RU2012989C1

RU2012989C1 - Pulse-modulated converter

Info

Publication number: RU2012989C1
Authority: RU
Inventors: В.И. Яшкин; В.Ф. Еряшев
Original assignee: Яшкин Виктор Иванович
Priority date: 1991-12-02
Filing date: 1991-12-02
Publication date: 1994-05-15

Abstract

FIELD: conversion equipment. SUBSTANCE: pulse-modulated converter has two controlled power keys, transformer with midpoint of primary winding, output bridge rectifier, reservoir capacitor, input bridge rectifier, filtering capacitor, two-winding choke, backward diode and control unit. EFFECT: improved stability of operational characteristics. 3 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может использоваться в преобразователях переменного напряжения в постоянное в качестве сетевого широтно-импульсного выпрямителя с гальваническим разделением по высокой частоте. The invention relates to a conversion technique and can be used in AC to DC converters as a network pulse-width rectifier with high frequency galvanic isolation.

Известен преобразователь переменного трехфазного напряжения в постоянное, являющийся сетевым трехфазным выпрямителем с повышающим транзисторным широтно-импульсным регулятором напряжения, содержащий входной сетевой трехфазный трансформатор и мостовой неуправляемый выпрямитель, подключенный к фазовым вторичным обмоткам трансформатора, а к выходным выводам постоянного тока выпрямителя подключен дроссель с последовательно соединенным накопительным конденсатором, параллельно которому подключена нагрузка, а к общей точке соединения дросселя и конденсатора силовым выводом подключен управляемый ключ (транзистор), другой вывод ключа через развязывающие диоды, соответственно подключается к трем выводам переменного тока мостового выпрямителя и трем вторичным фазным обмоткам трансформатора. С помощью блока управления преобразователя, генерирующего соответствующие импульсы управления силовым ключом, осуществляется двухпозиционная широтно-импульсная модуляция выходного тока трехфазного мостового выпрямителя в функции текущего состояния ключа, очередности работы фаз выпрямителя и соответствующего модуля фазового напряжения питающей трехфазной сети. В результате фазные токи, потребляемые сетевым выпрямителем, будут изменяться по близкому к синусоидальному закону, независимо от характера нагрузки преобразователя. A known converter of alternating three-phase voltage to DC, which is a three-phase rectifier network with a step-up transistor pulse-width voltage regulator, containing an input three-phase network transformer and an uncontrolled bridge rectifier connected to the phase secondary windings of the transformer, and a reactor with a series-connected choke is connected to the output terminals of the rectifier DC a storage capacitor in parallel with which the load is connected, and to a common connection point throttle power pin and a capacitor connected controllable switch (transistor), the other terminal of the key through decoupling diodes respectively connected to the three alternating current terminals of a bridge rectifier and three phase secondary windings of the transformer. Using the converter control unit that generates the corresponding power switch control pulses, two-position pulse-width modulation of the output current of the three-phase bridge rectifier is performed as a function of the current state of the key, the phase sequence of the rectifier and the corresponding phase voltage module of the three-phase supply network. As a result, the phase currents consumed by the network rectifier will change in a manner close to a sinusoidal law, regardless of the nature of the load on the converter.

Недостатком указанного преобразователя является гальваническое разделение питающей сети нагрузки с помощью низкочастотного сетевого трансформатора, что увеличивает его вес и габариты, а соответственно и всего преобразователя. Кроме того, силовая схема преобразователя работает только в режиме повышения выходного постоянного напряжения. The disadvantage of this converter is the galvanic separation of the supply network using a low-frequency network transformer, which increases its weight and dimensions, and accordingly the entire converter. In addition, the power circuit of the converter operates only in the mode of increasing the output DC voltage.

Наиболее близким по технической сущности является стабилизирующий преобразователь постоянного напряжения в постоянное, использующий энергетически выгодную трехпозиционную, т. е. знакопеременную на цикле преобразования, широтно-импульсную модуляцию, содержащий два управляемых силовых ключа (транзисторы) и высокочастотный разделительный трансформатор, включенные по схеме со средней точкой, выходной выпрямитель с параллельно подключенным накопительным трансформатором, входной дроссель, последовательно соединенный со средней точкой трансформатора и блок управления, обеспечивающий генерацию импульсов управления силовыми ключами с длительностью, большей половины цикла преобразования, т. е. с перекрытием на время, являющееся функцией сигнала задания и возмущающих факторов по входу, либо по выходу. Однако подобный преобразователь не может работать при питании непосредственно от сети переменного напряжения. The closest in technical essence is a stabilizing DC-DC converter, using an energy-efficient three-position, i.e. alternating on the conversion cycle, pulse-width modulation, containing two controlled power switches (transistors) and a high-frequency isolation transformer, included in the circuit with an average point, output rectifier with parallel connected storage transformer, input choke connected in series with the midpoint a transformer and a control unit that provides the generation of power switch control pulses with a duration of more than half the conversion cycle, i.e., temporarily overlapping, which is a function of the reference signal and disturbing factors at the input or output. However, such a converter cannot work when powered directly from the AC mains.

Целью изобретения является потребление синусоидального тока от питающего источника переменного напряжения, устранение фазового сдвига между входными переменными током и напряжением при широтно-импульсном выпрямлении на емкостную нагрузку с гальваническим разделением, а также следящее широтно-импульсное регулирование и ограничение токов через силовые управляемые ключи при пуске, перегрузке и к. з. на выходе. The aim of the invention is the consumption of a sinusoidal current from a supply source of alternating voltage, eliminating the phase shift between the input alternating current and voltage during pulse-width rectification to a capacitive load with galvanic separation, as well as tracking pulse-width regulation and limiting currents through power controlled keys during start-up, overload and short circuit at the exit.

