Способ регулирования напряжения

 

(72) Авторы изобретения

А. В. Кобзев и Г. Я. Михальченко

Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (71) Заявитель (54) СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике регулирования переменных и постоянных напряжений, и может найти применение в тех случаях, когда требуется регулирование напряжения в большом диапазоне лри сохранении высоких энергетических показателей, а также в тех случаях, когда требуется высокое быстродействие регулирования при минимальной массе и габари.10 тах самих регуляторов.

Известны способы регулирования как переменного так и постоянного напряже-ний, реализующие частичную мод аяцию выходного напряжения. При небольшой . глубине модуляции (S-16% 0 щ1х) такие

1$ способы и реализуюшие их устройства позволяют получить довольно высокие энергетические показатели за счет незначительных искажений напряжения источ20 ника питания. Однако увеличение диапазона регулирования сводит эти преимущества на нет и энергетические показатели таких систем не отличаются от глубокорегулируемых. Установка же входных и выходных фильтров, с целью уменьшения. искажений входных токов и выходных напряжений, приводит к резкому снижению быстродействия регулирования, что в ряде случаев недопустимо.

Наиболее близким по существу технического решения к изобретению является способ регулировайия переменного напряжения, реализованный s системах со звеном повышенной частоты посредством преобразования напряжения источника пи- тания в напряжение повышенной частоты, передачи энергии через высокочастотный трансформатор и преобразования ее в напряжочие с частотой источника питания мостовым демодулятором на полностью управляемых ключах путем сдвига фаз управляюших импульсов соответствуюших пар ключей демодулятора.

Однако в этом случае увеличение глубины регулирования также приводит к увеличению искажений напряжения и снижению энергетических показателей, а

3 6920 устано«кв фильтрующих устройств приводит, KBK следствие к резкому снижению быстродействия.

Целью изобретения является повышение энергетических показателей во всем диапазоне регулирования и быстродействия" регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе диапазон регулирования разделяют на 2 И зон и ре- 10

" гулироввнные напряжения в первых И, зонах осуществляют последовательным о сдвигом на 180 управляющих импульсов соответствующих пар ключей каждого демодулятора, а в остальных И зонах — 15 последовательным встречным сдвигом на о

180 управляющих импульсов других пар ключей демодуляторов.

Другое отличие состоит в том, что, с целью поддержания энергетических пока зателей Сйстем с вольтодобавочными секциями на заданном уровне во всем диапазоне регулирования, объединяют верхние

И зон в одну и регулирование в этой (и+1)-ой зоне осуществляют одновременным встречным сдвигом на 180 фаз замыкания других пар ключей всех демодуляторов.

Это позволяет в каждой иэ 2 И (ли-, бо +1) зон регулировать напряжение методом однополярной высокочастотной широтйо -"-ймпульсйой модуляции при любом диапазоне регулирования, причем процесс регулирования основан на сочетании

2 0+1 (либо +2) уровней неискаженного напряжения источника питания и высокЪчаСтотной широтно- импульсной модуляцией между любыми соседними уровнями. При таком способе регулирова- :

40 иия удается во всем диапазоне сохранить высокие энергетические йэказвгели," вслед-" с гйие чего незначительные фильтры, либо кх отсутс вие, позволяет повысить быстродействие процесса- регулирования во"всем диапазоне. Причем увеличение промежу45 точной повышенной частоты и числа 2И эон.приводит к резкому снижению искажейий, массы фильтров и к повышению быстродействия.

Сущность изобретения йэясняется при мерами конкретной реализации способа на прйведенйых ниже чертежах.

На фиг. 1 и 2 представлены фуйкциональные схемы регуляторов напряжения

55 со звеном повышечнэй частоты. В регу" ляторе нв фиг. 1 нагрузка гальванически связана с питающей сетью. Диапазон регулирования здесь эпр валяется коли33 4 чествэм и «еличинэй «эл«тодобввэчных звеньев. Предельный целесообразный диа пазон изменения выхэднэгэ напряжения оТ 0 до 2 1JggTg . схеме на фиг. 2 нагрузка гвльввнически разделена с питающей сетью. Напряжение здесь может реверсироваться, его регулирование обеспечивается в пределах от максимального положительного до минимального отрицательного значений.

