Способ автоматического регулированияпостоянного напряжения и устройстводля его осуществления
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ -" : — "- -> ".знал
Г; л: у . Я," с ; г" Ф. °, Союз Советских.Социалистических
Республик
К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. сеид-ау (22) Заявлено 14Д174 (21) 2075897/24-07 (St)M. с присоединением заявки Йо G 05 F 1/52е Н 02 М 7/048 Н 02 N 3/10 Государственный коинтет СССР по делам изобретений н открытий (23) Приоритет с Опубликовано 15.018 16юллетень t49 2 (53) УДЫ 821.314.12 (088.8) Дата опубликования описания 150131 (72) Автор изобретения В.И.Степанов (71) Заявитель Томский ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им.С.М.Кирова (54) СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к способам автоматического регулирования постоянного напряжения и может быть использовано в импульсных системах автоматического регулирования, в частности в стабилизированных преобразователях напряжения. В импульсных системах автоматического регулирования широко известно астатическое регулирование, основанное на сравнении напряжений двух автогенераторов, один из которых опорный, другой — преобразователь непрерывного сигнала в частоту (1) и (2). При таком регулировании возникает проблема синхронизации частот автогенераторов в особенности при переходных режимах. интеграторы на усилителях постоянных напряжений обладают существенным дрейфом нуля . Поэтому на практике при регулировании напряжения с помощью широтно-импульсной модуляции используется способ, основанный на суммировании двух знакопеременных напряжений прямоугольной формы одинаковой частоты, в котором регулирование ширины импульсов реализуется путем сдвига фаз суммируемых напряжений 13). В этих устройствах, также нарушается синхронизация частоты, что приводит в системах автоматического регулирования к. сложным переходным процессам и снижению надежности. При регулировании напряжения прямоугольной формы применяют ключ переменного тока. Входное постоянное напряжение при этом способе инвертируют. Полученное после инвертирования знакопеременное напряжение регулируют по ширине с помощью ключа, 15 управляемого посредством широтно-импульсной модуляции. При таком способе обеспечивается плавное статическое регулирование ширины импульсов (4). Устройство, реализующее известный 20 способ, содержит последовательно соединенные инвертор (генератор), ключ переменного тока, выпрямитель, сглаживающий фильтр. Ключ .управляется от широтно-импульсного модулятора, 25 имеющего два входа, с силозыми и управляющими входными выходами. Ключ переменного тока выполнен на двух трансформаторах, один из них подключен к инвертору, а первичная обмотка 30 второго связана со вторичной обмот79681 5 кой первого трансформатора через диоды и ключевой элемент. Выходом ключа является вторичная обмотка второго трансформатора, а управляющий вход ключевого элемента подклю; чен к выходу широтно-импульсного модулятора (5). При автоматическом регулировании напряжения ошибка в системах стаби лизации постоянного напряжения сводится к нулю при астатическом регулировании. Однако такой способ не позволяет реализовать астатическое регулирование. Цель изобретения — повышение точности выходного напряжения путем ре ализации астатического регулирования. 15 Поставленная цель достигается путем формирования дополнительного знакопеременного напряжения прямоугольной формы с уфвоенной амплитудой по отношению к выходному напряже- 70 нию ключа, вычитания из этого дополнительного напряжения знакопеременного напряжения, полученного после инвертирования, и осуществления широтно-импульсной модуляции в функции полученной разности. В устройстве, реализующем способ, силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора подключаются между концами последовательно соединенных обмоток первого и второго трансформаторов. Кроме того, широтно-импульсный мо. дулятор выполнен в виде двух магнитносвязанных посредством общей обмотки управления дросселей, каждый из которых включен между упомянутыми концами последовательно соединенных обмоток трансформаторов, а выход моду лятора образован концами разных трансформаторов, при этом могут быть 40 использованы как дополнительно введенные обмотки разных трансформаторов, так и дополнительно введенная обмотка второго трансформатора и вторичная обмотка первого трансформатора. 