Это достигается тем, что импульсно-модулированный преобразователь, содержащий два управляемых силовых ключа, трансформатор со средней точкой первичной обмотки, выходные мостовой выпрямитель накопительный конденсатор, датчики мгновенных значений тока и напряжения питания, выходного напряжения, блок управления, причем силовые выводы ключей соединены соответственно с началом и концом первичной обмотки трансформатора, а другие силовые выводы ключей соединены вместе, выводы вторичной обмотки трансформатора соединены соответственно с выводами переменного тока выходного мостового выпрямителя, а его выводы постоянного тока - соответственно с выводами выходного конденсатора и выходными выводами преобразователя, снабжен входными мостовым выпрямителем и фильтрующим конденсатором, двухобмоточным дросселем, обратным диодом, причем входной вывод преобразователя соединен с выводом переменного тока входного мостового выпрямителя, а другой входной вывод - с другим выводом переменного тока этого выпрямителя, вывод постоянного тока входного выпрямителя соединен с выводом входного конденсатора, началом первой и концом второй обмоток дросселя, другой вывод постоянного тока - с другим выводом входного конденсатора, анодом обратного диода и соединенными вместе другими силовыми выводами ключей, начало второй обмотки дросселя соединено с катодом обратного диода, а конец первой обмотки дросселя соединен со средней точкой первичной обмотки трансформатора, блок управления содержит суммирующий усилитель, ведомый питающим напряжением формирователь сигнала задания модуля синусоидального тока, компаратор с симметричным гистерезисом, D-триггер, первый, второй логические элементы И-НЕ, с первого по шестой логические элементы И, суммирующий компаратор, источник смещения, логический инвертор, первый, второй логические элементы ИЛИ, первый, второй формирователи сигналов управления силовыми ключами, причем информационный выход датчика тока питания соединен с инвертирующим входом усилителя, информационный выход датчика напряжения питания соединен с входом формирователя сигнала задания тока, а его выход - с неинвертирующим входом усилителя, выход суммирующего усилителя соединен с входом компаратора с симметричным гистерезисом, а его выход - с тактовым С-входом триггера и с первыми входами первых, вторых элементов И-НЕ и И, прямой выход триггера соединен с вторыми входами первых, вторых элементов И-НЕ и И, прямой выход триггера соединен с вторыми входами первых элементов И-НЕ и И, а инверсный выход -и с вторым входами вторых элементов И--НЕ и И, а также с информационным D-входом триггера, выход первого элемента И-НЕ соединен с первым входом третьего элемента И, а выход второго элемента И-НЕ - с первым входом четвертого элемента И, выход первого элемента И соединен с первым входом пятого элемента И, а выход второго элемента И - с первым входом шестого элемента И, информационный выход датчика выходного напряжения соединен с неинвертирующим входом суммирующего компаратора, а инвертирующий вход этого компаратора - с выходом источника смещения, выход суммирующего компаратора соединен с входом логического инвертора и с вторыми входами третьего, четвертого элементов И, выход логического инвертора соединен с вторыми входами пятого, шестого элементов И, выход третьего элемента И соединен с первым входом первого элемента ИЛИ, выход четвертого элемента И соединен с первым входом второго элемента ИЛИ, выход пятого элемента И соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ, выход шестого элемента И соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ, выход первого элемента ИЛИ соединен с входом первого формирователя сигналов управления, выход второго элемента ИЛИ соединен с входом второго формирователя сигналов управления, выход первого формирователя соединен с входом управления первого силового ключа, а выход второго формирователя - с управляющим входом второго силового ключа. This is achieved by the fact that a pulse-modulated converter containing two controlled power switches, a transformer with a midpoint of the primary winding, an output bridge rectifier, a storage capacitor, sensors for instantaneous current and supply voltage, output voltage, and a control unit, and the power terminals of the keys are connected respectively to the beginning and end of the primary winding of the transformer, and other power terminals of the keys are connected together, the terminals of the secondary winding of the transformer are connected respectively to the water of the alternating current of the output bridge rectifier, and its DC terminals, respectively, with the terminals of the output capacitor and the output terminals of the converter, is equipped with an input bridge rectifier and a filtering capacitor, a double winding inductor, a reverse diode, and the input terminal of the converter is connected to the alternating current output of the input bridge rectifier, and the other input terminal is with another AC terminal of this rectifier, the DC terminal of the input rectifier is connected to the input terminal the bottom of the capacitor, the beginning of the first and the end of the second inductor winding, the other DC output with a different input capacitor, the reverse diode anode and other key leads connected together, the beginning of the second inductor winding is connected to the reverse diode cathode, and the end of the first inductor winding is connected to the midpoint of the primary winding of the transformer, the control unit contains a summing amplifier, driven by the supply voltage, a shaper of the reference signal of the sine current module, a comparator with symmetry hysteresis, D-flip-flop, first, second logical elements NAND, first to sixth logical elements AND, summing comparator, bias source, logical inverter, first, second logical elements OR, first, second drivers of power key control signals, the information output of the supply current sensor is connected to the inverting input of the amplifier, the information output of the supply voltage sensor is connected to the input of the current driver, and its output is connected to the non-inverting input of the amplifier, the output is total the amplifier is connected to the input of the comparator with symmetrical hysteresis, and its output is connected to the clock C-input of the trigger and to the first inputs of the first, second elements NAND AND AND, the direct output of the trigger is connected to the second inputs of the first, second elements NAND AND , the direct output of the trigger is connected to the second inputs of the first elements AND AND AND, and the inverse output and to the second inputs of the second elements AND are NOT and AND, as well as to the information D-input of the trigger, the output of the first element AND is NOT connected the first input of the third AND element, and the output of the second AND element NOT with the input of the fourth element And, the output of the first element And is connected to the first input of the fifth element And, and the output of the second element And is connected to the first input of the sixth element And, the information output of the output voltage sensor is connected to the non-inverting input of the summing comparator, and the inverting input of this comparator is connected to the output of the bias source, the output of the summing comparator is connected to the input of the logical inverter and to the second inputs of the third, fourth AND elements, the output of the logical inverter is connected to the second inputs of the fifth, sixth of the first AND element, the output of the third AND element is connected to the first input of the first OR element, the output of the fourth AND element is connected to the first input of the second OR element, the output of the fifth AND element is connected to the second input of the first OR element, the output of the sixth AND element is connected to the second input of the second element OR, the output of the first OR element is connected to the input of the first driver of control signals, the output of the second element OR is connected to the input of the second driver of control signals, the output of the first driver is connected to the control input of the first- power key, and a second generator output - to the control input of the second MOSFET.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемое устройство отличается наличием новых элементов: входных мостового выпрямителя и фильтрующего конденсатора, двухобмоточного дросселя, обратного диода и их связями с остальными элементами схемы, а также выполнением блоком управления. Таким образом, предлагаемый импульсно-модулированный преобразователь соответствует критерию изобретения "новизна". Comparative analysis with the prototype shows that the proposed device is characterized by the presence of new elements: input bridge rectifier and filter capacitor, double winding inductor, reverse diode and their connections with other circuit elements, as well as the implementation of the control unit. Thus, the proposed pulse-modulated Converter meets the criteria of the invention of "novelty."

