УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ СПОСОБА РЕГУЛИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DEVICE TO REALISE AC VOLTAGE CONTROL

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам питания радиоэлектронной аппаратуры, и может быть использовано для стабилизации и регулирования переменного напряжения, построения преобразователей и стабилизаторов переменного напряжения с широким диапазоном входного напряжения и повышенными требованиями к форме выходного напряжения и точности стабилизации.
Известен способ управления регулятором переменного напряжения с вольтодобавочным каналом, реализуемый посредством моста на управляемых ключах с двухсторонней проводимостью и вольтодобавочного трансформатора с первичной обмоткой в диагонали этого моста. Управление входным напряжением от сети выполняется двумя последовательностями импульсов, которыми включаются попарно смежные плечи моста (патент РФ №2046529 С1, МПК 6 H02M 5/22, G05F 1/24). Данный способ позволяет регулировать выходное напряжение с частотой питающей сети.
Недостатками известного способа являются существенные искажения формы выходного напряжения и необходимость синхронизации с моментом перехода через «ноль» входного напряжения.
Известен импульсный стабилизатор переменного напряжения, содержащий вольтдобавочный трансформатор, ключевой регулирующий элемент, сглаживающий фильтр, орган управления и синхронизированный с сетевым напряжением источник опорного синусоидального напряжения коэффициентами трансформации соответствующих секций автотрансформатора.
Результат достигнут за счет того, что устройство для осуществления предлагаемого способа регулирования переменного напряжения включает в себя (фиг.2) помехоподавляющий конденсатор 1, интегрирующий дроссель 2, коммутатор 3 на два положения, помехоподавляющие конденсаторы 4, 5 и автотрансформатор с секционированной обмоткой 6, причем входное напряжение подается на один вывод интегрирующего дросселя 2 и помехоподавляющий конденсатор 1, второй вывод интегрирующего дросселя 2 подключен к входу коммутатора 3, вывод 6.1 автотрансформатора 6 (начало обмотки) подключен к общему проводу устройства и точке соединения помехоподавляющих конденсаторов 1, 4 и 5, вывод секции 6.2, определяющей минимальное входное напряжение, подключен к первому выходу коммутатора 3 и второму выводу помехоподавляющего конденсатора 4, вывод секции 6.3, определяющей максимальное входное напряжение, подключен к второму выходу коммутатора 3 и второму выводу помехоподавляющего конденсатора 5, а выходное напряжение снимается с вывода 6.5 автотрансформатора 6.
Предлагаемое техническое решение по сравнению с прототипом обеспечивает более высокое быстродействие и плавность регулирования в широком диапазоне изменения входного напряжения посредством широтно-импульсной модуляции на частоте, значительно превышающей частоту переменного напряжения и возможность корректировки формы выходного напряжения при упрощении устройства. Кроме того, форма потребляемого тока может также отличаться от тока, потребляемого нагрузкой, что позволяет использовать предложенный способ не только для регулирования величины и коррекции формы переменного напряжения, но и для коррекции коэффициента мощности нагрузки. Илл.3. З.п. ф.2.
Недостатками данного способа являются дискретное регулирование напряжения, невозможность устранения кратковременных скачков входного напряжения, то есть корректировки его формы, поскольку регулирование выходного напряжения осуществляется по результатам измерения усредненного значения выходного напряжения за период, а также необходимость синхронизации момента переключения ключей с моментом перехода через «ноль» сетевого напряжения.
Устройство для осуществления известного способа дискретного регулирования переменного напряжения (патент РФ №2178943 С1, МПК Н02М 5/22, G05F 1/563) включает в себя трансформаторно-ключевой регулирующий орган, представляющий собой трансформатор или автотрансформатор с секционированными обмотками, каждая из которых имеет, по меньшей мере, по два отвода, которые, через соответствующие ключи, подключены к входу или к выходу трансформаторно-ключевого регулирующего органа, а входы управления ключей подключены к соответствующим управляющим входам трансформаторно-ключевого регулирующего органа.
Недостатком устройства для осуществления известного способа дискретного регулирования является большое количество ключей и соответствующих отводов от обмоток трансформатора или автотрансформатора.
Цель изобретения - обеспечение плавного регулирования в широком диапазоне изменения входного напряжения с возможностью корректировки формы выходного напряжения при упрощении устройства.
