Преобразователь постоянного напряжения в постоянное

Патент 1032560

Авторы

Иллюстрации

Показать все

Реферат

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (П) А

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3365491/24-07 (22) 15.12.81 ,(46) 30.07.83. Бюл. Н 28 (72) Г.А.Белов и А.М,Иванов (71) Чувашский государственный университет им. И.Н.Ульянова (53) 621.314 ° 72(088.8) (56) 1. Проблемы преобразовательной техники. Тезисы докладов, ч. 5, 1979, с. 31.

2. Авторское свидетельство СССР

N 862339, кл. H 02 M 7/515, 1979. (54)(57) 1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯН.

НОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий последовательный резонансный инвертор, состоящий из тиристорного моста, к зажимам переменного тока ко" торого подключены два коммутирующих конденсатора, соединенных через первичную обмотку выходного трансформатора, двух коммутирующих дросселей, подключенных своими первыми выводами к зажимам постоянного тока тиристорного моста, и обратного выпрямите" ля, диагональ постоянного тока которого присоединена к зажимам источника питания, а диагональ переменного тока вЂ” к первичной обмотке выходного трансформатора, и выходной выпрямитель, .отличающийся э(5в H 02 М 3/315; Н 02 М 7/515 тем, что, с целью повышения КПД путем уменьшения потерь мощности в элементах инвертора, между зажимами источника питания и диагональю постоянного тока обратного выпрямителя введены два регулятора тока, управляющие входы которых через блок управления подсоединены к двум датчи. кам тока, включенным последовательно с коммутирующими конденсаторами, диагональ переменного тока обратного выпрямителя присоединена к первичной обмотке трансформатора го автотрансформаторной схеме, а вторые выводы коммутирующих дросселей подключены к зажимам источника питания.

2. Преобразователь по и. 1, о т. л и ч а ю шийся тем, что регуляторы выходного тока обратного вь1прямителя выполнены B виде транзисторных ключей, зашунтированных RCцепями, а выход обратного выпрямителя подключен к первичной обмотке трансформатора по повышающей автотрансформаторной схеме.

3. Преобразователь по.п. 1, о тл и чающий с я тем, что регуляторы выходного тока обратного выпрямителя выполнены в виде регулируемых источников ЭДС.

1032560

Изобретение относится к преобразовательной технике и предназначено для преобразования постоянного напряжения одного уровня в постоянное напряжение другого уровня, .например, Во вторичных источниках

Электропитания.

Известны преобразователи постоянного напряжения в постоянное, содержащие последовательный резонансный инвертор на тиристорах с выходным трансформатором, выходной выпрямитель с емкостным сглаживающим

Фильтром, обратный выпрямитель, вход которого подключен к дополнительной обмотке трансформатора инвертора, .а выход связан со входными выводами инвертора (1 ), Недостатком данного преобразователя является то, что обратный вы-прямитель не регулируется и зависимость его выходного тока от тока нагрузки преобразователя не является оптимальной, В частности, ток на выходе обратного выпрямителя существует и в режиме номинальной нагрузки преобразователя, когда для обеспечения нормальной коммутации тиристоров инвертора отпирание обратного выпрямителя не требуется и наличие тока обратного выпрямителя снижает номинальный КПД, Снижение номинального КПД происходит за счет дополнительных потерь в элементах инвертора, первичной и дополнительной обмотках трансформатора.

Наиболее бли эким к предла гаемому является инвертор, содержащий тиристорный мост, к зажимам переменного тока которого подключены два коммутирующих конденсатора, соединенных через первичную обмотку выходного трансформатора, два коммутирующих дросселя, подключенных своими первыми выводами к зажимам постоянного тока тиристорного моста, и обратного выпрямителя, диагональ постоянного тока которого присоединена к зажимам источника питания, а диагональ переменного тока - к первичной обмотке выходного транс-.

Форматора, и выходной выпрямитель1 2, В известном преобразователе существуют дополнительные. потери в коммутирующих дросселях, тиристорах и диодах, а установленная мощность коммутирующих конденсаторов завышена.