Сравнения предлагаемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволяют выявить в них признаки, отличающие предлагаемое решение от прототипов, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "существенные отличия". Comparisons of the proposed solution not only with the prototype, but also with other technical solutions in this technical field do not allow us to identify signs that distinguish the proposed solution from prototypes, which allows us to conclude that the criterion of "significant differences".

На фиг. 1 изображена принципиальная электрическая схема импульсно-модулированного преобразователя; на фиг. 2 - формы кривых токов и напряжений при работе преобразователя в режиме широтно-импульсного выпрямления на емкостную нагрузку с гальваническим разделением по высокой частоте; на фиг. 3 - диаграммы работы элементов блока управления в нормальном режиме при коротком замыкании (к. з. ) на выходе преобразователя. In FIG. 1 shows a circuit diagram of a pulse-modulated converter; in FIG. 2 - waveforms of currents and voltages during operation of the converter in pulse-width rectification mode for capacitive loading with high frequency galvanic separation; in FIG. 3 - diagrams of the operation of the elements of the control unit in normal mode with a short circuit (short circuit) at the output of the converter.

Импульсно-модулированный преобразователь, выполненный по схеме на фиг. 1, содержит два управляемых силовых ключа 1 и 2, трансформатор 3 со средней точкой первичной обмотки, выходные мостовой выпрямитель 4 и накопительный конденсатор 5, блок 6 управления, входные мостовой выпрямитель 7 и фильтрующий конденсатор 8, двухобмоточный дроссель 9, обратный диод 10, датчики мгновенных значений тока i и напряжения e питания, выходного напряжения e, причем силовые выводы ключей 1 и 2 соединены соответственно с началом концом первичной обмотки трансформатора 3, а другие силовые выводы ключей 1 2 соединены вместе, выводы вторичной обмотки трансформатора 3 соединены соответственно с выводам переменного тока выходного мостового выпрямителя 4, а его выводы постоянного тока - соответственно с выводами выходного конденсатора 5 и выходными выводам "+" и "-" преобразователя, входной вывод преобразователя соединен с выводом переменного тока входного мостового выпрямителя 7, а другой входной вывод - с другим выводом переменного тока этого выпрямителя 7, вывод постоянного тока входного выпрямителя 7 соединен с выводом входного конденсатора 8, началом первой и концом второй обмоток дросселя 9, другой вывод постоянного тока - с другим выводом входного конденсатора 8, анодом обратного диода 10 и соединенными вместе другими силовыми выводами ключей 1 и 2. начало второй обмотки дросселя 9 соединено с катодом обратного диода 10, а конец первой обмотки дросселя 9 соединен с средней точкой первичной обмотки трансформатора 3, блок управления 6 содержит суммирующий усилитель 11, ведомый питающим напряжением ≈ e формирователь 12 сигнала задания модуля синусоидального тока ≈

, компаратор 13 с симметричным гистерезисом, D-трггер 14, первый, второй логические элементы И-НЕ 15, 16 с первого по шестой логические элементы И 17-22, суммирующий компаратор 23, источник смещения 24, логический инвертор 25, первый, второй логические элементы ИЛИ 26, 27, первый, второй формирователи 28, 29 сигналов управления силовыми ключами 1, 2, причем информационный выход датчика тока

питания соединен с инвертирующим входом усилителя 11, информационный выход датчика напряжения

питания соединен с входом формирователя 12 сигнала задания тока

, а его выход - с неинвертирующим входом усилителя 11, выход суммирующего усилителя 11 соединен с входом компаратора 13 с симметричным гистерезисом, а его выход - с тактовым С-входом триггера 14 и с первыми входами первых, вторых элементов И-НЕ, 15, и16 и И 17, 18, прямой выход Q триггера 14 соединен с вторыми входами первых элементов И-НЕ 15 и И 17, а инверсный выход

- с вторыми входами вторых элементов И-НЕ 16 и И 18, а также с информационным D-входом триггера 14, выход первого элемента И-НЕ 15 соединен с первым входом третьего элемента И 19, а выход второго элемента И-НЕ 16- с первым входом четвертого элемента И 20, выход первого элемента И 17 соединен с первым входом пятого элемента И 21, а выход второго элемента И 18 - с первым входом шестого элемента И 22, информационный выход датчика выходного напряжения