45 В варианте с использованием интегральной широтно-импульсной модуляции модулятор выполнен в виде однофазного инверторного моста на транзисторах, причем входы транзисторов образуют силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора, в одну диагональ моста включен конденсатор, а другая диагональ образует входные управляющие выводы модулятора, модулятор целесообразно выполнять на 53 транзисторах разного типа проводимости, базы транзисторов разной стойки объединяют между собой и вместе с точками объединения эмиттеров транзисторов образуют силовые входные © выводы широтно-импульсного модулятора. На фиг. 1 показана структурная схема системы автоматического pery- 65 лирования, реализующая предлагаемый способ, на фиг. 2 — временные диаграммы напряжений в системе; на фиг. 3 — принципиальная схема соединений узлов инвертор — ключ . — модулятор предлагаемого устройства с магнитным модулятором ширины импульсов; на фиг. 4 — принципиальная схема соединений узлов инвертор — ключ — модулятор предлагаемого устройства с ,использованием интегральной широтноимпульсной модуляции. Входное постоянное напряжение инвертируется с помощью инвертора (генератора) 1 (фиг.1). На выходе инвертора получают знакопеременное напряжение U (фиг.2) прямоугольной формы. После регулирования этого напряжения с помощью ключа 2 переменного тока (фиг.1) получают знакопеременное напряжение U> прямоугольной формы с регулируемой длительностью импульсов. Ключ 2 при этом должен замыкаться и размыкаться с частотой в два раза большей частоты инвертирования. Формируют дополнительное знакопеременное напряжение 20 (фиг.2) прямоугольной формы с удвоенной амплитудой по отношению к выходному напряжению U2 ключа. Из дополнительного знакопеременного напряжения 20 вычитают знакопеременное напряжение U<, полученное после инвертирования, и осуществляют широтно-импульсную модуляцию в функции этой разности UN„ т.е. разности напряжения 2U< и найряжения U< . Управление ключом 2 от модулятора 3 неполное, т.е. модулятором происходит только выключение ключа, а включение обеспечивается ключом самостоятельно в момент изменения полярности напряжения U< . Знакопеременное напряжение U> с выхода ключа 2 преобразуют в выходное постоянное. Такое преобразование может быть реализовано в блоке 4, либо путем непосредственного выпрямления напряжения 02, либо путем усиления напряжения 02 по мощности и выпрямления. Выпрям ленное напряжение фильтруют, получая тем самым выходное напряжение U>. Последнее сравнивают с заданным напряжением Uo и отрабатывают полученный сигнал рассогласования U> с помощью широтно-импульсной модуляции (фиг.1). Из временных диаграмм следует, что изменение полярности напряжения U по времени совпадает с задним фронтом импульсов напряжения U . Так как задний фронт импульсов определяется модулятором 3 в функции напряжения 0„„, то в установившемся режиме при любой длительности импульсов напряжения U> отключение ключа 2 пРоисходит в момент спустя полпериода после изменения полярности напряжения U . Отсюда, в установившемся 196815 e>- + 30 и п-ro импульса 3$ бО 6$ режиме ...гнал рассогласования 0у является постоянной величиной не зависящей от длительности импульсов напряжения U< и от нагрузки, приклацываемой на выходе системы регулирования. Следовательно, предлагаемый способ позволяет реализовать астатическое регулирование. Возьмем длительность первого условнопринятого импульса напряжения. 0 <,=С,+ а д Оч(), (1) (9 где Р„ — длительность предыдущего импульса напряжения 0 " а — постоянная, зависящая от коэффициента передачи модулятора, д0 — отклонение управляющего наЧ i,ðÿæåíèÿ U модулятора или сигнала рассогласования от номинального (за номиналь-. ное значение принято такое значение управляющего напряжения, при котором длительность импульсов не изменяется), t — время. Длительность второго импульса С = :л+ а.дНЧ (Е) - - (2) Длительность третьего импульса Ъ (4) Подставим значение Сл из уравнения (1) в (2) и полученное значение С из (2) в (3) последовательно получим О и Ги-- со+ а Х д0Ъ(t) о При большой частоте инвертирования приближенно можно принять и = о+ a (.д0Ч(С) с (5) Последнее уравнение показывает, что длительность импульсов напряжения U> и, следовательно, величина напряжения 0н на выходе, системы зависит не от величины сигнала рассогласования 0, а от интеграла отклонения сигнала рассогласования от номинального значения, что позволяет реализовать астатическое регулирование. Характерной чертой предлагаемого астатического регулирования является то, что при его реализации отпадает проблема синхронизации частот, так как частота следования импульсов напряжения U всегда равна частоте инвертированйя. Таким образом создаются новые возможности астатического регулирования. В устройстве (фиг.3,4) ключ переменного тока выполнен на двух трансформаторах, первый из которых подключен к инвертору 1, первичная обмотка второго связана со вторичной обмоткой первого трансформатора через диоды 5 и 6 и ключевой элемент 7. Входом ключа является первичная обмотка первого трансформатора, т.