RU2246127C2

RU2246127C2 - Pulse stabilizer for variable voltage

Info

Publication number: RU2246127C2
Application number: RU2003108593/09A
Authority: RU
Inventors: А.И. Коршунов (RU); А.И. Коршунов
Original assignee: Военно-морской институт радиоэлектроники им. А.С. Попова
Priority date: 2003-03-19
Filing date: 2003-03-19
Publication date: 2005-02-10

Abstract

FIELD: electric engineering.

SUBSTANCE: base of stabilizer functioning is a principle of conversion of grid voltage to series of pulses, modulated by width, having frequency multiply greater than grid frequency, and selection by filter of first harmonics, amplitude of which is proportional to pulses off-duty factor. The latter is adjusted dependently on mismatch between absolute values of support sinusoidal voltage and output voltage.

EFFECT: higher efficiency.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам питания радиоэлектронной аппаратуры и вычислительной техники.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to power devices for electronic equipment and computers.

Известен импульсный стабилизатор переменного напряжения, содержащий вольтдобавочный трансформатор, ключевой регулирующий элемент, широтно-импульсный модулятор, генератор стабильного синусоидального опорного напряжения, синхронизированного с частотной сети, схему синхронизации, схему сравнения и интегральный фильтр (а.с. СССР №472339, G 05 f 1/44, 1975 г.).Known pulsed AC voltage stabilizer containing a boost booster transformer, a key control element, a pulse-width modulator, a stable sinusoidal reference voltage generator synchronized with the frequency network, a synchronization circuit, a comparison circuit and an integral filter (AS USSR No. 472339, G 05 f 1/44, 1975).

Недостатком его является невозможность работы в отрицательный полупериод переменного напряжения. Действительно, при сохранении соотношения между выходным и опорным напряжениями (например, при выходном напряжении, меньшем по величине опорного) определяемое схемой сравнения рассогласование опорного и выходного напряжений из-за смены их полярности меняет знак (становится отрицательным). Вследствие этого широтно-импульсный модулятор, управляемый напряжением рассогласования, начинает изменять относительную длительность импульсов, поступающих с ключевого регулирующего элемента на сглаживающий фильтр в направлении, увеличивающем разницу абсолютных величин опорного и выходного напряжений. Так при меньшем по величине выходном напряжении относительная длительность импульсов уменьшается, вызывая еще большее снижение величины выходного напряжения. Помимо этого, вследствие широтно-импульсной модуляции суммы напряжений сети и вольтдобавочного трансформатора транзистор ключевого элемента должен выдерживать большое напряжение в закрытом состоянии. Использование же коммутирующих тиристоров, через один из которых при закрывании ключевого элемента "дроссель интегрального фильтра разряжается на нагрузку", вследствие их значительно меньшего быстродействия по сравнению с транзисторным ключом требует применения сложных устройств защиты транзисторного ключа от пробоя в момент переключения значительной э.д.с. самоиндукции дросселя и от сквозного короткого замыкания при одновременном замыкании ключа и тиристора, что увеличивает потери энергии в стабилизаторе. Кроме того, вблизи точек перехода через ноль форма выходного напряжения существенно отклоняется от синусоидальной, даже при идеально синусоидальном напряжении сети. Это вызвано необходимостью сохранять постоянной относительную длительность импульсов на входе фильтра, а следовательно, и выходной сигнал широтно-импульсного модулятора, т.е. рассогласование опорного и выходного напряжений. Вследствие этого выходное напряжение стабилизатора вблизи нулевых точек близко к параболе, а не к синусоиде.Its disadvantage is the inability to work in the negative half-period of alternating voltage. Indeed, while maintaining the relationship between the output and reference voltages (for example, when the output voltage is lower than the reference voltage), the mismatch between the reference and output voltages determined by the comparison circuit changes sign due to a change in their polarity (becomes negative). As a result, the pulse-width modulator, controlled by the mismatch voltage, begins to change the relative duration of the pulses coming from the key control element to the smoothing filter in the direction that increases the difference between the absolute values of the reference and output voltages. So with a smaller output voltage, the relative pulse duration decreases, causing an even greater decrease in the output voltage. In addition, due to pulse-width modulation of the sum of the voltage of the network and the boost transformer, the transistor of the key element must withstand a large voltage in the closed state. The use of switching thyristors, through one of which, when closing the key element, "the integral filter inductor is discharged to the load", due to their significantly lower speed compared to the transistor switch, requires the use of complex devices to protect the transistor switch from breakdown at the time of switching a significant emf . self-induction of the inductor and from the through short circuit while simultaneously shorting the key and the thyristor, which increases the energy loss in the stabilizer. In addition, near the zero crossing points, the shape of the output voltage deviates significantly from the sinusoidal, even with a perfectly sinusoidal mains voltage. This is due to the need to keep constant the relative pulse width at the input of the filter, and therefore the output signal of a pulse-width modulator, i.e. mismatch of the reference and output voltages. As a result, the output voltage of the stabilizer near zero points is close to a parabola, and not to a sinusoid.

