчик тока, шунтирующие транзисторы, широтно-импульсный модулятор, логические схемы.

Недостатками данного электронного стабилизатора напряжения являются:

- дополнительные потери в силовых ключах в режиме шунтирования вольтодобавочного трансформатора;

- повышенная частота коммутации регулирующего ключа не приводит к уменьшению габаритов вольтодобавочного трансформатора, так как намагничивание магнитопровода при коммутации регулирующего ключа имеет один знак и осуществляется в пределах полупериода напряжения сети при наличии подмагничивания током нагрузки, следовательно, трансформатор должен быть выполнен из условия работы на частоте сети; таким образом, низкочастотный трансформатор должен удовлетворять по потерям требованиям высокочастотного трансформатора (потери в магнитопроводе на перемагничивание и потери в меди за счет скин-эффекта) при габаритах низкочастотного; уменьшение потерь в магнитопроводе потребует выполнение сердечника трансформатора из высокочастотных материалов (феррит, аморфные сплавы); но магнитопроводы из высокочастотных материалов имееют пониженную индукцию по сравнению с низкочастотной электротехнической сталью, что приведет к увеличению количества витков в обмотках вольтодобавочного трансформатора и, следовательно, к увеличению потерь в обмотках трансформатора;

- нельзя регулировать и стабилизировать напряжение другого вида, чем синусоидальное.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи регулирования и стабилизации напряжения любого вида.

Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей, повышении энергетических показателей, повышении качества выходного напряжения и регулирования, уменьшении массы и габаритов.

Поставленная задача решается с помощью способа регулирования напряжения любого вида, основанного на вольтоприбавлениии высокочастотного напряжения при повышении напряжения, причем предварительно входное напряжение выпрямляют, преобразовывают в переменное высокочастотное с амплитудной и широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), трансформируют, выпрямляют синхронно с входным, суммируют с входным и сглаживают на выходе, а понижение входного напряжения осуществляют с помощью широтно-импульсной модуляции и сглаживают на выходе.

Способ регулирования напряжения любого вида реализуется с помощью устройства регулирования напряжения любого вида, содержащего трансформатор, регулирующий ключ, датчик тока, второй регулирующий ключ, на входе устройства включен выпрямитель, выход которого соединен шиной питания высокочастотного преобразователя, управляющие входы которого подключены к блоку управления, а выход выпрямителя к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого средней точкой подключена к фазному проводу входного напряжения, а двумя остальными выводами ко входам выпрямителей положительной и отрицательной полярностей, выходы которых через регулирующие ключи подключены к сглаживающему фильтру и первому выводу электронного ключа с управляемой проводимостью, второй вывод которого подключен к нулевому проводу, а входы управления электронного ключа с управляемой проводимостью к блоку управления, выход сглаживающего фильтра через датчик тока подключен к выходу устройства и по цепи обратной связи с блоком управления, два других входа которого подключены к фазному проводу и выходу датчика тока, а входы управления регулирующих ключей к блоку управления, а блок управления представляет собой микроконтроллер и имеет в своем составе блок программного управления, широтно-импульсные модуляторы и аналого-цифровой преобразователь.

Структурная схема устройства регулирования напряжения любого вида представлена на фиг.1, а временные диаграммы напряжений, поясняющие работу устройства на примере регулирования синусоидального напряжения в режиме повышения напряжения - фиг.2, а в режиме понижения - фиг.3.

Устройство регулирования напряжения любого вида (фиг.1) содержит выпрямитель 1, выход которого соединен с высокочастотным преобразователем 2, управляющие входы которого подключены к блоку управления 3, а выход к первичной обмотке трансформатора 4, вторичная обмотка которого средней точкой подключена к проводу “Фаза” входного напряжения, а двумя остальными выводами ко входам выпрямителей положительной и отрицательной полярностей 5 и 6 соответственно, выходы которых через регулирующие ключи 7 и 8 подключены к первому выводу электронного ключа с управляемой проводимостью 9 и сглаживающему фильтру 10, второй вывод электронного ключа с управляемой проводимостью 9 подключен к проводу “0”, а входы управления электронного ключа с управляемой проводимостью 9 к блоку управления 3, выход сглаживающего фильтра 10 через датчик тока 11 подключен к выходу устройства и по цепи обратной связи ко входу блока управления 3, два других входа которого подключены к проводу “Фаза” выходного напряжения Uвых и выходу датчика тока 11, а два выхода блока управления 3 подключены к регулирующим ключам 7 и 8.

Рассмотрим способ регулирования напряжения любого вида, реализуемого с помощью устройства на примере регулирования синусоидального напряжения.