е. трансформатора 8, выходом ключавторичная обмотка второго трансформатора, т.е. трансформатора 9. Силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора подключены между концами последовательно соединенных обмоток 10 и 11, и аналогично между концами ,обмоток 12 и 13. Обмотки 10 и 12 являются обмотками трансформатора 8, обмотки 11 и 13 — трансформатора 9. Формирование дополнительного знакопеременного напряжения происходит в обмотках 11 и 13. Для этого ЭДС в этих обмотках должна быть по амплитуде в два раза больше, нежели в обмотках 10 и 12. Вычитание знакопеременного напряжения, полученного после инвертирования, из дополнительного напряжения происходит путем вышеуказанного последовательного включения обмоток 10, 11 и 12, 13 с учетом полярностей ЭДС. Для поддержания напряжения в трансформаторе 9 во время паузы равным нулю используется отсекающая ЭДС и диод 14. При закрытом ключевом элементе 7 через вторичную обмотку трансформатора 8, диод 5 или 6, первичную обмотку трансформатора 9 и через диод 14 проходит ток, обеспечивающий постоянство магнитного потока трансформатора 9. Напряжения, снимаемые с выходных обмоток трансформатора 8, должны быть равны сумме отсекающей ЭДС и падений напряжений в прямом направлении на диодах 14 и 5 (или 6) . В устройстве с магнитным широтноимпульсным модулятором (фиг. 3) модулятор 3 выполнен в виде двух магнитносвязанных посредством общей обмотки управления дросселей, один из которых включен между концами последовательно соединенных обмоток 10 и 11, а другой — между концами последовательно соединенных обмоток 12 и 13. Выход модулятора образован концами 10-13. В качестве обмоток 10 и 12 могут быть использованы дополнительные обмотки трансформатора 8. Ключевой элемент 7 открывается в момент измерения полярности напряжения U напряжением, подаваемым с обмоток 11 и 13. Ток базы транзистора (элемента 7) огр=ничивается резистором 15. При насыщении очередного сердечника модулятора 3 элемент 7 запирается напряжением обмоток 10 и 12. Допустим, что в один из полупериодов полярность напряжения такова, что открыт диод 16, элемент 7— открыт. При насыщении в этом полупериоде сердечника 17 к базе транзистора будет приложено напряжение положительной полярности и произойдет запирание транзистора. Так как к рабочим обмоткам магнитного моду796815 лятора будет приложено знакопеременное напряжение U фаза которого такова, что изменение его полярности совпадает с заданным фронтом выходных импульсов, то в системе автоматического регулирования в установившемся режиме ток обмотки управления дросселей будет такой величины, что сердечник будет насыщаться в течение полупериода после изменения полярности напряжения Ощ,. Отсю да, в установившемся режиме управляющий сигнал модулятора (ток обмотки управления дросселей), являющийся, сигналом рассогласования системы автоматического регулирования, будет постоянной величины, независящей от 15 длительности импульсов напряжения И, т.е. уравнения (1) †(5) справедливй, а значит предлагаемое устройство позволяет реализовать астатическое регулирование. 2О В устройстве (фиг.4) с интегральной широтно-импульсной модуляцией ключевой элемент 7 открывается при помощи транзистора 18, а последний при помощи резистора 19. Модулятор 3 р содержит интегрирующий конденсатор 20 и выполнен в виде однофазного инверторного моста на транзисторах 21-24. В одну диагональ моста включен конденсатор 20, а другая диагональ моста образует входные управляющие выводы модулятора. Модулятор целесообразно выполнять на транзисторах разной проводимости. В этом случае базы транзисторов 21 и 22 разной стойки объединены между собой и вместе с точками объединения эмиттеров этих же транзисторов образуют силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора. Аналогично базы транзисторов 23 и 24 объединены (} между собой и вместе с точками объединения эмиттеров образуют силовые входные выводы модулятора. Один из управляющих выводов модулятора через разделительный диод 25 соединен и переход база-эмиттер транзистора 18 со стабилитроном 26, другой вывод— с корпусом. В зависимости от полярности. знакопеременного напряжения U<, определяемого разностью напряжений обмоток 10 и 11, а также 12 и 13, открыты диагонально расположенные транзисто-, ры 21 и 24 или 22 и 23. Под действием входного управляющего тока ?