Регулятор -фазного переменного на-пряжения c промежуточным высокочастот-ным преобразованием

 

Союз Советских

Социалистических

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТИЗЬСТВУ (щ81 791 6

:-Фю (61) Дополнительное к авт. свид-ву (51)М. Кл. (22) Заявлено 111078 (21) 2672169/24-07 с присоединением заявки ¹

Н 02 М 5/12

G 05 F 1/14

Н 02 Р 13/16

ГосударствеииыЯ комитет

СССР ио делам изобретениЯ и открытиЯ (23) ПриоритетОпубликовано 30.03.81. Бюллетень № 12 (53) УДК 621. 316. . 722 (088. 8) Дата опубликования описания 300381 (72) Авторы изобретения

А. В. Кобзев, P П. Карт ашо в, Г. С. Мыцык, Г. Я. Михальченко и В. Д. Семенов

Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники и Московский ордена Ленина энергетический институт (71) Заявитель (54 ) РЕГУЛЯТОР m-ФАЗ НОГО ПЕРЕМЕННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ С ПРОМЕЖУТОЧНЫМ ВЫСОКОЧАСТОТНЫМ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике регулирования и стабилизации переменных напряжений, колеблющихся вверх и вниз от своего номинального .значения, и может найти применение в качестве мощных регулируемых(стабилизируемых) источников электропитания для электротехнических установок в тех случаях, где требуется высокое качество электроэнергии при большом диапазоне регулирования.

Известен 3-фазный регулятор переменного напряжения с трансформатором, работающим на частоте сети, а также имеющим первичные полуобмотки и полностью управляежие ключи переменного тока в первичной цепи трансформатора (1). указанный регулятор осуществляет 20 двухполярную модуляцию и поэтому имеет повышенные пульсации выходного напряжения и входного тока. Например, амплитуда пульсаций по напряжению равна удвоенной амплитуде выходного напряжения, что приводит к необходимости установки громоздких выходных фильтров.

Известен 3-фазный регулятор переменного напряжения, содержащий высо- 30 кочастотный трансформатор, полностью управляемые ключи переменного тока в его первичной цепи и встречно включенные тиристорные мосты с естественной коммутацией во вторичной цепи трансформатора (2).

Однако данный регулятор также реализует двухполярную модуляцию и имеет низкие показатели при глубоком регулировании.

Известен также регулятор m-фазного напряжения, содержащий вЫсоковольтный трансформатор с двумя первичными и двумя вторичными полуобмотками и полностью управляемые ключи в первичной и вторичной цепях трансформатора, реализующий однополярную модуляцию и имеющий в два раза меньше пульсаций выходного напряжения и входного тока (3).

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является регулятор m-фазного переменного напряжения, содержащий m-фазный высокочастотный трансформатор с первичной и вторичной m-фазными обмотками, выполненными со средними точками, образующими, соответственно, входные и выходные выводы регулятора, причем разноименные концы этих обмо817916

Логический узел выполнен В виде триггера, двух основных двухвходовых логических элементов И, логического элемента НЕ, вход которого подключен к выходу модулятора ширина импульсов, а выход соединен с одНИМ ИЗ ВХОДОВ ОСНОВНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ элементов И, другие входы которых соединены с прямым и инверсным выd0

65 ток подключены ко входам m-фазных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах задающий генератор и блок управления, выполненный из последовательно соединенных модуляторов ширины импуль- 5 сов, логического узла и узла развязки и усиления, соединяющего выходы модулятора ширины импульсов и логического узла с управляк>щими цепями упомянутых ключей (4 1 .

Одн ако в из вестных регуляторах ° пульсации напряжения при глубоком регулировании равны амплитуде выходного напряжения, что ухудшает технико-энергетические показатели регулятора и не позволяет применять его в качестве глубоко регулируемого источника. Кроме того, известные регуляторы имеют сложную схему.

Цель изобретения — повышение технико-энергетических показателей путем 20 уменьшения искажений входного тока и выходного напряжения при глубоком регулировании, а также упрощение схемы регулятора.

Поставленная цель достигается тем, что каждая из вторичных m-фазных обмоток снабжена п отпайками, подключенными ко входам дополнительно введенных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, причем и пар ключей вентильных мостов, подключенных к отпайкам, снмметрично расположенным относительно выходных выводов регулятора, снабжены и дополнительными блоками управления, выходы логических узлов каждого из которых соединены со входами узла развязки и усиления через один иь входов дополнительно введеных в каждый блок управления двух двухвходовых логических 40 элементов И, другие входы которых подключены .к выходам модулятора ширины импульсов смежного блока управления, а управляющие входы модуляTopoB IIIHpHHbI импульсОВ блОкОВ управ 45 ления через введенные пороговые элементы подключены к управляющему вхо,ду регулятора. Кроме того, модулятор ширины импульсов каждого блока управления выполнены в виде компаратора и генератора пилообразного Напряжения, подключенного к одному из входов компаратфа, другой вход которого соединен с сОответствующим из упомянутых пороговых элементов. 55 ходами триггера, подключенного к выходу задающего генератора.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема силовой части регулятора, на фиг. 2 — блок-схема системы управления ключами силовой части, на фиг. 3 и 4 — диаграммы, поясняющие работу регулятора.