Цель изобретения - повышение КПД путем уменьшения потерь мощности в элементах инвертора, Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в постоянное, содержащем последовательный резонансный инвертор, состоящий из тиристорного моста, к зажимам переменного тока которого подключены два коммутирующих конденсатора, соединенных через первичную обмотку выходного трансформатора, двух коммутирующих дросселей, подключенных своими перными выводами к зажимам постоянного тока тиристорного моста, и обратного выпрямителя, диагональ постоянного тока которого присоединена к зажимам источника питания, а диагональ переменного тока к первичной обмотке выходного транс. форматора, и выходной выпрямитель, между зажимами источника питания и диагональю постоянного тока обратного выпрямителя введены два регулятора тока, управляющие входы которых через блок управления подключены к двум датчикам тока, включенным последовательно с коммутирующими конденсаторами, диагональ переменного тока обратного выпрямителя присоединена к первичной обмотке трансформатора по автотрансформаторной схеме, а вторые выводы коммутирующих дросселей подключены к зажимам источника питания.

Такое выполнение преобразователя позволяет регулировать ток обратного выпрямителя и отключать его в режиме номинальной нагрузки, что уменьшает потери мощности в элементах преобразователя и установленную мощность этих элементов.

Регуляторы выходного тока обратного выпрямителя могут быть выполнены в виде транзисторных ключей, эашунтированных RC-цепями, либо в виде регулируемых ЭДС.

На фиг. 1 приведена схема преобразователя с мостовым инвертором и регуляторами тока в виде регули" руемых источников ЗДС; на фиг. 2 схема преобразователя с транзисторными ключами в качестве регуляторов тока; на фиг, 3 - „схема преобразователя с полумостовым инвертором; на Фиг. ч - временные дйагр ммы, поясняющие работу преобразователя, в котором в качестве регуляторов

3 10 тока обратного выпрямителя исполу зуются регулируемые источники ЭДС; на Фиг. 5 - то же, для преобразователя, в котором регуляторы тока выполнены в виде транзисторных ключей, где !,,-1„ - токи тиристоров 1-4;

- ток первичной обмотки

1О

ВыхОдногО трднсфОрмато ра;

- ток конденсаторов 11 и 12;

i ток вторичной Обмотки выходного трансформатора;

О" "i О13 ток диодов 20 и 23; - напряжение на конденсато" !! !1 рах 11 и 12, Преобразователи (фиг. 1 и 2) содержат инвертор с мостом на тиристорах 1-4 и выходным трансформатором

5. Между первым входным выводом 6 инвертора и первым зажимом llocTQHH ного тока тиристорного моста включен дроссель 7, а между вторым входным выводом 8 и вторым зажимом постоянного тока тиристорного моста дроссель 9. Между зажимами переменного тока тиристорного моста и сот ответствующими концами первичной обмотки 10 трансформатора 5 включены коммутирующие конденсаторы 11 и

12, К вторичной обмотке 13 трансформатора 5 подключен выходной выпрямитель 14 с конденсатором филь тра 15 и нагрузкой 1б. K дополнительной обмотке 17 трансформатора

5 подсоединен транзисторный коммутатор 18, к зажимам постоянного тока которого подсоединен вспомогательный коммутирующий конденсатор l9

Вход обратного выпрямителя на диодах 20-23 подключен по автотрансформаторной схеме к первичной обмотке 10 выходного трансформатора

5, а выход этого выпрямителя связан с входными выводами 6 и 8 инвертора через регуляторы тока 24 и 25.

Последовательно с конденсаторами

11 и 12 включены датчики 26 и 27 токов, выходы которых подключены к блоку 28 управления.

В случае, когда регуляторы 24 и

25 выполнены в виде регулируемых источников ЭДС постоянного тока, включенных встречно ЭДС источника питания преобразователя, вход об -, ратного выпрямителя подключается к первичной обмотке 10 по понижа32560 4

5 !

0 !

55 ющей автотрансформаторной схеме (фиг. 1).

В том случае, когда регуляторы

24 и 25 выходного тока обратного выпрямителя выполнены в виде транзисторных ключей, вход обратного выпрямителя подключается к первич" ной обмотке 1 по повышающей автотрансформаторной схеме, т.е. к кон" цам первичной обмотки 10, а конденсаторы 11 и 12 вЂ” к симметричным относительно середины отводам от этой обйотки (фиг. 2).

