способ управления коммутатором вольтодобавочного трансформатора для изменения напряжения

Формула изобретения

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ КОММУТАТОРОМ ВОЛЬТОДОБАВОЧНОГО ТРАНСФОРМАТОРА ДЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ, выполненного в виде моста на полностью управляемых ключах, к одной диагонали которого подключена первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора, а его другая диагональ подключена к источнику переменного напряжения, по которому формируют две последовательности тактовых интервалов с одинаковой частотой, не меньшей удвоенной частоты сети, и внутри каждого тактового интервала формируют два временных интервала с изменяющимися, взаимосвязанными длительностями, при этом каждый из временных интервалов соответствует включенному состоянию одного из ключей моста, временные интервалы, относящиеся к одной последовательности, соответствуют ключам смежных плеч моста, связанных с разными выводами источника переменного напряжения, изменение напряжения осуществляют взаимно встречным изменением длительностей временных интервалов первой и второй последовательностей тактовых интервалов, отличающийся тем, что в тактовый интервал каждой последовательности введен третий временной интервал с длительностью, равной длительности первого временного интервала, причем первый и третий временные интервалы одной последовательности соответствуют включенному состоянию одного и того же ключа, изменение суммарной длительности первого и третьего интервалов осуществляют взаимно встречно с изменением длительности второго временного интервала той же последовательности, суммарная длительность первого и третьего интервалов одной последовательности равна длительности второго временного интервала другой последовательности.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначается для регулирования или стабилизации переменного напряжения.

Объектом управления является мостовой коммутатор, подключенный одной диагональю к сети, а другой к первичной обмотке вольтодобавочного трансформатора, вторичная обмотка которого включена между сетью и нагрузкой.

Известен способ управления вышеупомянутым коммутатором вольтодобавочного трансформатора для изменения напряжения (авт. св. СССР N 589683, кл. Н 02 Р 12/16, G 05 F 1/16, 1976). Он формирует однополярную вольтодобавку и позволяет плавно переходить от положительной вольтодобавке к отрицательной в процессе регулирования или стабилизации переменного напряжения. Суть известного способа в том, что формируют две последовательности тактовых интервалов, сихронизированных с частотой задающего сигнала, превышающей частоту сети, и внутри каждого тактового интервала образуют два временных интервала со взаимно изменяющимися длительностями, которыми задают порядок замыкания ключей моста, а изменение (регулирование или стабилизацию) напряжения нагрузки осуществляют взаимным встречным изменением длительностей временных интервалов первой и второй последовательностей тактовых интервалов.

Недостаток известного способа состоит в том, что частота модулируемой вольтодобавки равна частоте коммутации ключей, и, как следствие этого, неиспользование возможностей мостового коммутатора вольтодобавочного трансформатора в реализации регулирования или стабилизации напряжения с улучшенными технико-экономическими показателями (формой кривой напряжения и быстродействием) при сохранении диапазона регулирования и тех же коммутационных потерях.

Цель изобретения улучшение формы выходного напряжения с сохранением диапазона регулирования и повышение быстродействия за счет повышения частоты модуляции без изменения частоты коммутации ключей.

Цель достигается тем, что в тактовый интервал каждой последовательности введен третий временной интервал длительностью, равной длительности первого временного интервала, причем первый и третий временные интервалы одной последовательности соответствуют включенному состоянию одного и того же ключа, изменение суммарной длительности первого и третьего интервалов осуществляют взаимно-встречно с изменением длительности второго временного интервала той же последовательности, суммарная длительность первого и третьего интервалов одной последовательности равна длительности второго временного интервала другой последовательности.

На фиг. 1 приведена схема коммутатора вольтодобавочного трансформатора для изменения напряжения; на фиг. 2 представлены временные диаграммы, поясняющие формирование выходного напряжения и алгоритм управления ключами коммутатора; на фиг. 3 изображена схема устройства, реализующего формирование последовательностей импульсов по требуемому согласно способу алгоритму управления ключами коммутаторов; на фиг. 4 показаны временные диаграммы, поясняющие реализацию устройством предлагаемого способа управления.

Устройство для изменения переменного напряжения содержит силовую часть (фиг. 1) и систему управления (фиг. 3).

Силовая часть содержит вольтодобавочный трансформатор и собственно мостовой коммутатор, выполненный на полностью управляемых ключах 1-4. Система управления содержит задающий генератор 5, в качестве которого для построения синхронной системы управления используется генератор 6 синхроимпульсов совместно с умножителем 7 частоты и генератором 8 меандра, а для построения асинхронной системы управления, которая целесообразна для упрощения при высокочастотной модуляции, используется симметричный мультивибратор. Кроме того, система управления содержит инвертор 9, два генератора 10 и 11 треугольного напряжения, два компаратора 12 и 13, четыре отсекающих диода 14-17, дополнительные два инвертора 18 и 19, четыре выходных каскада 20-23, включающие усилители мощности и элементы гальванической развязки при выполнении ключей на транзисторах, а также модуляторы и формирователи мощных импульсов при выполнении ключей на запираемых тиристорах.

На фиг. 2а, б и 4 введены следующие обозначения: U_г1, U_г2 выходные сигналы генераторов треугольного напряжения; U_у" и U_у"" сигналы управления соответственно для формирования режимов вольтодобавки и вольтовычета; Т_к1 и Т_к2 первый и второй тактовые интервалы, равные периоду коммутации Т_к; ₁, ₂ первые временные интервалы соответственно Т_к1 и Т_к2; ₁, ₂ вторые временные интервалы соответственно Т_к1 и Т_к2; ₁, ₂ третьи временные интервалы соответственно Т_к1 и Т_к2.