Регулятор m-фазного переменного напряжения содержит 3-фазный трансформатор 1 с двумя первичными полуобмотками 2 и 3 и двумя вторичными полуобмотками 4 и 5, основные

m-фазные вентильные мосты с полностью управляемыми на выхода ключами б, 62 и 6, б" >+ 6, дополнительные вентильные мосты с полностью управляемыI ми на их выходах ключами 7, 7, 7>, 7>,..., 7>,, 7 . Причем разноименные концы первичных полуобмоток 2 и 3 соединены между собой и образуют входные выводы А, В и С регулятора, а другие разноименные концы подключены к вентильным мостам с ключами

61 и 6>.

Рзноименные концы вторичных полуобмоток 4 и 5 объединены и образуют выходные выводы а, Ь, и с регулятора. Параллельно выходным выводам а, Ь и с включен основной вентильный мост с ключом 6,>, а два других основных вентильных моста с ключами 61„+,1 и 6И +> подключены к свобод> ным концам вторичных полуобмоток 4 и

5.

Каждая из вторичных полуобмоток

4 и 5 выполнены с и отпайками, симметрично расположенными относительно выходных выводов регулятора, причем

I первая отпайка содержит W< W витI ков, вторая — И = Чд..., и -я — W =У„.

Отводы отпаек .W<, W, W, Wg,..., W >, W>> подключены, соответственно, к дополнительным вентильным мостам с

I > I ключами 7, 7, 7, 72,..., 7», 7и .

Все управляемые ключи б, 6, 6о, 7„, 7, 7, 7 .....,6>,+„, 6 „регуля-I тора подключены к схеме управления.

Схема управления содержит задающий генератор 8, (n +1) блоков 9, 9 >, 9>,, 9p+ g управления, каж- дый из которых состоит из последовательно соединенных модулятора 10 ширины импульсов, логического узла

11 и узла 12, — 12ь развязки и усиления. Модулятор 10 ширины импульсов содержит генератор 13 развертывающего напряжения и компаратор 14, синхронизирующий вход которого соединен с генератором 13 развертывающего напряжения. Логический узел 11 содержит логический элемент 15 HE триггер 16, два двухвходовых логических элемента 17 и 18 И. Причем логические узлы и блоков управления кроме блока 9 >+.1 имеют дополнительно два двухвходовых логических элемента 19 и 20 И.

817916

Логические элементы 15 НЕ и триггеры 16 соединены с задающим генератором 8. Выход логического элемента

15 соединен с одними. из входов логических элементов 17 и 18, другие входы которых соеди не ны, соответ ственно, с прямым и инверсным выходами триггера 16. Выходы логических элементов 17 и 18 блока 9п управления соединены с одними из входов логических элементов 19 и 20 соответственно, а другие входы логических элементов 19 и,20 объединены и связаны с выходом модулятора 10 ширины импульсов смежного блока 9и+ управления со старшим номером.

Блок 9 +1 управления не содержит 15 логических элементов 19 и 20 И, а выходы логических элементов 17 и 18 соединейы с развязывающими усилителями

21 узла 12 + развязки и усиления. У блоков 91 — 9и управления выходы ло- 20 гических элементов 19 и 20 соединены с развязывающими усилителями 21 соответствукнцих узлов 121 — 12П развязки и усиления.

Выходы триггера 16 (одного из бло- yg ков управления) подключены через развязывающие усилители 21 узла 12 к управляемым ключам 64 и 6 регулятора. Выходы всех развязывающих усилителей 21 всех узлов 12< — 12h+q развяз-ЗО ки и усиления подключены к соответствующим управляемым ключам 7А, 71, 7, 7у,....., 6 +.<, 6И+.<. Выход модулятора 10 ширины импульсов блока 9 управления через развязывающий усилитель 21 узла 12 развязки и усилений подключен к управляющему ключу 6О, шунтирующему выход регулятора.

Управляющие входы модулятоРов 10 4О ширины импульсов блока 91 — 9 +g Управления соединены с управляющим входом регулятора Оупр через соответствую:цие пороговые элементы 22А — 22 +

Регулятор работает следуицим образом.