Преобразователь (фиг. 3)содержит тиристоры 1 и 2, последовательно с которыми включены дроссели

29 и 30, делитель напряжения на конденсаторах 31 и 32, выходной трансформатор 5, коммутирующий конденсатор 11, включенный между тонкой соединения тиристоров 1, 2 и одним концом первичной обмотки 10 транс" форматора 5, выходной выпрямитель

14 и ббратный выпрямитель на после" довательно соединенных диодах 20 и 21. Цепочка диодов 20 и 21 через регуляторы 24, 25 тока подключена к входным выводам 6 и 8 инвертора, а средняя точка этой цепочки присоединена по автотрансформаторной схеме к первичной обмотке 10 трансформатора. К выходу выпрямителя

14 подключены конденсатор фильтра

15 и нагрузка 16. К дополнительной обмотке 17 трансформатора .5 присоединен транзисторный коммутатор 18 с дополнительным коммутирующим конденсатором 19. Последовательно с конденсатором 11 включен датчик 26 тока, выход которого связан с блоком 28 управления.

Преобразователь (фиг.1) работает следующим образом.

В режиме номинальной нагрузки напряжение вспомогательных источников постоянного тока равно нулю, При включении пары тиристоров инвертора, например 1 и 4, включается также пара диодов выпрямителя 14, и в колебательном контуре, состоящем из дросселей 7 и 9, конденсаторов 11 и 12 и соединенных параллельно нагрузки

16 и конденсатора фильтра 15 формируется импульс тока, приблизйтельно синусоидальной формы. При этом конденсаторы 11 и 12 перезаряжаются до полярности, обратной первоначальной, а конденсаторы 15 и 19 подзаряжаются. Из-за имеющейся в трансформа- 1032)60

5 торе индуктивности рассеяния Форма ,напряжения на первичной обмотке 10 трансформатора отличается от прямоугольной. В начале полупериода оно несколько больше, чем напряжение на нагрузке, приведенное к первичной обмотке. Поэтому коэффициент автотрансформации выбирается таким, чтобы напряжение, наводимое на части витков первичной обмотки, к которой 10 присоединен вход обратного выпрямителя, было меньше входного. Все диоды обратного выпрямителя будут заперты, По окончании полупериода колебаний резонансного контура ти- 15 ристоры l, 4 и соответствующие диоды выпрямителя 14 закрываются. До подачи отпирающих импульсов на тиристоры 2 и 3 в первичной 10 и вторич" ной 13 обмотках трансформатора 5 йме- 20 ет место бестоковая пауза, а ток намагничивания замыкается по дополнительной обмотке 17, коммутатору

18 и дополнительному конденсатору

19. Благодаря тому, что коммутатор 25

18 в паузе между импульсами тока к обмотке 17 подключает заряженный кон. денсатор 19, на всех обмотках сохра" няется напряжение примерно той же величины и той же полярности, что и щ в предшествующем интервале, Это позволяет обеспечить коммутацию тирис" торов при сравнительно небольшой ам" плитуде напряжения на конденсаторах

1l и 12. При включении тиристоров 2 и 3 в колебательном контуре Формируется импульс тока противоположног-o направления. В силу симметрии все электромагнитные процессы, проис" ходящие во втором полупериоде, ана- 40 логичны рассмотренным.

При уменьшении тока нагрузки сред. ний за полупериод ток конденсаторов

11 и 12 также уменьшается, поэтому уменьшается амплитуда напряжения на них. При некотором токе нагрузки. напряжение уменьшится настолько°, что восстановление запирающих свойств тиристоров за отведенное для этого время может не состояться и произойдет срыв инвертирования ° Для исключения этого аварийного режима необходимо стабилизировать амплитуду напряжения на конденсаторах 11 и 12 в режимах малых токов, Такая стабилизация,в преобразователе (Фиг. 1 ) осуществляется следующим образом, Уменьшение среднего тока конденсаторов Фиксируется датчиками 26 и

27 тока. Блок 28 управления выдает сигнал на увеличение напряжения вспомогательных источников 24 и 2g.

Если их напряжение станет больше, чем напряжение между концом первичной обмотки и отводом от нее, то в момент начала импульса тока тиристоров 1 и 4 откроются также диоды

20 и 23 (фиг. 4 момент и ) и образуются два колебательных контура, первый из которых состоит из дросселя 7, тиристора 1, конденсатора 11, части витков обмотки 10, диода 20, источника 24 ЭДС, второй вЂ” иэ дросселя 9, тиристора 4, конденсатора

12, части витков .обмотки 10, диода 23, источника 25 ЭДС. В этих контурах также Формируются приблизительно синусоидальные токи, но длительность их будет немного меньше, чем s номинальном режиме, так как в формировании синусоидальных составляющих токов практически не участвует индуктивность рассеяния трансформатора 5. Отводы первичной обмотки через вспомогательные источники подключены к источнику питания. Через диоды 20 и 23 будет протекать ток рекуперации, состоящий из двух составляющих, протекающих в противоположных направлвниях.