Целью изобретения является устранение указанных выше недостатков. Для обеспечения правильной работы стабилизатора в отрицательные полупериоды напряжения сети на входы схемы сравнения опорное синусоидальное напряжение и выходное напряжения стабилизатора подаются через двухполупериодные схемы выпрямления. Для упрощения защиты транзисторного ключа от перенапряжений и сквозных коротких замыканий в моменты переключений коммутирующие тиристоры заменены более быстродействующим транзисторным ключом, работающим в противофазе с первым, причем для уменьшения напряжений на закрытых транзисторных ключах один из входов второго ключа подключен, по сравнению с коммутирующими тиристорами, к другому полюсу сети, как и один из входов сглаживающего фильтра, таким образом транзисторные ключи обеспечивают подачу на входы фильтра напряжения вольтдобавки или замыкание входов накоротко. Возможность получения выходного напряжения, меньшего напряжения сети, обеспечена подключением нагрузки одним концом к выходу фильтра, а другим - не к зажиму сети, а к отводу вольтдобавочного трансформатора. Для исключения искажения формы выходного напряжения вблизи нулевых точек в схему введены регулятор, обладающий интегрирующими свойствами, что позволяет иметь постоянное напряжение на входе широтно-импульсного модулятора при нулевом рассогласовании. Регулятор обеспечивает также устойчивость стабилизатора как замкнутой системы автоматического регулирования.The aim of the invention is to remedy the above disadvantages. To ensure the correct operation of the stabilizer in negative half-periods of the mains voltage, the reference sinusoidal voltage and the output voltage of the stabilizer are supplied to the inputs of the comparison circuit through two-half-wave rectification circuits. To simplify the protection of the transistor switch against overvoltage and through short circuits at the time of switching, the switching thyristors are replaced by a faster-acting transistor switch operating in antiphase with the first, and to reduce the voltage on the closed transistor switches, one of the inputs of the second switch is connected to the switching thyristors, compared to switching thyristors to the other pole of the network, as well as one of the inputs of the smoothing filter, so transistor switches provide voltage to the inputs of the filter voltage and or shorting the inputs. The possibility of obtaining an output voltage that is lower than the mains voltage is provided by connecting the load at one end to the filter output, and at the other end, not to the mains terminal, but to the withdrawal of a boost transformer. To eliminate distortion in the shape of the output voltage near zero points, a regulator with integrating properties is introduced into the circuit, which makes it possible to have a constant voltage at the input of a pulse-width modulator with zero mismatch. The regulator also ensures the stability of the stabilizer as a closed system of automatic regulation.

На фиг.1 приведена схема предлагаемого стабилизатора. Устройство состоит из вольтдобавочного трансформатора 1, имеющего сетевую (ab) и вольтдобавочную (bc) обмотки, двух транзисторных ключей, работающих в противофазе, 2 и 3, широтно-импульсного модулятора 4, генератора опорного синусоидального напряжения, синхронизированного с сетевым напряжением 5, двухполупериодных схем выпрямления 6 и 7, схемы сравнения 8, регулятора 9, сглаживающего фильтра 10 и нагрузки 11.Figure 1 shows a diagram of the proposed stabilizer. The device consists of a voltage boost transformer 1 having a network (ab) and voltage boost (bc) winding, two transistor switches operating in antiphase, 2 and 3, a pulse-width modulator 4, a reference sinusoidal voltage generator synchronized with the network voltage 5, two-half-wave circuits rectification 6 and 7, comparison circuit 8, controller 9, smoothing filter 10 and load 11.

Принцип работы предлагаемого стабилизатора состоит в следующем.The principle of operation of the proposed stabilizer is as follows.

Частота работы ключей 2, 3 значительно выше частоты питающей сети. Благодаря этому на выходе сглаживающего фильтра вьделяется часть напряжения вольтдобавки, определяемая формулойThe frequency of the keys 2, 3 is much higher than the frequency of the mains. Due to this, at the output of the smoothing filter, a part of the voltage of the voltage boost is determined, determined by the formula

U_ф=γU_д,U _f = γU _d ,

где U_ф - напряжение на конденсаторе фильтра,where U _f is the voltage across the filter capacitor,

U_д - напряжение вольтдобавки,U _d - voltage voltage

γ - относительная длительность поступающих на вход фильтра 10 импульсов.γ is the relative duration of 10 pulses arriving at the input of the filter.