На фиг. 3,4,5 приведены временные диаграммы, поясняющие сущность способа регулирования при питании DT источника переменного и постоянного напряжений.

На фиг, 6 представлена функциональная схема регулятора напряжения, позволяющего регулировать выходное напря жение в каком-либо ограниченном, наперед заданном диanазоне.

На фиг. 7 приведены временные диаграммы, поясняющие сущность способа регулирования при частичной модуляции.

Регуляторы на фиг. 1 и 2 содержат И последовательно включенных мостовых демодуляторов, обозначенных Ql, Д2...

Ди, каждый из которых выполнен на полностью управляемых ключах Kl:1, Kl:2, Kl:3, Kl:4; К2:l, К2:2, К2:3, К2:4; ...;К п 1: Кп:2, Ки: 3, Kh .4 соответственно, высокочастотный трансформатор 1, цервичная обмотка %4 которого включена в одну диагональ мостового инвертора 2,3,4,5, а вторая его диагональ подключена к источнику питания. Трансформатор 1 имеет

И вторичных обмоток Ф/ Ф ... % вклюн ченных в ди вгон али повышенной ч встоты демодуляторов Дl, Д2, ..., ДИ соответственно. В схеме по фиг. 1 крайние выводы низкой частоты последовательно соединенных демодуляторов включены последовательно с источником питания и с

-нагрузкой 6, а в схеме по фиг. 2 — соединены с нагрузкой 6 непосредственно.

Регулятор по фиг. 6, кроме перечисленных элементов, имеет нерегулируемую секцию, включающую в себя дополнительную вторичную обмотку и демодулятор

ДО на ключах КО:1, КО:2, KO:3, KO:4.

На фиг. 3, 4, 5, 7 обозначено: 7— найряжение источника питания переменного тока, например напряжение сети;

8 — напряжение повышенной частоты, действующее в каждой иэ вторичных обмоток трансформатора 1, при питании от исто-ника переменного напряжения; 9,9в, 9б, 10, 10а, 10б — диаграммы состояния одних пар ключей, смежных относительно зажимов низкой частоты демодуля5 692033, 6 торов, в частности 9 — диаграмма состоя- более подробное рассмотрение сущности ний ключей КИ:2, КИ:4 демодулятора ДИ, способадостаточно провести на одномустрой1Q-диаграмма состояний ключей К (и-l): стве, например, пофиг. 1 при регулировании

2, К (И -1):4 демодулятора Д (И -1) переменного напряжения. и так далее до демодулятора Дl, причем 5 Согласно изобретению, преобразова"положительные . импульсы этих диа- ние напряжения источника питания, награмм соответствуют включенному сос- пример, напряжения сети 7 (фиг„З) в таянию ключей Ки:2, К { и -1):2 и напряжение повййенной частоты 8 осут.д., а отрицательные" — КИ 4, К (p 1) шествляется модулятором на ключах 2,3, .4 и т.д., 11, lla, 11б, 12, 12a - (4,5, а передача энергии - через высокодиаграммы состояний других пар кпв- частотный трансформатор 1. Обратное . чей каждого демодулятора, причем преобразование напряжения повышенной

«положительные" импульсы этих диаграмм часТоты в напряжение с частотой источсоответствуют включенному состояникь ника питания осушествляется И послеключей КИ:3, К (И-1): 3,...-, Кl:3, а довательно включенными демодупяторами отрицательные" — КИ 1, К (И-1);1... Д1. Д2 " ДИ., Kl:1; 13 — максимальное напряжение на нагрузке: 14, 14а, 15, 15a — напряже- Дапее способ РегУЛИРованиЯ Удобнее

we на нагрузке в процессе регулирования:: рассматривать с режима, кОгда напряже2О

