Стабилизатор переменного напряжения (варианты)

 

Союз Советскик

Соцнапмс тически и

Республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОее СКОМУ СВМДЕТЕЛЬСТВУ (ii! 935898 (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 05. 10.79 (21) 2823736/24-07 с присоединением заявки М, (23) Приоритет

Опубликовано 15.06.82. Бюллетень № 22

Дата опубликования описания 17.06.82 (5 I ) М. Кл.

G 05F 1/44

Веуйарстееемб кемвтет

СССР ао далем кэебретеикй к открытки (53) УДК 621.316. .722. 1 (088. 8) (72) Авторы изобретения

A. B. Кобзев, Г. Я. Михальченко и В. Д. Семенов1 с

Научно-исследовательский институт автома, ки и .электромеханики

"У при Томском институте автоматизированнь сисз„ем .управления ;. и радиоэлектроники (7I ) Заявитель (54) СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам стабилизации переменного напряжения, и может найти применение там, где необходимо стабилизировать не только среднее, эффективное или амплитудное значения переменного напряжения, но и поддерживать заданную форму выходного напряжения при изменяющейся форме входного напряжения и выходного тока, а также в стаби.лизированных источниках переменного напряжения произвольной формы.

Известен стабилизатор переменного напряжения, содержащий входной и выход15 ной фильтры, ключевой регулирующий орган, источник эталонного ступенчато-синусоидального напряжения синхронного с напряжением сети, блок обратной связи, осуществляющий преобразование стабили20 зируемого переменного напряжения в ступенчатое напряжение, блок сравнения, осуществляющий сравнения эталонного ступенчато-синусоидального напряжения и напряжения с выхода блока обратной связи (1).

Наиболее близким техническим решением к изобретению является стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам, а выходом — к .силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к выходным клеммам, компаратор, выходом соединенный с управлявшим входом ключевого регулирующего органа, одним из входов соединенный с выходом первого выпрямителя, а другим входом — с выходом второго выпрямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения Р22.

Однако известные стабилизаторы переменного напряжения имеют низкую точность, обусловленную непостоянством коэффициента передачи ключевого регулируюшего органа (по среднему значению) 0ЗВЙО&

"РОГ "сИ="так

3 и ограниченные функциональные воэможности, выражающиеся в том, что они не способны работать в режиме регулирования по возмущению. Если ключевой регулируюший орган работает на частоте, в

М раз превышающей частоту сети, то при изменении коэффициента заполнения импульсов от 0 до 1 среднее выходное напряжение на каждом периоде высокой частоты изменяется от 0 no Upp, Таким об-1в . разом, статический коэффициент передачи регулирующего органа по среднему значению напряжения на периоде высокой частоты будет изменяться от периода к периоду и его можно выразить следующим образом: где

ЬО „. — изменение среднего значения напряжения при изменении у от 0 до 1, 3у - изменение коэффициента заполнения импульсов.

Таким образом

jl

8 18 (q1=1) Ji

510 Щ

Выражение (2) можно упростить: где

К„„„„(Й)- максимальный коэффициент передачи разомкнутой системы. щ

Иэ выражений (2) и (3) видно, что статический коэффициент йередачи ключевого регулирующего органа является величиной переменной, зависящей от номе- 45 ра периода высокой частоты, на которой он работает (1 = l,2,3... 4 ).

Статический коэффициент передачи разомкнутой системы стабилизации определяется произведением статических коэффициентов передачи всех звеньев, входящих в контур регулирования. Статичес- кие коэффициенты передачи всех остальных звеньев постоянны и для простоты примем их равными единице. Тогда статический коэффициент передачи разомкнутой системы определяется выражением (3). ф

В то же время точность замкнутой системы стабилизации определяется, как известно, выражением дахр

3 1<К где b)(— ошибка замкнутой системы ста«

Э билиэации;

ЬХр - ошибка разомкнутой системы;

К вЂ” статический коэффициент передачи разомкнутой системы.

Подставляя в выражение (4) вместо К выражение (3) получим >P () ,ДХЭ- . „,, ° (11К „(й)Ваап

Из выражения (5) видно,что при больших И и изменении i от 1 до и коэффициент передачи разомкнутой системы изменяется от нуля до максимального значения Кщ(Й). При этом ошибка разомкнутой системы изменяется от какой-то минимальной величины до величины ошибки разомкнутой системы, что и определяет низкую точность известных стабилизаторов переменного напряжения.

В режиме регулирования по возмущению (для этого необходимо контролировать не входную величину напряжения, а входное напряжение, для чего необходимо подключить блок обратной связи на вход стабилизатора); ошибка равная разности входного и задающего (эталонного) синусоидальных напряжений будет также синусондальной, что приведет к низкочастотной модуляции выходного напряжения, т.е. в этом режиме известные стабилизаторы неработоспособны, что является ограничением их функциональных возможностей.