Указанная цель достигается тем, что в известном способе дискретного регулирования напряжения, заключающемся в том, что уменьшают или увеличивают выходное напряжение за счет ступенчатого изменения коэффициента передачи регулирующего органа по результатам измерения входного и выходного напряжений на каждом периоде измерения, согласно изобретению выходное напряжение регулируют посредством поочередной коммутации с заданной скважностью входного переменного напряжения на два вывода секций обмотки автотрансформатора с частотой, значительно превышающей частоту входного напряжения, что эквивалентно плавному изменению коэффициента трансформации устройства в соответствии с законом широтно-импульсной модуляции в диапазоне, обусловленном коэффициентами трансформации соответствующих секций автотрансформатора.
Указанная цель достигается тем, что в известное устройство для осуществления способа дискретного регулирования напряжения, содержащее входной и выходной выводы, трансформаторно-ключевой регулирующий орган в виде автотрансформатора с секционированной обмоткой с четырьмя отводами, вход и выход которого подключены к входному и выходному выводам, соответственно, согласно изобретению дополнительно введены три помехоподавляющих конденсатора и интегрирующий дроссель, причем входное напряжение подается на один вывод интегрирующего дросселя и первый помехоподавляющий конденсатор, второй вывод интегрирующего дросселя подключен к входу коммутатора, первый вывод автотрансформатора (начало обмотки) подключен к общему проводу устройства и точке соединения помехоподавляющих конденсаторов, вывод второй секции автотрансформатора, определяющей минимальное входное напряжение, подключен к первому выходу коммутатора и второму выводу второго помехоподавляющего конденсатора, вывод третьей секции автотрансформатора, определяющей максимальное входное напряжение, подключен к второму выходу коммутатора и второму выводу третьего помехоподавляющего конденсатора, а выходной вывод подключен к выводу дополнительной секции автотрансформатора.
В устройстве для осуществления способа регулирования переменного напряжения, согласно изобретению, трансформаторно-ключевой регулирующий орган выполнен в виде трансформатора.
В устройстве для осуществления способа регулирования переменного напряжения, согласно изобретению, автотрансформатор или трансформатор с секционированной обмоткой выполнен параметрическим.
Анализ известных технических решений (аналогов) в исследуемой и смежных с ней областях позволяет сделать вывод, что способ регулирования напряжения посредством широтно-импульсной модуляции известен, однако, введение модернизированного импульсного регулятора переменного напряжения понижающего типа на основе управляемых ключей с двухсторонней проводимостью в реверсивном режиме позволяет обеспечить более высокое быстродействие, плавность регулирования в широком диапазоне изменения входного напряжения и возможность корректировки формы выходного напряжения.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что устройство для осуществления предложенного способа регулирования переменного напряжения отличается наличием новых элементов - помехоподавляющих конденсаторов 1, 4, 5 и интегрирующего дросселя 2.
Таким образом, изобретение соответствует критерию «новизна».
Изобретение соответствует критерию «изобретательский уровень», так как для специалиста оно явным образом не следует из уровня техники.
Изобретение является «промышленно применимым», так как оно может быть использовано в различных областях радиоэлектроники и электротехники при построении преобразователей и стабилизаторов переменного напряжения.
На фиг.1 представлены упрощенные схемы преобразователей напряжения понижающего типа, поясняющие суть предлагаемого способа регулирования переменного напряжения.
На фиг.2 изображена упрощенная электрическая принципиальная схема устройства, реализующего предлагаемый способ регулирования переменного напряжения.
На фиг.3 показаны эпюры напряжений в основных точках устройства, реализующего предлагаемый способ регулирования переменного напряжения.
вx
Известен широтно-импульсный регулятор постоянного напряжения понижающего типа [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА. - М.: Радио и связь, 1989], состоящий из управляемых ключей К1 и К2, интегрирующего (накопительного) дросселя L и помехоподавляющего (сглаживающего) конденсатора С, схема которого представлена на фиг.1а. Ключи работают противофазно, причем К1 замкнут в течение времени τ, а К2 замкнут в течение времени (Т-τ), где Т - период работы преобразователя. Очевидно, что напряжение на входе интегрирующего дросселя L при данном способе импульсного регулирования принимает поочередно два значения - U или 0. При этом выходное напряжение равно усредненному за период значению входного напряжения. Характеристика такого регулятора описывается выражением:
вx2
Если этот регулятор постоянного напряжения модернизировать таким образом, чтобы второе значение входного напряжения U было бы отлично от 0, то его регулировочная характеристика будет описывается выражением:
вх1
вх2
вых
вх2
вх1
Схема такого модернизированного импульсного регулятора постоянного напряжения понижающего типа представлена на фиг.1б. При использовании управляемых ключей с двухсторонней проводимостью, такой способ может быть применен также для регулирования переменного напряжения, причем частота переключения ключей К1 и К2 должна значительно превышать частоту входного переменного напряжения. Входные переменные напряжения U и U могут быть получены, например, от автотрансформатора. Упрощенная схема такого регулятора переменного напряжения понижающего типа приведена на фиг.1в. Выходное переменное напряжение U регулируется в диапазоне от U до U при изменении длительности τ замкнутого состояния ключа К1 в пределах от 0 до Т. Для эффективной работы такого регулятора диапазон изменения входного напряжения не должен превышать ±10-15% от номинального значения, поскольку чрезмерное увеличение входного напряжения приведет к насыщению сердечника автотрансформатора, а уменьшение - к снижению КПД и ухудшению массогабаритных характеристик регулятора. Следовательно, предпочтительная область применения такого устройства - регулятор переменного напряжения. Стабилизатор переменного напряжения должен решать обратную задачу - поддерживать выходное напряжение на постоянном уровне при изменении входного напряжения в определенном диапазоне.