50

Выход модулятора 10 ширины импульсов соединен с логическим элементом

15 HE. Выходной сигнал 27 с логического элемента 15 поступает на входы двух двухвходовых логических элементов 17 и 18 И, другие входы которых соединены, соответственно, с прямым

® и инверсным входами триггера 16. Выходы логических элементов 17 и 18, в свою очередь, соединены со входами двухвходовых логических элементов.

19 и 20 И, соответственно, другие

65 входы которых объединены и соединеТрехфазное напряжение 23 сети, (фиг. 3) подается на входные выводы А, В и .С регулятора. Триггеры 16 работают в режиме деления частоты задакщего генератора 8. В такте с триггером 16 переключаются ключи

6,1 и 6 первичной обмотки трансформатора, образуя поочередное соединение звездой то полуобмоток 2, то 3 и преобразуя таким образом входное напряжение 23 сети в напряжение 24 повышенной частоты. На управляющий вход регулятора подается управляющее напряжение Uy p 25.

Напряжение пороговых элементов выбраны следующим -образом.

О1„„) Uh) UHg t... Ug > О„7 0

ПРи изменении Uy„p в пРеделах от

0 до О „+,1 наблюдается (и +1) зон регулирования

1 ) 0 (Оупр (О,<

Uy„p(О

l1 ) Up< + Uy (Uи и+ 1 ) Ои (Uy11p б Up+<

3 исходном состоянии, когда U

О, на выходе модуляторов 10 ширины импульсов всех блоков 9< —,+„управления существует постоянное йапряжение (скважность равна 1), величина которого соответствует сигналу логической единицы. При изменении сигнала управления в пределах

0 Оуцр < Uq cKBcUKHocT& выходногo cn1 нала модулятора l0 ширины импульсов блока 9 управления изменяется от 1 .до аь (< соответствует сигналу логи- ческого нуля).

При изменении сигнала управления в пределах О1 < U>>p U> напряжение на выходе модулятора 10 ширины импульсов блока 9q управления соответствует логическому нулю (скважность равна сО ), а сквах<ность напряжения на выходе модУлятора 10 ширины импульсов блока 9 управления изменяется при этом от единицы (уровень логической единицы) до (уровень логического-нуля).

На выходе модуляторов 10 ширины импульсов остальных блоков 9 — 9 и л управления скважность равна единице и не изменяется до тех пор, пока сигнал управления не войдет в зону, соответствующую номеру блока управления.

И. Наконец. При Uóïð>Uè+4 скваж-. ность напряжения на вйходе модуляторов. 10 ширины импульсов всех блоков управления (91 †. 91„+„) равнаео(уровень. логического нуля) и не изменяется.

Таким образом, при изменении сигнала 25 управления в пределах

0 (Uygp (Uq на выходе модулятора 10 ширины импульсов блока 9 управле1 ния получают сигнал 26, который через узел 12 развязки и усиления поступает на ключ 6О (наличие импуль"=а соответствует включенному состоянию ключа).

817916 ны с выходом модулятора 10 ширины импульсов блока 9 управления.

Сигнал на выходе модулятора 10 ширины импульсов блока 9> управления соответствует логической единице ..(скважность равна единице), сигналы 28 и 29 с выхода элементов 17 и 18 через логические элементы

19 и 20 и узел 12(развязки и усиления поступают на управляющие цепи ключей 7, и 7.(30

Полностью управляемые ключи вторичной обмотки работают поочеред( но с алгоритмом 7 -6o — 7(— баевЂ

7 - 6 — 7,(..., преобразуя нао пряжение 24 повышенной частоты в напряжение 30 частоты сети. Регулируя (5 длительность паузы путем изменения напряжения 0 < Uy„ U< (25), можно регулировать выходное напря>кение регулятора от 0 до напряжения первой отпайки Uq 20

При изменении управляющего напряжения в пределах О(с О,,п < 0 скваж1ность сигнала на выходе модулятора

10 ширины импульсов блока 9,(управления равна бесконечности (сигнал ло- 25 гического куля) и не изменяется в процессе регулирования. управляющее напряжение на ключах

7 и 7 определяется состоянием

1 .( триггера 16 и уровнем сигнала с модулятора 10 ширины импульсов блока

9> управления. Ключ 6С, не включается, а ключи вторичных полуобмоток замыкаются в последовательности 7

7 — 7 — 7„- 7 - 7(и т. д., реа( лизуя на нагрузке напряжение 31 с регулированием паузы. При Uygj =Up пауза исчезает и на нагрузке выделяется неискаженное напряжение, равное по амплитуде сумме напряжений двух отпаек U