соединен с неинвертирующим входом суммирующего компаратора 23, а инвертирующий вход этого компаратора 23 - с выходом источника смещения 24, выход суммирующего компаратора 23 соединен с входом логического инвертора 25 и с вторыми входами третьего, четвертого элементов И 19, 20, выход логического инвертора 25 соединен с вторыми входами пятого, шестого элементов И 21, 22, выход третьего элемента И 19 соединен с первым входом первого элемента ИЛИ 26, выход четвертого элемента И 20 соединен с первым входом второго элемента ИЛИ 27, выход пятого элемента И 21 соединен с вторым входом первого элемента ИЛИ 26, выход шестого элемента И 22 соединен с вторым входом второго элемента ИЛИ 27, выход первого элемента ИЛИ 26 соединен с входом первого формирователя 28 сигналов управления, выход второго элемента ИЛИ 27 соединен с входом второго формирователя 29 сигналов управления, выход первого формирователя 28 соединен с входом управления S₁ силового ключа 1, а выход второго формирователя 29 - с управляющим входом S₂ силового ключа 2.A pulsed-modulated converter according to the circuit of FIG. 1, contains two controlled

power switches

1 and 2, a transformer 3 with a midpoint of the primary winding, output bridge rectifier 4 and storage capacitor 5, control unit 6, input bridge rectifier 7 and filter capacitor 8, double winding inductor 9, reverse diode 10, sensors instantaneous values of current i and supply voltage e, output voltage e, and the power leads of the

keys

1 and 2 are connected respectively to the beginning of the end of the primary winding of the transformer 3, and the other power leads of the keys 1 2 are connected together, the terminals of the secondary the windings of the transformer 3 are connected respectively to the AC terminals of the output bridge rectifier 4, and its DC terminals to the terminals of the output capacitor 5 and the output terminals "+" and "-" of the converter, the input terminal of the converter is connected to the AC terminal of the input bridge rectifier 7 and the other input terminal is with another AC terminal of this rectifier 7, the DC terminal of the input rectifier 7 is connected to the terminal of the input capacitor 8, the beginning of the first and the end of the second winding ok inductor 9, another DC output with a different output of the input capacitor 8, the anode of the return diode 10 and connected together by other power terminals of the

keys

1 and 2. the beginning of the second winding of the inductor 9 is connected to the cathode of the return diode 10, and the end of the first winding of the inductor 9 is connected with the midpoint of the primary winding of the transformer 3, the control unit 6 contains a summing amplifier 11, driven by a supply voltage ≈ e driver 12 of the signal for setting the sine current module ≈

, comparator 13 with symmetrical hysteresis, D-trigger 14, first, second

logical elements NAND

15, 16 first to sixth logical elements 17-22, summing comparator 23, bias source 24, logical inverter 25, first, second logical OR elements 26, 27, the first,

second formers

28, 29 of the power

key control signals

1, 2, the information output of the current sensor

power is connected to the inverting input of the amplifier 11, the information output of the voltage sensor

power is connected to the input of the shaper 12 of the current reference signal

and its output is with the non-inverting input of the amplifier 11, the output of the summing amplifier 11 is connected to the input of the comparator 13 with symmetrical hysteresis, and its output is connected to the clock C-input of the trigger 14 and with the first inputs of the first, second elements NAND, 15, and 16 and And 17, 18, the direct output Q of the trigger 14 is connected to the second inputs of the first elements AND 16 and And 17, and the inverse output

- with the second inputs of the second elements AND 16 and AND 18, as well as with the information D-input of the trigger 14, the output of the first element AND 16 is connected to the first input of the third element And 19, and the output of the second element AND 16 the first input of the fourth element And 20, the output of the first element And 17 is connected to the first input of the fifth element And 21, and the output of the second element And 18 - with the first input of the sixth element And 22, the information output of the output voltage sensor

connected to the non-inverting input of the summing comparator 23, and the inverting input of this comparator 23 is connected to the output of the bias source 24, the output of the summing comparator 23 is connected to the input of the logical inverter 25 and to the second inputs of the third, fourth elements And 19, 20, the output of the logical inverter 25 is connected to the second inputs of the fifth, sixth elements And 21, 22, the output of the third element And 19 is connected to the first input of the first element OR 26, the output of the fourth element And 20 is connected to the first input of the second element OR 27, the output of the fifth element And 21 soy inen with the second input of the first element OR 26, the output of the sixth element AND 22 is connected to the second input of the second element OR 27, the output of the first element OR 26 is connected to the input of the first driver 28 of the control signals, the output of the second element OR 27 is connected to the input of the second driver 29 of the control signals , the output of the first driver 28 is connected to the control input S _{1 of the} power switch 1, and the output of the second driver 29 is connected to the control input S _{2 of the} power switch 2.

Преобразователь (фиг. 1) работает следующим образом. The Converter (Fig. 1) works as follows.

Переменное напряжение питания ≈e с частотой Ω поступает на вход мостового выпрямителя 7, где выпрямляется и подается затем на фильтрующий конденсатор 8 и подключенный к нему дроссель 9, образующие входной высокочастотный фильтр. Дроссель 9 выполнен двухобмоточным, магнитосвязанным, что позволяет осуществить симметрирование протекающего через него тока

и уменьшить индуктивность рассеяния. Началом первой обмотки и концом второй обмотки дроссель 9 подключен к выводу конденсатора 8 и к выводу постоянного тока входного выпрямителя 7, а началом второй обмотки - к катоду обратного диода 10, концом первой - к средней точке первичной обмотки трансформатора 3. Включение подобным образом дросселя 9 обратного диода 10 позволяет осуществить рекуперацию накопленной в дросселе 9 энергии во входной конденсатор 8 в моменты времени, когда разомкнуты оба силовых ключа 1 и 2, т. е. в режиме пуска преобразователя, когда он работает на емкостный накопитель 5, и в режимах перегрузки и короткого замыкания на выходе, когда осуществляется ограничение тока

через силовые ключи 1 и 2 на заданном уровне с одновременным формированием синусоидальной формы входного тока ≈ i.An alternating supply voltage ≈e with a frequency Ω is supplied to the input of the bridge rectifier 7, where it is rectified and then fed to the filtering capacitor 8 and the inductor 9 connected to it, forming an input high-pass filter. The inductor 9 is made of double-winding, magnetically coupled, which allows the balancing of the current flowing through it

and reduce the leakage inductance. By the beginning of the first winding and the end of the second winding, the inductor 9 is connected to the terminal of the capacitor 8 and to the DC terminal of the input rectifier 7, and the beginning of the second winding to the cathode of the reverse diode 10, the end of the first to the midpoint of the primary winding of the transformer 3. Turning on the inductor 9 in this way the reverse diode 10 allows the recovery of the energy stored in the inductor 9 to the input capacitor 8 at times when both

power switches

1 and 2 are open, i.e., in the start-up mode of the converter, when it runs on a capacitive storage spruce 5 and modes overload and short-circuit at the output when the current limitation is carried out

through

power switches

1 and 2 at a given level with the simultaneous formation of a sinusoidal shape of the input current ≈ i.