16 — напряжение источника йитания пос- ние на нагрузке максимально. В таком тоянного TDKa, в качестве которого ð- режиме состояния ключей демодуляторов жет быть испопьзовано, например, напря- опредепяются диаграммами, обозначенжение аккумуляторной батареи, либо вь - ными на фиг. 3 цифрами 9, 10„.. и 11, прямпенное и отфильтрованное напряже- 12." При этом одновременно замкнуты, 25 ние сети и т. д.; 17 — найряжение по- . противоположные «пючи всех демодулятовышенной частоты при питании от источ- Ров Kl:2 и Кl;3, К2:2 и К2:3,..., ника, постоянного тока; 18, 18а — напри- КИ:2 " КИ - 3i а в другой попупериод на жение на нагрузке в процессе регупиро- пряжения 8 повышенной частоты — ключи вания; 19, 19а, 20, 20а — напряжение зо Kl:1 " Kl: 4 K2 l и К2 4,--; КИ:1 и на нагрузке в процессе регулирования .КИ:4, подкпючая при этом ЭДС всех втодля схемы по фиг. 6. ричных обмоток ®<,жд,.-., и согласно с

И напряжением 7 источйика питания. НапряНа фиг. 8 приведены зависимости коэф- жение 13 На нагрузке максимально, фициента мощности K = 1(б„) и коэффи- имеет неискаженную синусоидапьную форциента гармоник К = f (Gz) для регупя- му и соответствует .(2И+1! -ому неиска35 тора,по фиг. 1 при условии равенства женному уровню.

„„„z n на фиг 9 и 10. Согласно предложенному изобретению эти же зависимости дпя регуляторов по весь диапазон регулирования (для рассматфиг. 2 и 6 соответственно, при том же 4о риваемого примера - отОдо 2 ц и.пит. условии, а на фиг. 11 зависимости К„разделяют на 2И зон и.регупирование

=х (О„) и К „= Х ("„) пр .усповии напряжения в первых l1 зонах (от 2 поддержания этих характеристик на задан- Ц„пц до 0 и, п„т. ) осушесгвляют ном уровне во всем диапазоне регулиро-- поспедовательным сдвигом на 180 фаз вания. Следует отметить, что приведен- 45 замыкания одной из пар ключей, напри ные на фиг. 8,9,10 и 11 зависимости .. Mep ключей Кl:2 и К1:4, К2:2 и K2:4" °, носят качественный характер, так как:КИ:2 и КИ,4 каждого демодулятора. Регуколичественная их оценка может быть .пирование в зоне 2И осуществляют, надана лишь при конкретном числе И ..пример,сдвйгом на угол регулировании

Естественно, что в регуляторах при 5< ;б. и (фиг,З) фаэзамыканияключей Kn:2 питании кх от источника переменного на- и и:4 демодулятора Ди, задавая нопряжения ключи как модулятора, так и вый апгоритм его работы. При этом демодуляторов должны выполняться на : одновременно будут замкнуты ключи КИ .3 кпючах с двухсторонней проводимостью, и Кп:4 (в интервале с(.„р„), Kh:2 и а при питании от источника постояниого 55 КИ,3- (в интервале В-at<<>, Кп:1 и КЬ:2, напряжения — на ключах с односторонней,КИ:1 и КИ . 4. Такой алгоритм обесл

4 проводимостью. Однако, поскольку про-,чивает либо исключение ЭДС обмотки иэ кассы регулирования переменного и по-, контура суммирования йапряжений вторичстоянного напряжений идентичны, то наи- ных обмоток с напряжением источника

7 6920 питания (в интервале d. q pp либо под ключение ее к этому контуру (в интервале 7ь-с „, 1, Форма напряжения на нагрузке при этом будет иметь вид приведенный на фиг. 3 кривой 14. Дальнейшее увеличение сдвига фазы замыкания указанных ключей приводит и к уменьшению напряжения в зоне 2И, а следователь но, и к уменьшению напряжения на нагруз ке. При изменении фазы замыкания на пол-;-4 периода напряжения повьш енной частоты (<2>> на фиг. 3) ключи демодулятора Дп, диаграмма состояний которых показана пунктир ,ной линией 96, замыкаются по циклу