При изменении напряжения управления в i = и зоне работают ключи

71 — 71, — 7„— 7„ - „и на нагрузке вйделяется напряжение с неискаженным уровнем, равным сумме напряжений 4 (I — . 1 ) от пайки и регулируемой добавкой, равной по амплитуде напряжению

i =й- отпайки. для улучшения симметрии выходного напряжения предлагается генератор я

13. развертывающего напряжения выполнять в виде генератора симметричного треугольного напряжения. Работа схема регулятора происходит при этом аналогичным образом. Диаграммы напря- 55 жений изображены на фиг. 4, где

32 - выходное напряжение задающего генератора 8/

33-34- выходные сигналы прямого и инверсного выходов триггера 16, 35 - выходной сигнал генератора 40

13 треугольного напряжения, 36-37- выходное напряжение регулятора при разных величинах управляющего напряжения Ц„„„ для одной фазы. 65

С целью упрощения блоков 9 -9„, управления входы логических элементов 17, соединенные с триггерами 16 всех блоков управления, объединены между собой и подключены к прямому выходу одного триггера 16. Объединены также входы логических элементов 18 всех блоков управления, соединенные с инверсными выходами триггеров 16, и подключены к инверсному выходу того же триггера 16, к которому подключены объединенные входы логических элементов 17.

Таким образом, предлагаемая схема силовой части регулирования и его схема управления позволяют существенно повысить технико-энергетические показатели за счет уменьшения искажений входного тока и выходного напряжения при глубоком регулировании, поскольку широтно-импульсное регулирование осуществляется поочередно в пределах напряжения одной отпайки. Искажения входного-тока и выходного напряжения определяются количеством зон регулирования и тем меньше, чем больше количество зон.

За счет уменьшения искажений входного тока и выходного напряжения установленная мощность входных и выходных фильтров уменьшается, что позволяет одновременно увеличить быстродействие регулирования.

Кроме того, масса и габариты силового трансформатора определяются предельной частотой переключения силовых ключей и могут быть существенно уменьшены по сравнению с трансформатором на частоте сети.

ФормуЛа изобретения

1. Регулятор m- ôàçíîão переменного напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием, содержащий m"ôàýíûé высокочастотный трансформатор с первичной и вторичной

m-фазными обмотками, выполненными со средними точками, образующими, соответственно, входные и выходные выводы регулятора, причем разноименные концы этих обмоток подключены ко входам m-фаэных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, задающий генератор и блок управления, выполненный иэ последовательно соединенных модуляторов ширины импульсов, логического узла и узла развязки и усиления, соединяющего выходы модулятора ширины импульсов и логического узла с управляющими цепями упомянутых ключей, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения технико-энергетических показателей за счет уменьшения искажений входного тока и выходного напряжения при глубоком регулировании, каждая из вторичных m-фазных обмоток

817916

10 снабжена и отпайками, подключенными ко входам дополнительно введенных вентильных мостов с полностью управляемыми ключами на их выходах, причем и пар ключей вентильных мостов, подключенных к отпайкам, симметрично расположенным относительно выходных выводов регулятора, снабжены и дополнительными блоками управления, выходы логических узлов каждого из которых соединены со входами узла развязки и усиления через один из входов дополнительно введенных в каждый блок управления двух двухвходовых логических элементов И, другие входы которых. подключены к выходам модулятора ширины импульсов смежного 15 блока управления, а управляющие входы модуляторов ширины импульсов блоков управления через введенные пороговые элементы подключены к управляющему входу регулятора. 20

2. Регулятор по п. 1, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью упрощения, модулятор ширийы импульсов каждого блока управления выполнен в виде компаратора и генератора ,пилообразного напряжения, подключен1ного к одному нз входов компаратора, другой вход которого соединен с соответствук цими из упомянутых пороговых элементов.

3. Регулятор по пп. 1 и 2, о тл и ч а ю шийся тем, что логический узел выполнен в виде триггера, двух основных двухэходовых логических элементов- И, логического элемента НЕ, вход которого подключен к выходу модулятора ширины импульсов, а выход соединен с одним из входов основных логических элементов И, дру". гие входы которых соединены с пряьым и инверсным выходами триггера подключенного к выходу задающего генератора.

Источникс информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

Р 318137, кл. Н 02 Р 13/14, 1970.

2. Авторское свидетельство СССР

Ф 504287, кл. Н 02 Р 13/14, 1976.

3. Авторское свидетельство СССР по заявке 9 2647718, 21.07.78.

4. Заявка Японии Р 41-10233, кл. 58 Н 1, 1965.

817916

7j.

7л

2а

I ит

Pvt. 3

ВНИИПИ Эаказ 1478/75

Тираж 730 Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4