Силовые ключи 1 и 2 совместно с трансформатором 3 образуют в совокупности ключевой коммутатор, включенный по схеме с общей точкой и питающийся пульсирующим напряжением e с удвоенной частотой Ω . Вторичная обмотка трансформатора 3 подключена к входу мостового выпрямителя 4, к выходу которого параллельно подключен накопительный конденсатор 5 с соответствующей величиной емкости и нагрузка. Power switches 1 and 2 together with transformer 3 form in aggregate a key switch connected according to a common point circuit and powered by a pulsating voltage e with a double frequency Ω. The secondary winding of the transformer 3 is connected to the input of the bridge rectifier 4, the output of which is connected in parallel to the storage capacitor 5 with the corresponding capacitance and load.

Ключевой коммутатор работает в режиме энергетически выгодной трехпозиционной широтно-импульсной модуляции, преобразуя пульсирующее напряжение питания

в пульсирующее высокочастотное переменное напряжение ≈ v почти прямоугольной формы с паузами зануления t на периоде τ несущей частоты ν , которое затем трансформируется с необходимым коэффициентом трансформации во вторичную обмотку трансформатора 3 и далее, поступает на выпрямитель 4 и накопитель 5, где выпрямляется, фильтруется и подается в нагрузку. Для осуществления мгновенно следящего широтно-импульсного регулирования с одновременным синтезом необходимой синусоидальной формы входного тока ≈ i питания, сигналы управления S₁ и S₂ силовыми ключами 1 и 2, генерируемые блоком управления 6 в функции сигнала задания тока

и возмущений по питанию и нагрузке, должны перекрываться на некоторое время t цикла модуляции τ . В результате обеспечивается состояние коммутатора, когда оба силовых ключа 1 и 2 замкнуты, а тем самым осуществляется закорачивание и первичных полуобмоток трансформатора 3, формируя таким образом паузу зануления длительностью t. Изменяя время перекрытия, т. е. изменяя относительную длительность проводящего состояния ключа 1 либо ключа 2 или скважность γ = 1 - t/ τ работы ключей 1, 2, можно формировать (синтезировать) необходимую синусоидальную форму кривой потребляемого тока ≈i от источника питания ≈e, регулировать и стабилизировать на заданном уровне его величину, а также исключить негативное влияние работы выходного выпрямителя 4 с емкостной нагрузкой (накопительный конденсатор 5), заключающееся в импульсном характере потребляемого тока ≈ i_v и возможном в результате этого появления фазового сдвига между входными переменными током ≈i и напряжением ≈e питания.The key switch operates in an energy-efficient three-position pulse-width modulation mode, converting the ripple voltage

into a pulsating high-frequency alternating voltage ≈ v of almost rectangular shape with pauses of grounding t at a period τ of the carrier frequency ν, which is then transformed with the necessary transformation coefficient into the secondary winding of the transformer 3 and then goes to the rectifier 4 and the drive 5, where it is rectified, filtered and supplied into the load. To implement an instantly tracking pulse-width regulation with the simultaneous synthesis of the necessary sinusoidal input current ≈ i of the power supply, the control signals S ₁ and S _{2 by} power switches 1 and 2 generated by the control unit 6 as a function of the current setting signal

and disturbances in power and load, should overlap for some time t of the modulation cycle τ. As a result, the state of the switch is ensured when both

power switches

1 and 2 are closed, and thus the short-circuiting of the primary half-windings of the transformer 3 is also carried out, thereby forming a pause of grounding of duration t. By changing the overlap time, i.e., changing the relative duration of the conductive state of the key 1 or key 2 or the duty cycle γ = 1 - t / τ of the operation of

keys

1, 2, it is possible to form (synthesize) the necessary sinusoidal shape of the curve of the current consumption ≈i from the power source ≈ e, to regulate and stabilize its value at a given level, and also to eliminate the negative effect of the output rectifier 4 with a capacitive load (storage capacitor 5), which consists in the pulsed nature of the current consumption ≈ i _v and possible as a result of this appearance of a phase shift between the input alternating current ≈i and the supply voltage ≈e.

В течение времени t (фиг. 2), когда замкнуты оба силовых ключа 1 и 2, все напряжение

прикладывается к дросселю 9 и в нем накапливается необходимая энергия. При размыкании одного из силовых ключей либо 1, либо 2 к первичной обмотке трансформатора 3 прикладывается сумма входного напряжения соответствующей полярности и сменившего свою полярность напряжение на дроссель 9. Это суммарное напряжение ≈v трансформируется во вторичную обмотку, затем выпрямляется и обеспечивает подзаряд накопительного конденсатора 5 соответствующим током ≈ i_v, поддерживая на выходе преобразователя напряжение

постоянным.During time t (Fig. 2), when both

power switches

1 and 2 are closed, all voltage

is applied to the inductor 9 and the necessary energy is accumulated in it. When one of the power switches is opened, either 1 or 2, the sum of the input voltage of the corresponding polarity and the voltage that has changed its polarity to the inductor 9 is applied to the primary winding of the transformer 3. This total voltage ≈v is transformed into the secondary winding, then it is rectified and the storage capacitor 5 is charged accordingly current ≈ i _v , supporting the voltage at the converter output

permanent.

Входной высокочастотный фильтр, образованный конденсатором 8 и дросселем 9, имеет собственную резонансную частоту ω, близкую к частоте ν несущей, значительно превышающую частоту Ω питающего напряжения ≈ e, т. е. The input high-pass filter formed by the capacitor 8 and the inductor 9 has its own resonant frequency ω, close to the carrier frequency ν, significantly exceeding the frequency Ω of the supply voltage ≈ e, i.e.