Выходное напряжение стабилизатора получается суммированием части сетевого напряжения, получаемого с помощью отвода d сетевой обмотки вольтдобавочного трансформатора 1 и выходного напряжения U_ф фильтра 10. Схема сравнения 8 определяет рассогласование между выпрямляемыми опорным и выходным напряжениями. Благодаря этому отклонение величины выходного напряжения от величины заданной опорным напряжением вызывает необходимое для его устранения изменение относительной длительности импульсов, "вырезаемых" транзисторными ключами из вольтдобавочного напряжения. Действительно при величине выходного напряжения, меньшей заданной, определяемое схемой сравнения 8 рассогласование опорного и выходного напряжений положительно и регулятор 9 увеличивает входное напряжение широтно-импульсного модулятора 4, который увеличивает γ и, следовательно, U_ф и величину выходного напряжения как в положительный, так и в отрицательный полупериоды. Аналогично и при величине выходного напряжения, большей заданной.The output voltage of the stabilizer is obtained by summing part of the mains voltage obtained by tapping d of the network winding of the boost transformer 1 and the output voltage U _{f of the} filter 10. Comparison circuit 8 determines the mismatch between the rectified reference and output voltages. Due to this, the deviation of the output voltage from the value specified by the reference voltage causes a necessary change in the relative duration of the pulses "cut out" by transistor switches from the boost voltage to eliminate it. Indeed, when the output voltage is less than the specified value, determined by the comparison circuit 8, the mismatch of the reference and output voltages is positive and the regulator 9 increases the input voltage of the pulse-width modulator 4, which increases γ and, therefore, U _f and the value of the output voltage both positive and in negative half periods. Similarly, when the magnitude of the output voltage is greater than the specified.

Напряжение, прикладываемое к закрытым транзисторам ключей 2, 3, ограничено амплитудным значением напряжения вольтдобавочной обмотки и оказывается значительно меньшим амплитуды выходного напряжения, что облегчает условия работы транзисторов, уменьшает потери на переключение. Высокое быстродействие транзисторных ключей упрощает устройства их защиты от перенапряжений и сквозных коротких замыканий.The voltage applied to the closed transistors of switches 2, 3 is limited by the amplitude value of the voltage of the boost winding and turns out to be much smaller than the amplitude of the output voltage, which facilitates the operating conditions of transistors, reduces switching losses. High speed transistor switches simplifies their protection against overvoltages and through short circuits.

Отклонение напряжения сети от синусоидальной формы компенсируется стабилизатором напряжения так же, как и изменение величины напряжения, путем соответствующего изменения относительной длительности импульсов γ под действием возникающего рассогласования абсолютных величин опорного стабильного синусоидального напряжения и выходного напряжения. Регулятор 9, обладающий интегрирующими свойствами, обеспечивает необходимую величину входного напряжения широтно-импульсного модулятора 4, а следовательно, и γ практически при нулевом рассогласовании. Это повышает точность стабилизации и исключает искажение формы выходного напряжения вблизи нулевых точек.The deviation of the mains voltage from the sinusoidal shape is compensated by the voltage stabilizer in the same way as the change in the voltage value, by a corresponding change in the relative pulse duration γ under the influence of a mismatch in the absolute values of the reference stable sinusoidal voltage and the output voltage. The controller 9, with integrating properties, provides the necessary input voltage of the pulse-width modulator 4, and therefore, γ with almost zero mismatch. This increases the stabilization accuracy and eliminates distortion in the shape of the output voltage near zero points.

Claims

Switching AC voltage stabilizer containing a boost booster transformer, a key regulating element, a smoothing filter, a control element and a reference sinusoidal voltage source synchronized with the mains voltage, characterized in that the reference sinusoidal and output voltages are supplied to the control element via two-half-wave rectification circuits, the key control element is composed of two transistor switches operating in antiphase, which supply a smoothing filter to the inputs voltage boost voltage or short-circuit smoothing filter inputs, one of the smoothing filter inputs is connected to the output of the boost transformer winding through the key control element, and the other smoothing filter input is connected to the output of this winding common with the network terminal, the load is connected to the smoothing filter output and the network output transformer windings, the output voltage of a pulse AC stabilizer is obtained by summing part of the mains voltage obtained o by removing the boost booster transformer and the output voltage of the smoothing filter, the control element has integrating properties.