Входное напряжение поступает на вход выпрямителя 1, вход блока управления 3, представляющего собой микроконтроллер (имеющий в своем составе блок программного управления, широтно-импульсные модуляторы и аналого-цифровой преобразователь) и на среднюю точку трансформатора 4, причем вход блока управления 3 и средний вывод трансформатора 4 подключены к проводу “Фаза”. Если напряжение в сети меньше заданного выходного (Uвыx) (фиг.2,а), блок управления 3 формирует ШИМ модулированные импульсы управления высокочастотным преобразователем 2. С выхода преобразователя 2 знакопеременное с амплитудной и широтно-импульсной модуляцией высокочастотное напряжение (фиг.2,б) поступает на трансформатор 4. Со вторичной обмотки трансформатора 4 напряжение поступает на два выпрямителя 5 и 6, для преобразования его в однополярное - положительной и отрицательной полярностей соответственно. При положительной полуволне напряжения на входе блоком управления 3 включается регулирующий ключ 7 (фиг.2,в), а при отрицательной - регулирующий ключ 8 (фиг.2,г). Синхронизация работы регулирующих ключей 7 и 8 с сетью осуществляется блоком управления 3, где программно определяются моменты перехода входного напряжения через ноль. Трансформатор 4 включен по отношению к сети как вольтодобавочный, поэтому напряжение на выходе регулирующих ключей 7 и 8 представляет собой сумму напряжения сети и напряжения на выходе трансформатора 4 (фиг.2,д). С выхода регулирующих ключей 7 и 8 сформированное таким образом напряжение через сглаживающий фильтр 10, датчик тока 11 поступает на выход устройства и по цепи обратной связи на вход блока управления 3, где программно осуществляется регулирование выходного напряжения. Следует отметить, что двойная модуляция высокочастотного напряжения - амплитудная и ШИМ - позволяет получить высокое качество выходного напряжения в широком диапазоне входного напряжения.

Если напряжение в сети uвх больше заданного выходного Uвых (фиг.3,а), то оно через трансформатор 4, выпрямители 5 и 6 поступает на регулирующие ключи 7 и 8, где и осуществляется ШИМ модуляция входного напряжения uвx (фиг.3,б), регулирующий ключ 7 - в положительной полуволне (фиг.3,в), а 8 - в отрицательной (фиг.3,г). Далее напряжение поступает на сглаживающий фильтр 10, на выходе которого приобретает вид Uвых (фиг.3,б). Для передачи в нагрузку в безтоковую паузу (регулирующий ключ 7 или 8 выключен) запасенной в дросселе сглаживающего фильтра 10 энергии служит электронный ключ с управляемой проводимостью 9, при наличии сигнала управления на первом (фиг.3,д) обеспечивается протекание тока в направлении провод “0” - сглаживающий фильтр 10 при положительной полярности входного напряжения uвx, при наличии управляющего сигнала на другом управляющем входе (фиг.3,е) - в обратном направлении при отрицательной полярности входного напряжения uвx. В случае отсутствия сигналов управления электронный ключ с управляемой проводимостью 9 выключен. Управление регулирующими ключами 9, 10 осуществляется блоком управления 3. Сглаженное напряжение после фильтра 10, через датчик тока 11 поступает на выход устройства и по цепи обратной связи на вход блока управления 3.

Источники информации

1. А.с. №789985 от 23.12.80 г. Способ дискретного регулирования переменного напряжения. В.Е.Болтнев, В.П.Миловзоров, А.К.Мусолин.

2. Патент России №2155365 С2 от 27.08.00 г. Способ регулирования переменного напряжения. B.C.Климаш.

3. Патент России №2100837 C1 от 27.12.97 г. Стабилизатор переменного напряжения. Фейгин Л.З., Михалев С.И.

4. Патент России №2123717 C1 от 20.12.98 г. Электронный стабилизатор напряжения. Г.Г.Магазинник, Л.Т.Магазинник.

Формула изобретения

1. Способ регулирования напряжения любого вида, основанный на вольтоприбавлении высокочастотного напряжения при повышении напряжения, отличающийся тем, что входное напряжение выпрямляют, преобразуют в переменное высокочастотное напряжение с амплитудной и широтно-импульсной модуляцией, трансформируют, преобразуют при положительной полярности входного напряжения в однополярное напряжение положительной полярности, а при отрицательной полярности входного напряжения - в однополярное напряжение отрицательной полярности, суммируют с входным напряжением и сглаживают на выходе, а понижение входного напряжения осуществляют с помощью широтно-импульсной модуляции и сглаживают на выходе.

2. Устройство регулирования напряжения любого вида, содержащее трансформатор, регулирующий ключ, датчик тока, отличающееся тем, что в него дополнительно введен второй регулирующий ключ, на входе устройства включен выпрямитель, выход которого соединен с шиной питания высокочастотного преобразователя, управляющие входы которого подключены к блоку управления, а выход подключен к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого средней точкой подключена к фазному проводу входного напряжения, а двумя остальными выводами ко входам выпрямителей положительной и отрицательной полярностей, выходы которых через соответствующие регулирующие ключи подключены к сглаживающему фильтру и первому выводу электронного ключа с управляемой проводимостью, второй вывод которого подключен к нулевому проводу, а входы управления электронного ключа с управляемой проводимостью подключены к блоку управления, выход сглаживающего фильтра через датчик тока подключен к выходу устройства и по цепи обратной связи к блоку управления, два других входа которого подключены к фазному проводу и выходу датчика тока, а входы управления регулирующих ключей подключены к выходам блока управления.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что блок управления представляет собой микроконтроллер и имеет в своем составе блок программного управления, широтно-импульсные модуляторы и аналого-цифровой преобразователь.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3