ν ≈ ω = 1/2

, где С - емкость входного конденсатора 8,
L - индуктивность дросселя 9;
ν = 2 π / τ , τ - длительность цикла модуляции.ν ≈ ω = 1/2

where C is the capacity of the input capacitor 8,
L is the inductance of the inductor 9;
ν = 2 π / τ, τ is the duration of the modulation cycle.

Задаваясь необходимой частотой несущей ν , амплитудой питающего тока ≈ i, из условия непрерывности тока дросселя 9 можно определить минимально необходимую величину его индуктивности L и соответственно емкость С конденсатора 8. Given the necessary carrier frequency ν, the amplitude of the supply current ≈ i, from the condition of continuity of the current of the inductor 9, it is possible to determine the minimum required value of its inductance L and, accordingly, the capacitance C of the capacitor 8.

При пуске или в режиме к. з. (фиг. 3) силовые ключи 1 и 2 работают без перекрытия к поочередно, т. е. на цикле модуляции τ имеются моменты времени, когда оба силовых ключа 1 и 2 разомкнуты, а длительность этих моментов определяется сигналом задания ≈

по току и обратной связи

, являющимся функцией возмущения по питанию. В это время накопленная дросселем 9 энергия возвращается через его вторую обмотку и обратный диод 10 во входной конденсатор 8, обеспечивая непрерывность и замыкание на источник напряжения

тока

дросселя 9 на цикле модуляции τ , при этом первичная и вторичная обмотки включены противофазно и имеют одинаковое количество витков. Следовательно, при поочередном замыкании силовых ключей 1 и 2, соответствующих текущему циклу, формируется линейно нарастающий ток дросселя 9.At start-up or in short-circuit mode (Fig. 3)

power switches

1 and 2 work without overlapping to alternately, that is, on the modulation cycle τ there are times when both

power switches

1 and 2 are open, and the duration of these moments is determined by the reference signal ≈

current and feedback

, which is a function of disturbance in nutrition. At this time, the energy accumulated by the inductor 9 is returned through its second winding and the reverse diode 10 to the input capacitor 8, providing continuity and short circuit to the voltage source

current

throttle 9 on the modulation cycle τ, while the primary and secondary windings are turned out of phase and have the same number of turns. Therefore, when alternately closing the

power switches

1 and 2 corresponding to the current cycle, a linearly increasing current of the inductor 9 is formed.

В результате, также и в этих режимах осуществляется мгновенное следящее двухпозиционное широтно-импульсное регулирование и стабилизация с одновременным синтезом синусоидальной формы входного тока ≈i питания, хотя при этом передача энергии в накопительный конденсатор 5 и нагрузку не происходит, так как через диоды выходного выпрямителя 4 вторичная обмотка трансформатора 3 закорачивается цепью короткого замыкания. Чтобы исключить замагничивание трансформатора 3 благодаря остаточной индуктивности при длительной работе преобразователя в режиме к. з. , необходима поочередная работа силовых ключей 1 и 2. По окончании пуска или действия к. з. силовые ключи 1, 2 снова начинают работать с перекрытием, осуществляя с помощью трансформатора 3 высокочастотную трансформацию и выпрямление пульсирующего переменного напряжения ≈v, обеспечивая тем самым подзаряд накопительного конденсатора 5 и питание нагрузки. Вход в режим к. з. и выход из него происходит автоматически за время не более длительности цикла модуляции τ и определяется уставкой источника 24 напряжения смещения + е в блоке управления 6. As a result, also in these modes, instantaneous tracking two-position pulse-width regulation and stabilization are performed with simultaneous synthesis of the sinusoidal shape of the input current ≈i of the supply, although in this case, energy is transferred to the storage capacitor 5 and the load does not occur, since through the diodes of the output rectifier 4 the secondary winding of the transformer 3 is short-circuited. To exclude the magnetization of the transformer 3 due to residual inductance during continuous operation of the Converter in the short circuit mode. , alternate operation of power switches 1 and 2 is required. At the end of the start-up or action power switches 1, 2 again begin to work with overlapping, using a transformer 3 high-frequency transformation and rectification of the pulsating alternating voltage ≈v, thereby providing recharge of the storage capacitor 5 and load power. Entering short-circuit mode and exit from it occurs automatically in a time not exceeding the duration of the modulation cycle τ and is determined by the setting of the bias voltage source 24 + e in the control unit 6.

Для устойчивой работы преобразователя и уменьшения искажений формы кривой питающего тока ≈ i необходимо обеспечить длительность цикла модуляции τ или несущую частоту ν , значительно большую (на порядок и выше) частоты Ω питающего напряжения ≈ е, а величину индуктивности дросселя 9 такую, чтобы она обеспечивала непрерывность протекающего через него тока

, как в рабочем режиме, так и при перегрузке и к. з. по выходу преобразователя.For stable operation of the converter and reduction of distortions in the shape of the supply current curve ≈ i, it is necessary to ensure the modulation cycle duration τ or the carrier frequency ν, which is much larger (an order of magnitude or higher) of the supply voltage frequency Ω ≈ e, and the inductance of the inductor 9 is such that it ensures continuity current flowing through it

, both in the operating mode, and during overload and short circuit at the output of the converter.

Блок управления 6 работает следующим образом. The control unit 6 operates as follows.

Сигнал обратной связи по току с выхода датчика тока

питания с соответствующим коэффициентом усиления поступает на инвертирующий вход суммирующего усилителя 11, а на его неинвертирующий вход-сигнал задания тока ≈

с выхода формирователя 12, являющийся модулем синусоидального тока, пропорционального входному току ≈ i питания преобразователя с частотой, равной удвоенной частоте Ω переменного напряжения ≈е.Current feedback signal from current sensor output

power supply with the corresponding gain is fed to the inverting input of the summing amplifier 11, and to its non-inverting input-current setting signal ≈

from the output of the shaper 12, which is a module of a sinusoidal current proportional to the input current ≈ i of the power supply of the converter with a frequency equal to twice the frequency Ω of the alternating voltage ≈ е.