Поскольку в данной схеме нет направленных элементов, то есть элементов, свойства которых зависят от направления протекающего тока, то, вследствие принципа дуальности, можно утверждать, что такой импульсный регулятор переменного напряжения будет работать и в обратную сторону (в реверсивном режиме). Такой способ регулирования переменного напряжения наилучшим образом подходит для создания именно стабилизаторов переменного напряжения с широким диапазоном регулирования.
Таким образом, суть предлагаемого способа регулирования переменного напряжения заключается в использовании видоизмененного импульсного регулятора переменного напряжения понижающего типа на основе управляемых ключей с двухсторонней проводимостью в реверсивном режиме.
Способ регулирования переменного напряжения включает уменьшение или увеличение выходного напряжения за счет плавного изменения коэффициента передачи регулирующего органа, для чего входное переменное напряжение поочередно коммутируют с определенной скважностью на два вывода секций обмотки автотрансформатора с частотой, значительно превышающей частоту входного напряжения. Интегрирующий дроссель обеспечивает уменьшение пульсаций выходного напряжения, осуществляя плавное изменение коэффициента передачи регулирующего органа в соответствии со скважностью импульсов коммутации в диапазоне, обусловленном коэффициентами трансформации соответствующих секций автотрансформатора. Поскольку описанные процессы протекают с частотой, значительно превышающей частоту входного напряжения, в данном способе регулирования не требуется синхронизировать моменты коммутации с фазами входного напряжения, что значительно упрощает схему управления.
Устройство для осуществления способа регулирования переменного напряжения (фиг.2) состоит из помехоподавляющего конденсатора 1, интегрирующего дросселя 2, коммутатора на два положения 3, помехоподавляющих конденсаторов 4, 5 и автотрансформатора с секционированной обмоткой 6, причем входное напряжение подается на один вывод интегрирующего дросселя 2 и помехоподавляющий конденсатор 1, второй вывод интегрирующего дросселя 2 подключен к входу коммутатора 3, вывод 6.1 автотрансформатора 6 (начало обмотки) подключен к общему проводу устройства и точке соединения помехоподавляющих конденсаторов 1, 4 и 5, вывод секции 6.2, определяющей минимальное входное напряжение, подключен к первому выходу коммутатора 3 и второму выводу помехоподавляющего конденсатора 4, вывод секции 6.3, определяющей максимальное входное напряжение, подключен к второму выходу коммутатора 3 и второму выводу помехоподавляющего конденсатора 5, а выходное напряжение снимается с вывода 6.5 автотрансформатора 6. В зависимости от точки подключения, выходное напряжение может быть больше максимального входного напряжения (вариант подключения к выводу 6.4), меньше минимального входного напряжения (вариант подключения к выводу 6.6) или находиться в диапазоне между ними (вариант подключения к выводу 6.5).
Устройство для осуществления предлагаемого способа регулирования переменного напряжения работает следующим образом:
вх
Переменное входное напряжение U через интегрирующий дроссель 2 (фиг.2) поступает на вход коммутатора 3 и, в зависимости от его состояния, подается далее на один из выводов 6.2 или 6.3 автотрансформатора 6.
2
3
Поскольку напряжение на выводе 6.2 автотрансформатора 6 всегда меньше входного, ток через интегрирующий дроссель 2 в этом положении коммутатора 3 будет линейно возрастать, увеличивая запасенную в интегрирующем дросселе 2 энергию. При переключении коммутатора 3 на вывод 6.3 автотрансформатора 6, запасенная в интегрирующем дросселе 2 энергия передается через автотрансформатор 6 в нагрузку, при этом ток интегрирующего дросселя 2 будет линейно убывать. Напряжение на входе коммутатора 3, таким образом, изменяется в диапазоне от U (на выводе 6.2) до U (на выводе 6.3) автотрансформатора 6 (фиг.3), что выгодно отличает данное устройство от прототипа, где напряжение на ключах может превышать как входное, так и выходное напряжения.