у 55 модулятора, являющимся в системе автоматического регулирования сигналом рассогласования, напряжение на конденсаторе 20 постепенно изменяется в интервале от -Uoä до +Ugly, где Uoп — опорное напряжение стабилитро- бО на 26. Каждый раз, когда напряжение на конденсаторе достигает по абсолютной величине значения Uoq, открывается диод 25 и закрываются транзисторы 18 и 7. С этого момента до 65 конца полупериода транзисторы поддерживаются в закрытом состоянии при помощи резистора 27. Так как конденсатор 20 в установившемся режиме будет перезаряжаться в .течении полупериода, то в системе автоматического регулирования управляющий ток,i модулятора будет постоянной величиной, независимо от длительности импульсов напряжения на выходе ключа переменного тока и нагрузки, приложенной к выходу системы регулирования. Здесь уравнения (1)- (5) так же справедливы с той лишь особенностью, что сигналом рассогласования яв. ляется не напряжение, а управляющий ток Iy модулятора. Следовательно, предлагаемое устройство с интегральной широтно-импульсной модуляцией также позволяет реализовать астатическое регулирование. Формула изобретения 1. Способ автоматического регулирования постоянного напряжения путем инвертирования входного постоянного напряжения, широтно-импульсного регулирования с помощью ключа, полученного в результате инвертирования знакопеременного напряжения прямоугольной формы, преобразования знакопеременного напряжения в выходное постоянное, его фильтрации, сравнения выходного напряжения с заданным и отработки полученного сигнала рассогласования посредством широтно-импульсной модуляции, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения точности путем реализации астатического регулирования, формируют дополнительное энакопеременное напряжение прямоугольной формы с удвоенной амплитудой по отношению к выходному напряжению ключа, вычитают из этого дополнительного напряжения знакопеременное напряжение, полученное после инвертирования, и осуществляют широтно-импульсную модуляцию в функции этой разности. 2. Устройство для осуществления способа регулирования по п.1, содержащее последовательно соединенные инвертор, ключ переменного тока,. выпрямитель, фильтр, а также широтно-импульсный модулятор с силовыми и управляющими входными выводами, выход которого подключен к управляющем входу ключа переменного тока, . причем ключ переменного тока выполйен на двух трансформаторах, первый иэ которых подключен к инвертору, пер" вичная обмотка второго связана со вторичной обмоткой первого трансформатора через диоды и ключевой элемент, причем выходом ключа является вторичная обмотка второго 796815 трансформатора, а управляющий, вход ключевого элемента подключен к выходу широтно-импульсного модулятора, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора подключены между концами последовательно соединенных обмоток первого и второго трансформаторов. 3. Устройство по п.2, о т л ич а ю щ е е с я тем, что широтноимпульсный модулятор выполнен в виде двух магнитносвязанных посредством общей обмотки управления дросселей каждый из которых включен между упо» мянутыми концами последовательно соединенных обмоток трансформаторов, а выход модулятора образован концами обмоток разных трансформаторов. 4. Устройство по п.3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что выход модулятора образован концами дополнитель- Щ но введенных обмоток разных трансформаторов. 5. Устройство по п.3, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что выход модулятора образован концами.дополнительных обмоток второго трансформатора и средней точкой вторичной обмотки первого трансформатора., о 6 Устройство по п 2, о т л и ч а to щ е е с я тем, что широтно-импульсный модулятор выполнен в виде однофазного инверторного моста на транзйсторах, причем входы транзисторов образуют силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора, в одну диагональ моста включен конденсатор, а другая образует входные управляющие выводы модулятора. 7. Устройство по п.6, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что модулятор выполнен на транзисторах разного типа проводимости, базы транзисторов разных стоек которого объединены между собой и вместе с точками объединения эмиттеров транзисторов образуют силовые входные выводы широтно-импульсного модулятора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Авторское свидетельство СССР 9292203, кл; Н 02 M 3/02, 1968. 2. Авторское свидетельство СССР 9338975, кл. Н 02 М 3/10, 1969. 3. Авторское свидетельство СССР 9131791, кл. Н 03 К 7/08, 1966. 4. Авторское свидетельство СССР 9163262, кл. Н 02 М 7/04, 1969. 5. Авторское свидетельство СССР 9251665, кл. Н 02 M 7/04, 1968. 796815 Составитель Г.Мыцык Техред T.Ìàòo÷êà Корректор R. Григорук Редактор М.Келемеш Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4 Заказ 9768/65 Тираж 949 . Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5