Равенство частот сигнала задания ≈

и переменного напряжения питания ≈e до выделения модуля сигнала задания обеспечивается подачей сигнала управления с выхода датчика напряжения

питания с соответствующим коэффициентом усиления на вход формирователя 12. Другими словами, ведомый питающим напряжением ≈e формирователь 12 вырабатывает стабильный по амплитуде необходимый сигнал задания модуля синусоидального тока ≈

, при этом его частота изменяется синхронно с частотой Ω напряжения питания ≈ е.Equal frequencies of the reference signal ≈

and an alternating supply voltage ≈e until the reference signal module is isolated, it is supplied by a control signal from the output of the voltage sensor

power supply with the corresponding gain at the input of the shaper 12. In other words, driven by the supply voltage ≈e, the shaper 12 generates a stable amplitude signal necessary signal reference module of the sinusoidal current ≈

while its frequency varies synchronously with the frequency Ω of the supply voltage ≈ e.

Знакопеременный сигнал рассогласования, величина и скорость изменения которого зависят от текущих значений сигнала задания

и обратной связи

, с выхода усилителя 11 подается на вход компаратора 13 с симметричным гистерезисом, ширина зоны которого совместно с величиной энергоемкости дросселя 9 преобразователя обеспечивают необходимую частоту ν несущей или длительность τ цикла модуляции. В зависимости от знака сигнала рассогласования при достижении им некоторого порогового значения, равного по абсолютной величине половины ширины зоны гистерезиса компаратора 13, последний переключается из состояния логического "0" в логическую "1" и, наоборот, из "1" в "0", таким образом, в функции текущего значения стабилизируемого тока питания

i, компаратор 13 генерирует некоторую последовательность логических сигналов, поступающих на тактовый С-вход D-триггера 14 и на первые входы первых, вторых логических элементов И-НЕ 15, 16 и И 17, 18. Триггер 14 включен по схеме делителя на два, поэтому на его прямом Q и инверсном

выходах вырабатываются парафазные сигналы типа меандра с частотой, в два раза меньшей тактовой, поступающие затем соответственно на вторые входы логических элементов И-НЕ 15, 16 и И 17, 18. На выходах элементов И-НЕ 15, 16 вырабатываются сигналы, перекрывающие друг друга на некоторое время t, длительность которого определяется временем нахождения компаратора 13 в состоянии логического "0" и соответствующее необходимой паузе зануления при работе коммутатора преобразователя. На выходах элементов И 17, 18 вырабатываются сигналы, не перекрывающие друг друга, длительность паузы между ними также определяется временем нахождения компаратора 13 в состоянии логического "0" и соответствующее необходимому времени, когда разомкнуты оба силовых ключа 1 и 2 при работе преобразователя в режиме к. з. Сигналы с выходов элементов И-НЕ 15, 16 соответственно поступают на первые входы третьего, четвертого элементов И 19, 20, а сигналы с выходов элементов И 17, 18 - на первые входы пятого, шестого элементов И 21, 22.Alternating mismatch signal, the magnitude and rate of change of which depend on the current values of the reference signal

and feedback

, from the output of the amplifier 11 is fed to the input of the comparator 13 with symmetrical hysteresis, the width of the zone of which, together with the energy intensity of the inductor 9 of the converter, provide the necessary carrier frequency ν or modulation cycle duration τ. Depending on the sign of the mismatch signal, when it reaches a certain threshold value equal in absolute value to half the width of the hysteresis zone of the comparator 13, the latter switches from the state of logical “0” to logical “1” and, conversely, from “1” to “0”, thus, as a function of the current value of the stabilized supply current

i, the comparator 13 generates a certain sequence of logic signals arriving at the C-input of the D-flip-flop 14 and at the first inputs of the first, second

logical elements NAND

15, 16 and 17, 18. Trigger 14 is turned on by a divider by two, therefore, on its direct Q and inverse

the outputs produce paraphase signals of the meander type with a frequency that is half the clock frequency, then arriving respectively at the second inputs of the AND-

NOT

15, 16 and 17, 18 logic gates. At the outputs of the AND-15, 16 elements, signals overlapping each other are generated for some time t, the duration of which is determined by the time the comparator 13 is in the logical "0" state and corresponding to the necessary pause of the grounding during operation of the converter switch. At the outputs of the elements And 17, 18 signals are generated that do not overlap each other, the pause duration between them is also determined by the time the comparator 13 is in the logical "0" state and corresponding to the required time when both

power switches

1 and 2 are open when the converter is operating in k mode h. The signals from the outputs of the elements AND-NOT 15, 16, respectively, are supplied to the first inputs of the third, fourth elements And 19, 20, and the signals from the outputs of the elements And 17, 18 - to the first inputs of the fifth, sixth elements And 21, 22.

При нормальном режиме работы преобразователя с информационного выхода датчика выходного напряжения

с соответствующим коэффициентом усиления поступает сигнал на неинвертирующий вход суммирующего компаратора 23, больший по абсолютной величине, чем сигнал с выхода источника 24 смещения +e, поступающий на инвертирующий вход этого компаратора 23. В результате компаратора 23 находится в состоянии логической "1", а логический инвертор 25, подключенный к его выходу, в состоянии логического "0". С выхода компаратора 23 логическая "1" поступает на вторые входы элементов И 19, 20, разрешая их работу, а логический "0" с выхода инвертора 25 поступает на вторые входы элементов И 21, 22, запрещая их работу.In normal operation of the converter from the information output of the output voltage sensor

with a corresponding gain, a signal is supplied to the non-inverting input of the summing comparator 23, which is larger in absolute value than the signal from the output of the bias source 24 + e, arriving at the inverting input of this comparator 23. As a result, the comparator 23 is in the logical “1” state, and the logical an inverter 25 connected to its output is in a logical "0" state. From the output of the comparator 23, the logical "1" goes to the second inputs of the elements And 19, 20, allowing them to work, and the logical "0" from the output of the inverter 25 goes to the second inputs of the elements And 21, 22, inhibiting their work.