Обозначим через τ - время, в течение которого входное напряжение поступает на вход 6.2 автотрансформатора 6, тогда (Т-τ) - время, в течение которого входное напряжение поступает на вход 6.3 автотрансформатора 6, где Т - период работы коммутатора 3 (период коммутации). Тогда, используя соотношение (2), можно записать:
или
где W2, W3, W4 - количество витков соответствующих секций автотрансформатора 6;
γ=τ/Т - скважность импульсов коммутации.
Очевидно, что при τ=0 (γ=0)  а при τ=Т (γ=1)  Поскольку γ может плавно изменяться в диапазоне от 0 до 1 с частотой коммутации, значительно превышающей частоту входного напряжения, среднеквадратичное значение выходного напряжения может плавно регулироваться или поддерживаться постоянным при изменении входного напряжения в диапазоне от  до  а мгновенное значение выходного напряжения может регулироваться соответствующим образом, например, с целью корректировки его формы, либо корректировки формы потребляемого тока, что является принципиальным свойством, выгодно отличающим предложенный способ регулировки переменного напряжения и устройство для его осуществления от прототипа.
ком
ком
Ток, протекающий через интегрирующий дроссель 2, содержит переменную составляющую с частотой коммутации F=1/Т, промодулированную с частотой входного сетевого напряжения. Переменная составляющая тока интегрирующего дросселя с частотой F зависит от величины входного напряжения и индуктивности интегрирующего дросселя. Низкочастотная составляющая тока интегрирующего дросселя определяется в основном током нагрузки. Поэтому интегрирующий дроссель 2 должен иметь сердечник из материала с линейной характеристикой намагничивания, например из альсифера, пермаллоя, а также из трансформаторной стали, аморфного железа или феррита с зазором. Индуктивность интегрирующего дросселя 2 определяется величиной входного напряжения, соотношением витков обмоток W2 и W3 автотрансформатора 6 и допустимым уровнем пульсации напряжения на входе устройства. Максимальный ток интегрирующего дросселя 2 определяется максимальным током нагрузки и коэффициентом преобразования устройства с учетом величины высокочастотной составляющей пульсации. Помехоподавляющий конденсатор 1 обеспечивает снижение высокочастотных пульсаций входного тока до приемлемой величины, не оказывая при этом существенного влияния на среднюю величину входного тока, поскольку его емкость сравнительно мала. Помехоподавляющие конденсаторы 4 и 5 обеспечивают снижение пульсаций выходного напряжения. Суммарная эквивалентная емкость помехоподавляющих конденсаторов 4 и 5 может образовывать с эквивалентной индуктивностью автотрансформатора 6 колебательный контур, настроенный на частоту питающей сети, что значительно повысит качество выходного синусоидального напряжения.
Помехоподавляющие конденсаторы 1, 4 и 5 могут быть любого типа, неполярные, например К73-17, с рабочим напряжением не менее максимальных значений входного (для 1 и 4) и выходного напряжений (для 5). Емкости помехоподавляющих конденсаторов 1, 4 и 5 выбираются, исходя из мощности устройства и допустимого уровня пульсаций входного тока и выходного напряжения. Коммутатор 3 может быть выполнен на встречно включенных МОП или IGBT транзисторах, управление которыми целесообразно осуществлять с помощью быстродействующего драйвера с оптической развязкой, например, типа HCPL 3120. Автотрансформатор 6 с секционированной обмоткой может быть любого типа соответствующей мощности, в том числе и параметрический.
В зависимости от точки подключения, выходное напряжение может быть больше максимального входного напряжения (вариант подключения к выводу 6.4), меньше минимального входного напряжения (вариант подключения к выводу 6.6) или находиться в диапазоне между ними (вариант подключения к выводу 6.5), что существенно расширяет функциональные возможности устройства. С целью обеспечения гальванической развязки входного и выходного напряжений трансформаторно-ключевой регулирующий орган может быть выполнен на основе трансформатора. Использование в трансформаторно-ключевом регулирующем органе параметрического трансформатора или автотрансформатора позволит обеспечить повышенное качество выходного напряжения.
Использование предложенного способа и устройства его реализующего по сравнению с прототипом обеспечивает более высокое быстродействие и плавность регулирования в широком диапазоне изменения входного напряжения посредством широтно-импульсной модуляции. При этом регулирование на частоте, значительно превышающей частоту входного напряжения, обеспечивает возможность корректировки формы выходного напряжения и потребляемого тока при сохранении высокого КПД и упрощении устройства.