Цель изобретения — повышение точно.сти и расширение функциональных возможностей.

Укаэанная цель в первом варианте достигается тем, что известный стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам,. а выходом — к силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к выходным клеммам, компаратор, выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, одним иэ входов соединенный с выходом первого выпрямителя, а другим входом — с выходом второго выпрямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения, снаб5 035898 жен блоком перемножения и блоком сум: мироваиия, причем один из входов блока перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, другой входс выходом блока формирования опорного напряжения и первым входом блока суммирования, а выход блока перемножения подключен ко второму входу блока сум мирования, выход которого подключен ко входу первого выпрямителя, при этом 1о вход второго выпрямителя соединен с клеммами для подключения сравниваемого напряжения, которые могут быть подключены как к входным, так и к выходным клеммам. 15

Во втором варианте указанная цель достигается тем, что тот же известный стабилизатор переменного напряжения снабжен блоком перемножения и блоком суммирования, причем первый вход блока щ перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, второй вход — с клеммами для подключения сравнивающего напряжения и первым входом блОка суммирования, вторОй ВХОД кОтОроо» Я5 го соединен с выходом блока перемножения, а выход блока суммирования подключен ко входу первого выпрямителя, причем выход блока формирования опорного напряжения соединен со входом второго выпрямителя, при этом клеммы для подключения сравниваемого напряжения могут быть поцключены как к вкоцным, так и к выхопным клеммам.

На фиг. 1 приведен первый вариант блок-схемы предлагаемого стабилизатора; на фиг. 2 -; на фиг. 3,—

4 приведены временные диаграммы работы первого и второго вариантов стабили- 40 заторов соответственно.

Устройство -по первому варианту (фиг. 1) состоит из первого фильтра l, входом подключенного к входным клеммам, .а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа 2, второго фильтра 3, входом соединенного с выходом ключевого регулирующего органа 2, а выходом — с выходными клеммами, компаратора 4, выходом соединенного с управляющим входом ключевого регулирующего органа 2. Второй выпрямитель 5, входом соединенный с первым входом компаратора 4, второй вход которого соединен с выходом первого выпрямителя .6, вход которого соединен с выходом блока суммирования 7 ° Блок 8 формирования опорного напряжения входом подключен к входным клеммам, а выходом — к первому входу блока суммирования 7 и ко второму входу блока перемножения 9, выход которого соединен ео вторым входом блока суммирования 7, а первый вход с блоком развертывающего напряжения LO. При этом в режиме регулирования по возмущению вход второго выпрямителя 5 соединен с входными клеммами.

Устройство по второму варианту (фиг. 2) содержит первый фильтр 1, входом подключенный к выходным клеммам, а выходом — к силовому входу ключевого регулирующего органа 2, выход которого соединен со входом второго фильтра 3, выход которого соединен с выходными клеммами.

Управляющий вход ключевого регулирующего органа 2 соединен с выходом компаратора 4, второй вход которого соединен с выходом второго выпрямителя 5, а первый вход — с выходом первого выпрямителя 6, причем его выход— с выходом первого выпрямителя 6, причем его вход, в свою очередь, подключен к выходу блока суммирования 7, вход выпрямителя 5 через блок 8 формирователя опорного напряжения, при этом первый вход блока суммирования 7 соединен с выходными клеммами и вторым входом блока перемножения 9, а второй вход блока суммирования 7 соединен с выходом блока перемножения 9.

Первый вход блока перемножения 9 соединен с выходом блока развертывающего напряжения 10. Выход блока формирования опорного напряжения 8 соединен со входом второго выпрямителя 5, а вход ! подключен к выходным клеммам. B режиме регулирования по возмущению обт единенные первый вход блока суммирования 7 и второй вход блока перемножения

9 подключены к входным клеммам.

На фиг. 3 показаны временные диаграммы работы стабилизатора переменного напряжения по первому варианту (фиг. 1). Здесь обозначено: 11 — напряжение на выходе блока формирования .опорного напряжения. Напряжение 11 синусоидально по форме, стабильно по амплитуде и синхронно с напряжением сети, что достигается подключением блока формирования опорного напряжения 8 к входным клеммам; 12 — напряжение на выходе блока развертывающего напряжения

10, которое представляет собой пилообразное напряжение с частотой намного большей частоты сети. Это напряжение может иметь любую другую форму, при935898 вания 7 и выходных клемм стабилизато- 15 ра, причем напряжение 15 выпрямляется