Ktl:4 и КИ:3, КИ:2 и Kh:1, все 15 время исключая ЭДС обмотки й" иэ контура суммирования. Напряжение на

t нагрузке при этом снова имеет синусоидальный характер, но уже на другом уровне 2 И . Для дальнейшего,регулирования напряжения в зоне (2 И -1) необходимо аналогично сдвигать на 180 фазу замыкания пары ключей демодулятора

Д -1, диаграмма состояний ключей которого при некоторой промежуточной фа25 зе cL p j приведена на фиг. 3 пунктирной линией 10а. Теперь на время а((„„) из контура суммирования будет исключаться обмотка и,, что и будет определять величину выходного на30 пряжения 14а. Очевидно, что дальнейшее последовательное изменение, фаз замыкания одной из пар ключей остальных демодуляторов приводит к поочередному ис-,, ключению остальных вторичных обмоток трансформатора 1 из контура суммирова-, ния, а следовательно, и. к плавному позонному регулированию выходного напряжения. При установлении фазы замыка40 ния ключей Kl:2 и Kl:4 последнего де- модулятора Д1, равной 180, одновременно будут замкнуты в один полупериод напряжейия 8 ключи К1:1, Kl:2, К2:1 ,и К:2...; Кп:1 иКп:2, адругой полупериод-ключи Kl:3 и Кl:4,К2:3иК2:4,...iКИ:ЗиКп:4, обеспечивая тем самым не- искаженную передачу на нагрузку на. пряжения 7 источника питания. Так осуществляется регулирование в первых Ai зонах.

Регулирование же напряжения в ос тальных И зонах осуществляют встречным сдвигом: на 180 фаз замыкания других пар ключей Kl:1 и Kl:3, К2:1, и К2:3, ..., Кп .1 и К :3 демодуляторов Д1, Д2, ..., Д . Фазы замыкания первых пар ключей (Kl:2 и Kl:4, К2:2

33 8 и K2:4,," КИ 2 и Ки 4) при регули- ровании в нижних ll зонах неизменны и характери,чуются диаграммами, обозначенными на фиг. 4 цифрами 96, 106,....

Регулирование напряжения в зоне h (фиг. 4) осуществляют встречным изменением фазы замыкания ключей Кп:1 ° ,m Кп . 3 демодулятора ДИ на угол Ъ,| 1„, 1РИ: . .Диаграмма состояний ключей этого демодулятора Ди приведена на фиг. 4 эпюрами Об и lla, согласно которой

I будет определяться и цикл замыкания

:;этих ключей: К}j:3 и КИ:4, КИ:4 и

,.Ки:1, Ки:1 и Ки:2, КИ:2.и Kn:3. Это .приводит к встречному включению ЭДС

1 М

:.обмотки а с напряжением 7 источника

:питания и к уменьшению напряжения 15 на нагрузке. При установлении фазы замыкания ключами КИ:1 и Krl 3 равной

1, 80О (ф „на фиг. 4) цикл замыкания ключей демодулятора Ди будет следующий: K :4 и КИ 1, KH:2 и КИ:3 (что иллюстрируется диаграммой 116). Обмотка Ч2 в этом режиме будет постояни но включена встречно с напряжением 7 и на нагрузке будет действовать неискаженное напряжение. Регулирование напряжения в"следующей .(g-1)-ой зоне осуществляется встречным сдвигом фазы замыкания пары ключей демодулятора Д (И-1) на угол P < „„>, чем достигается введение обмотки этого демодулятора в контур регулирования и обеспечивается на нагрузке напряжение 15а. Естественно, что дальнейшее встречное изменение фаэ замыкания последовательно других пар ключей демодуляторов приводит к поочередному встречному включению остальных вторичных обмоток с напряжением источника питания и, как следствие, к плавному позонному уменьшению выходного напряжения до О.