С выходов элементов И 19, 20 сигналы поступают на первые входы элементов ИЛИ 26, 27, а сигналы с выходов элементов И 21, 22 соответственно поступают на вторые входы этих же элементов, однако, так как они являются логическими "0", то не влияют на работу элементов ИЛИ 26, 27. С выходов элементов ИЛИ 26, 27 сигналы соответственно поступают на входы формирователей 28, 29 сигналов управления. Последние формируют с необходимой длительностью и амплитудой импульсы, поступающие на управляющие входы S₁ и S₂ силовых ключей 1 и 2.From the outputs of the elements AND 19, 20, the signals go to the first inputs of the elements OR 26, 27, and the signals from the outputs of the elements AND 21, 22 respectively go to the second inputs of the same elements, however, since they are logical "0", they do not affect to the operation of the elements OR 26, 27. From the outputs of the elements OR 26, 27, the signals respectively arrive at the inputs of the shapers 28, 29 control signals. The latter form, with the required duration and amplitude, pulses arriving at the control inputs S ₁ and S _{2 of the} power switches 1 and 2.

При пуске или в режиме к. з. сигнал с выхода датчика напряжения e становится нулевым или малым по величине, т. е. меньше, чем уставка сигнала смещения +e, поступающего с выхода источника 24, поэтому компаратор 23 переключается в состояние логического "O", а инвертор 25 - в состояние логической "1". В результате запрещается работа элементов И 19, 20 и разрешается работа элементов И 21, 22. Соответственно на первых входах элементов ИЛИ 26, 27 присутствуют логические "0", не оказывающие влияния на работу, а на их вторые входы поступают сигналы, генерируемые элементами И 21, 22 в функции состояния компаратора 13 и триггера 14. At start-up or in short-circuit mode the signal from the output of the voltage sensor e becomes zero or small in magnitude, that is, less than the setpoint of the bias signal + e coming from the output of the source 24, so the comparator 23 switches to the logical "O" state, and the inverter 25 to the logical state "1". As a result, the operation of the elements AND 19, 20 is prohibited and the operation of the elements AND 21, 22 is allowed. Accordingly, at the first inputs of the OR elements 26, 27 there are logical "0" that do not affect the operation, and signals generated by the AND elements are received at their second inputs 21, 22 as a function of the state of comparator 13 and trigger 14.

По окончании действия к. з. компаратора 23 возвращается в исходное состояние, т. е. логической "1", инвертор 25 вырабатывает логический "0" и дальнейшая работа логических элементов происходит аналогичным образом. At the end of the action the comparator 23 returns to its original state, that is, logical "1", the inverter 25 produces a logical "0" and further work of the logic elements occurs in a similar way.

Claims

PULSE-MODULATED CONVERTER containing two controlled power switches, a transformer with a midpoint of the primary winding, output bridge rectifier and storage capacitor, instantaneous current and voltage sensors and an output voltage sensor, a control unit, and one power leads of the keys are connected respectively to the beginning and the end of the primary winding of the transformer, and other power terminals of the keys are connected together, the terminals of the secondary winding of the transformer are connected respectively to the terminals of output current of the bridge rectifier, the DC terminals of which are connected respectively to the terminals of the output storage capacitor and the output terminals of a pulse-modulated converter, characterized in that it is equipped with an input bridge rectifier and a filter capacitor, a two-winding inductor, a reverse diode, and one input output is pulse the modulated converter is connected to one AC terminal of the input bridge rectifier, and the other input terminal to another pin By the AC current of this rectifier, one DC output of the input bridge rectifier is connected to one output of the input filter capacitor, the beginning of the first and the end of the second inductor winding, the other DC output to the other output of the input filter capacitor, the anode of the reverse diode and other power outputs connected together , keys, the beginning of the second inductor winding is connected to the cathode of the reverse diode, and the end of the first inductor winding is connected to the midpoint of the transformer primary winding, bl The control contains a summing amplifier, a voltage-driven driver for setting the sine wave module, a comparator with symmetrical hysteresis, a D-trigger, two AND elements, NOT, six AND elements, a summing comparator, an offset source, a NOT element, two OR elements, two shapers power key control signals, and the information output of the sensor of the instantaneous value of the supply current is connected to the inverting input of the summing amplifier, the information output of the sensor of the instantaneous value is voltage I supply - with the input of the driver of the current command signal, the output of which is connected to the non-inverting input of the amplifier, the output of the summing amplifier is connected to the input of the comparator with symmetrical hysteresis, the output of which is connected to the clock C-input of the trigger and to the first inputs of the first and second elements AND - NOT and And, the direct output of the D-trigger is connected to the second inputs of the first elements AND - NOT and AND, the inverse output is to the second inputs of the second elements AND - NOT and AND and with the information D-input of the D-trigger, the output of the first element AND is NOT connected to first entry ohm of the third element And, the output of the second element And - NOT - with the first input of the fourth element And, the output of the first element And - with the first input of the fifth element And, the output of the second element And - with the first input of the sixth element And, the information output of the output voltage sensor is connected to non-inverting input of the summing comparator, the inverting input of which is connected to the output of the bias source, the output of the summing comparator is connected to the input of the element NOT and to the second inputs of the third and fourth elements AND, the output of the element is NOT connected to the second the input inputs of the fifth and sixth AND elements, the output of the third AND element with the first input of the first OR element, the output of the fourth AND element with the first input of the second OR element, the output of the fifth AND element with the second input of the first OR element, the output of the sixth AND element with the second input of the second OR element, the output of the first OR element - with the input of the first driver of control signals, the output of the second element - with the input of the second driver of the control signals, the output of the first driver - with the control input of the first power switch, and the output torogo shaper - the control input of the second MOSFET.