2S напряжение на выходе блоке развертываю-50 щего напряжения 10, которое может иметь вид как линейно нарастающего пилочем закон изменения этого напряжения определяет вид регулировочной характеристики ключевого регулирующего органа 2; 13 — напряжение на выходе блока .перемножения 9, полученное путем перемножения мгновенных значений напряжений 11 и 12, поданных на входы блока перемножения 9; 14 — напряжение на выходе блока суммирования 7, полученное путем сложения напряжения 11 и 12, которые поданы соответственно на первый и второй входы блока суммирования

7 ; 15 и 16 — выпрямленные напряжении соответственно с выхода блока суммиропервым выпрямителем 6, а 16 — вторым выпрямителем 6. Эти напряжения подаются соответственно «а второй и первый входы компаратора 4; 17 — сигнал на выходе компаратора 4, который подается на управляющий вход ключевого регулирующего органа 2; 18 -, напряжение на выходе стабилизатора переменного напряжения.

На фиг. 4 показаны. временные диаграммы работы Стабилизатора переменного напряжения по второму варианту, Здесь обозначено: 19 — развертывающее образного, так и линейного падающего;

20 — напряжение на выходе блока перемножения 9, полученное путем умножения мгновенного значения выходного напряжения 18, на развертывающее напряжение 19, которые подаются соответственно на второй и первый входы блока перемножения 9; 21 - напряжение на выходе блока суммирования 7, равное сумме напряжения 20 и выходного напряжения

18 стабилизатора переменного напряжения; 22 — напряжение на выходе блока суммирования 7, выпрямленное первым . выпрямителем 6; 23 - сигнал на выходе компаратора 4, который подается на управляющий вход ключевого регулирующего органа 2.

Принцип работы предлагаемого стаби-. лизатора переменного напряжения по варианту первому состоит в следующем.

Частота работы ключевого регулирующего органа 2, определяемая частотой работы блока развертывающего напряжения 10, I выбирается намного большей частоты сети. При этом на входе фильтра 3 .формируются прямоугольные импульсы напряжения, огибающая которых

55 представляет собой синусоиду, частота которой равна частоте сети. Фильтр 3 выделяет основную гармонику напряжения сети. Регулируя коэффициент заполнения импульсов у от 0 до 1, можно изменять выходное напряжение от нуля до напряжения, подаваемого на вход стабилизатора. Этот факт используется для осуществления стабилизации. Выходное напряжение 18 через второй выпрямитель 5 подается на первый вход компаратора 4, на другой вход которого подается опорное напряжение 11, перемноженное с развертывающим напряжением

12 блоком перемножения 9 и просуммированное блоком суммирования 7 опять с опорным напряжением 11. Полученное таким образом напряжение 15 выпрямляется выпрямителем 6 и сравнивается с выпрямленным:выходным напряжением

16 на компараторе 4. Допустим, что исходный коэффициент заполнения импульсов

), соответствующий выходному номинальному напряжению, равен 0,5 (g определяется как отношением времени замкнутого состояния ключевого регулирующего органа 2 к длительности периода высокой частоты). Тогда на выходе напряжение, отфильтрованное фильтром 3, будет синусоидальным и равным номинальному 18. При изменении выходного напряжения (как показано на фиг. 3, во второй половине второго полупериода выпрямленное выходное напряжение 16 изменяется скачком) в сторону увеличения длительности замкнутое состояние также изменяется скачком в сторону умен| шения, что приводит к уменьшению коэфициента заполнения импульсов p и, таким образом, к уменьшению выходного напряжения 18, т.е, к . возврату его к номинальному значению. При изменении выходного напряжения в сторону уменьшения коэффициент заполнения импульсов будет возрастать, что опять же приведет к всзаращеиию выходного напряжения к номинальному.

Покажем, что в этом случае изменение статического коэффициента передачи ключевого. регулирующего apraHa 2 компенсируется встречным изменением коэффициента передачи компаратора 4. Действительно, при изменении амплитуды выходного напряжения 16 от величины опорного напряжения до верхней огибающей коэффициент заполнения импульсов изменится от 1 до нуля. При этом изменение среднего значения напряжения на каждом периоде высокой частоты различно. Принимая (И) к = (е>

OVKh. O

25 дхр аи= И) 1k

9358 во внимание ei о синусоидвльную форму, можно записать (1-46 ® СР 1 ОТКЛ. Al где Ю < - изменение среднего значения

Х СР1 входного напряжения компарат ора на 1 гом периоде высокой частоты; 10 отклм - амп"итудв отклонения.

Поскольку статический коэффициент передачи компаратора равен отношению изменения выходной величины по изменению входной, получаем: 15

Общий коэффициент передачи ключевого рр регулирующего органа 2 и компарвтора 4 определяется произведением. выражений (3) и (7), т.е.