Энергетические характеристики К (н ) e К т= % (0„) для рассматри ваемого примера, приведенные на фиг.,8, показывают, что сочетание в процессе регулирования уровней неискаженного напряжения источника питания с одиополяр- ной высокочастотной широтно-импульсной модуляцией между любыми соседними уровнями позволяет сохранить во всем диапазоне регулирования высокие энергетические характеристики, за счет малости искажений входного напряжения.

В верхних зонах регулирование можно существенно упростить, для чего необходимо, начиная с уровня, когда напряжение на нагрузке равно напряжению источ9 692 ника питания, объединить их в одну и регулирование в этой (и+1)-ой зоне осу ществлять одновремейным встречным сдвиМ гом на 180о фаз замыкания других пар кл очей всех демодуляторов. При таком способе в контур суммирования вводят ся одновременно все обмотки демодулято ров. ЭДС этой зоны будет определяться

- п =и--4 как y,,Так удается поддерМO живать энергетические показатели близкими к наперед заданному уровню во всем диапазоне регулирования (фиг. 11).

Таким образом, изобретение позволя-" ет регулировать как переменное так и постоянное напряжение в любом диапазоне при сохранении высоких энергетических показателей, за счет малости искажений напряжения источника питания, величина которых может быть выбрана сколь угод- 2О но малой увеличением числа и демоду- ляторов. С другой стороны минимальные искажения на промежуточной повышенной частоте позволяют устанавливать неболь25 шие, компактные фильтрующие устройства с постояннымй времени, не превышающими нескольких полупериодов напряжения повышенной частоты, либо вообще отказаться от фильтров, так как искаже- . ния легко могут быть доведены до значений, не превышающих требований ГОСТ.

А это позволяет резко повысить быстродействие регулирования напряжения и от-. крывает новые возможности в построе35 нии высокоэффективных систем преобразовательной техники.

Следует отметить, что при таком способе регулирования, когда энергия передается через трансформатор íà промежу- 4, точной повышенной частоте, увеличение числа вторичных обмоток трансформатора не гриводит к столь резкому росту массы и габаритов силовых регулирующих

0ЗЗ 10 органов, как например, в системах, у которых трансформаторы работают на промышленной частоте сети, что в случаях, где важны минимальная масса и габариты, является немаловажным фактором.

Формула изобретения

1. Способ регулирования напряжения путем преобразования напряжения источника питания в напряжение повышенной частоты, трансформации и последующего преобразования его в напряжение с часто- " той источника питания последовательно включеннымй A мостовыми демодуляторами на полностью управляемых ключах в результате сдвига фаз управляющих имлульсов, смежных относйтельно выводов низкой частоты пар ключей демодуляторов, о т л и ч а ю-шийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей во всем диапазоне регулирования и быстродействия, упомянутый диапазон раз4вляют на 2и зон и в первых и зо- . нах последовательно сдвигают на угол

180 управляющие импульсы упомянутых пар ключей каждого демодулятора, а в остальных И зонах «последовательно-, встречно сдвигают на 180 управляющие импульсы других пар ключей демодуляторов.

2. Способ регулирования напряжения поп.1, отличающийся тем, что, с цмью поддержания энергетических показателей систем с вмьтодобавочными секциями на заданном уровне во всем диапазоне регулирования, обьединяк т верхние И зоны в одну и регулирование в этой (0+1)-ой зоне осуществляют одновременным встречным сдвигом на

180о фаз замыкания других пар ключей . всех демодуляторов.

t,D

n+f

Составитель Г. Мыцик

Редактор Д. Мепуришвили Тнхред"С. Мигай Корректор Н. Горват

Заказ 6237/49 Тираж 857 Подписное

ЦИИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

Филиал ППП «Патейт,, г. Ужгород, ул. Проектная, 4