На фиг. 2 и 4 отражены следующие условия способа:

T_к Т_к1 Т_{к2 1} + ₁ + <sub>1

2</sub> + ₂ + ₂; (1)

₁ + _{1 2} и ₂ + _{2 1} (2)

_{1 1 22}; (3)

Т_к k Т_сети, где К 1, 2, 3,n, (4) обобщая которые получают тождество, характеризующее основное условие способа:

T_к1 + ₂ 2(₁ + ₂)

2(₁ + ₂) (5)

Способ осуществляется следующим образом.

При пересечении одноименных временных интервалов первичная обмотка вольтодобавочного трансформатора (фиг. 1) закорочена посредством ключей. При пересечении первых временных интервалов ₁ и ₂ замкнуты ключи 1 и 4, вторых ₁ и ₂ замкнуты ключи 2 и 3 и третьих ₁ и ₂, вновь замкнуты ключи 1 и 4, осуществляя закорачивание первичной обмотки трансформатора для предотвращения дроссельного режима.

При пересечении других (не одноименных) временных интервалов разных последовательностей ключами коммутатора реализуется подключение первичной обмотки трансформатора к сети с согласным или встречным включением ее со вторичной обмоткой, соответственно обеспечивая работу трансформатора в режимах вольтодобавки (фиг. 2а) или вольтовычета (фиг. 2б). Режим работы трансформатора задается величиной сигнала управления U_у.

В случае U_у U_у" и соответственно ₁ > ₂ на фиг. 2а пересекаются интервалы ₁ с ₂ и ₂ с ₁, обеспечивая замыкание ключей 1 и 3 коммутатора для формирования режима вольтодобавки, а в случае U_у U_у"" и соответственно ₁ < ₂ на фиг. 2б пересекаются интервалы ₂ с ₁ и ₁ с ₂, обеспечивая замыкание ключей 2 и 4 коммутатора для формирования режима вольтовычета. Переход от режима регулируемой вольтодобавки к режиму регулируемого вольтовычета происходит при _{1 2} Т_к/4, когда сигнал управления U_у проходит через точки пересечения треугольных напряжений U_г1 и U_г2 и выполняется условие U_у U_г1 U_г2 (см. фиг. 2).

Процесс регулирования напряжения нагрузки U₂ в диапазоне от U₁ (1 + К_Вт) до U₁ (1 К_Вт) (К_Вт коэффициент трансформации вольтодобавочного трансформатора) производится при изменении временного интервала ₁ от 0 до Т_к/2 рад за счет изменения сигнала управления U_у от максимального значения треугольного напряжения до нуля.

В таблице с учетом выражения (5) приведены значения временных интервалов, при которых напряжение нагрузки имеет синусоидальную форму и принимает значения, характеризующие диапазон регулирования.

Выражения (3) и (4), характеризующие отличительные признаки способом управления коммутатором вольтодобавочного трансформатора, при высоких частотах коммутации могут быть не абсолютно строгими, что упрощает алгоритм управления и позволяет применять упрощенную асинхронную систему управления (фиг. 4) без существенных изменений гармонического состава выходного напряжения. Выражение (3) может быть приближенным, а в выражении (4) коэффициент кратности может быть дробным. В этом случае на фиг. 3 в качестве задающего генератора 5 используется симметричный мультивибратор.

Работа устройства (фиг. 3), реализующего алгоритм управления заявляемого способа, характеризуется временными диаграммами, представленными на фиг. 4. На этих диаграммах показаны выходные сигналы соответствующих элементов системы управления ключами коммутатора (фиг. 1) в согласовании с алгоритмом управления (фиг. 2).

На выходе генератора 6 синхроимпульсов (фиг. 3) формируются короткие импульсы в моменты перехода напряжения сети U₁ через ноль (фиг. 4). Увеличение частоты и длительности этих импульсов производится умножителем 7 частоты. Дальнейшее увеличение длительности задающих импульсов до меандра производится генератором 8 меандра (фиг. 3). На диаграмме (фиг. 4) показано, что при асинхронном управлении эту же функцию может выполнить симметричный мультивибратор, используемый в качестве задающего генератора 5. С выхода синхронного или асинхронного с сетью задающего генератора 5 импульсы поступают на вход генератора 10 треугольного напряжения, а их инверсия, образованная инвертором 9, на вход генератора 11 треугольных импульсов. Таким образом производится смещение выходных сигналов генераторов 10 и 11 треугольного напряжения на половину коммутационного периода Т_к/2.

Смещенные на Т_к/2 треугольные напряжения U_г1 и U_г2 соответственно с выходов генераторов 10 и 11 подаются на входы компараторов 12 и 13, где, сравниваясь с сигналом управления U"_у (фиг. 4), формируют двухполярные импульсы соответственно на выходах компараторов 12 и 13 (фиг. 3), которые согласуются с алгоритмом управления (фиг. 2) ключами 1-4 коммутатора (фиг. 1).

Дальнейшие операции устройства управления (фиг. 3) сводятся к формированию положительных управляющих импульсов 18, 16, 19 и 17 (фиг. 4), дальнейшему усилению этих импульсов до требуемой величины, формируя соответственно импульсы 20, 21, 22 и 23, и подаче этих импульсов через элементы гальванической развязки непосредственно на электроды управления ключей 1, 2, 3 и 4 соответственно. Эти операции можно выполнить, например, при помощи отсекающих диодов 14, 15, 16 и 17 (фиг. 3) и дополнительных интервалов 18, 19, а также выходных каскадов 20, 21, 22 и 23, выходы которых подключены к цепям управления ключами 1, 2, 3 и 4.