Поскольку коэффициенты передачи остальных звеньев контура регулирования приняты равными единице, то выражение () е (8) определяет общий статический коэффициент передачи разомкнутой системы. Подставляя (8) в (4), получаем

98 10 ходкое напряжение 18 и развертывающее напряжение 19 (эдесь показаны два варианта развертывающего напряжения) блоком перемножения 9, а затем полученное напряжение 20 суммируют в блс ке суммирования 7 опять с выходным напряжением 18. Компаратор 4 сравнивает .выпрямленное сннусоидальное напряжение 16 блока формирования опорного напряжения 8 с выходным напряжением, модулированным развертывающим 19.

При изменении выходного напряжения коэффициент заполнения импульсов у также изменяется таким образом, что происходит компенсация изменения выходного напряжения. Диаграммы 22 и 23 показывают, что при скачкообразном изменении напряжения на выходе скачкообразно изменяется коэффициент заполнения привода, соответственно выходное и задающее напряжение.

В этом варианте также осуществляет;ся компенсация изменения статического коэффициента передачи ключевого регули.рующего органа 2 встречным" изменением коэффициента передачи компаратора 4. Очевидна также работа этого варианта стабилизатора переменного напряжения в режиме регулирования цо возмущению, для чего необходимо лишь объединенные входы блока суммирования (первый вход) и блока перемножения (второй вход) .переключить с выхода стабилизатора на его вход.

Таким образом, данное изобретение позволяет повысить точность стабилизации и расширить функциональные возможности. откуда видно, что, увеличивая коэффициент

К можно нолучить любую заданную точ.oS" ность.

Понятно, что такой стабилизатор может .работать и в режиме регулирования по воз мущению, для чего необходимо лишь вход выпрямителя 5 подключить к входным клеммам стабилизатора.. Очевидно, что, иувеличивая 8, можно добиться стабилизации мгновенного значения переменного напряжения, потому что увеличение N сближает значения среднего напряжения на периоде высокой частоты и мгновенSQ ного. Этот эффект уже заметен при

М 4 100. В то же время, современные транзисторы позволяют увеличивать hl до 500-1000 и более.

Принцип работы стабилизатора переменного напряжения по второму варианту поясняется на диаграммах (фиг. 4).

Отличительной особенностью работы здесь является то, что перемножают выФ ор мула изобретения

1. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам, а выходом — к силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого через второй фильтр подключен к,выходным клеммам, компаратор, выходом соединенный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, одним из входов соединенный с выходом первого выпрямителя, а другим входом — с выходом второго выпрямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения, о т л и ч а ю ш н и с я тем, что, с целью повышения точности стабилизации и расширения функциональных возможностей, снабжен бло035898 ком перемножения и блоком суммирования, причем один из входов блока перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, другой вход - с выходом блока формирования ойорного íà- $ пряжения, другой вход - с выходом блока формирования опорного напряжения и первым входом блока суммирования, а выход блока перемножения подключен ко второму входу блока суммирования, выход tO которого подключен ко входу первого выпрямигеля, при этом вход второго выпрямителя соединен с клеммами для подключения источника сравниваемого напряжения. 1$

2. Стабилизатор переменного налряженияпоп. l,îòëичающийся с. тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с выходными клеммами. 20

3. Стабилизатор переменного напряжения по и. 1 о т л и ч & ю шийся тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с входными кл ммами. 2$

4. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий первый фильтр, входом подключенный к входным клеммам, а выходом - к силовому входу ключевого регулирующего органа, выход которого че- $р рез второй фильтр подключен к выходным клеммам, компаратор, выходом соединен ный с управляющим входом ключевого регулирующего органа, одним из входов соединенный с выходом первого выпрями12 теля, а другим входом — с выходом второго выпрямителя, блок формирования опорного напряжения, входом подключенный к входным клеммам, блок развертывающего напряжения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности и расширениИ функциональных возможностей, снабжен блоком перемножения и блоком суммирования, причем первый вход блока перемножения соединен с выходом блока развертывающего напряжения, второй вход— с клеммами для подключения сравнивающего напряжения и первым входом блока суммирования, второй вход которого соединен с выходом блока перемножения, а выход блока суммирования подключен ко входу первого выпрямителя, причем блок форми- рования опорного напряжения соединен со входом второго выпрямителя.

5; Стабилизатор по п. 4, о т л и— ч а ю шийся тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с входными клеммами.

6. Стабилизатор по п. 4, о т л и— ч а ю шийся тем, что клеммы для подключения сравниваемого напряжения соединены с выходными клеммами.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

l. Авторское свидетельство СССР по заявке М 2431084/07, кл. 6 05 F 1/44, 1978.

2. Авторское свидетельство СССР

М 472339, кл. g 05 F 1/44, 1974.

035898

Составитель С. Чернышева

Редактор С. Запесочный Техред Ж.Кастелевич Корректор О. Билак

Заказ 4209/49 Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений н открытий

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

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная, 4