Через конденсаторы 11 и 12 протекают токи, равные сумме этих же составляющих, При уменьшении тока нагрузки 16 средний ток конденсаторов ll и 12 стремится также уменьшиться иэ-эа уменьшения второй составляющей тока. Это изменение фиксируется датчиками 26 и 27 ЭДС источников 24 и 25, увеличивается, что приводит к уве" личению амплитуды тока настолько, что среднее за полпериода значение тока и амплитуда напряжения на конденсаторе 11 или 12, остаются постоянными, В момент,1 синусоидальная составляющая тока диода 20 или

23 станет равной экспоненциальной составляющей и диоды закрываются.

Начиная с момента 1, ток конденсаторов 11 и 12 замыкается только по цепи первичной обмотки трансформатора 5, индуктивность колебательного контура увеличивается, Поэтому уменьшение токов немного замедляется по сравнению с предшествующим

7 1 интервалом времени, В момент t2 перехода тока через нуль THpHGTopbl

1 и 4 начинают выключаться.

Преобразователь (фиг. 2) при нагрузке, близкой к номинальной, работает так же, как и преобразователь по фиг. 1, поскольку транзистор ные ключи 24 и 25 в этом случае закрыты.

В режиме малого тока нагрузки, когда напряжение на конденсаторах

11 и 12 уменьшается до минимально допустимого значения, одновременно с отпиранием очередной пары тиристоров, например 1 и 4, подаются отпирающие импульсы тока в базы транзисторов 24 и 25 (фиг. 5 момент to) и они переводятся в состояние насыщения. Открываются также диоды 20 и 23 обратного выпрямителя. Как и в преобразователе по фиг. 1, для каждого конденсатора 11 и 12 образуется свой колебательный контур, замыкающийся через соответствующий диод обратного выпрямителя. Через конденсатор 11 или 12 тиристор

1 или 4, дроссель 7 или 9 будет протекать ток, состоящий из двух составляющих. Первая составляющая тока конденсатора ll замыкается в указанном колебательном контуре, т.е. через часть витков обмотки 10, эаключенных между отводом и концом обмотки, диод 2g, транзистор 24, рроссель 7, тиристор 1. Эта составляющая определяется напряжением между укаэанными концом и отводом обмотки 10 и длительностью открытого состояния транзистора 24, которая задается блоком 28 управления. Вто- рая составляющая тока, зависящая от тока нагрузки преобразователя, как и в преобразователе по фиг. 1, нара" стает по экспоненциальному закону.

В момент t „5), когда интеграл тока конденсаторов 11.и 12 достигает заданного значения, блок

28 управления выдает сигнал на запирание транзисторов 24 и 25. При этом интегрирующий элемент в блоке 28 сбрасывается на нуль, и снова начинается интегрирование кривой тока.

До запирания транзисторов 24 и 25 .ток дросселей 7 и 9 был больше то- ка первичной обмотки на величину тока диода обратного выпрямителя, При запирании транзисторов 24 и 25 эти токи быстро выравниваются: ток дросселей уменьшается, а ток первичной

032560 8 обмотки, примерно равный току вторич ной обмотки, увеличивается, т.е. часть энергии, накопленной в дросселях

7 и 9, передается в нагрузку. Скорость изменения токов и напряжение на закрытых транзисторах 24 и 25 на

1 этапе быстрого изменения токов ограничивается RC-цепями, шунтирующими транзисторы. Это снижает пере10 напряжения на элементах схемы.

В момент tZ ток в тиристорах 1 и 4 перейдет через нуль и они закроются. В паузе между импульсами тока преобразователь по фиг. 2

15 работает так же, как и преобразователь по фиг. 1. Напряжение на выходе интегрирующего элемента блока 28 в течение паузы останется неизменным.

20 В момент t подаются импульсы отпирающего тока на другую пару тиристоров 2, 3 и на транзисторы 24 и 25.

Открываются также диоды обратного выпрямителя 21 и 22. Через конден25 саторы 11 и 12 начинают протекать токи в обратном направлении, а на интегрирующий элемент блока 28 этот ток поступает через выпрямитель.

В момент t4 интеграл тока снова достигает заданного значения. Транзисторы 24 и 25 закроются, Стабилизация амплитуды напряжения на конденсаторах 11 и 12 осуществляется за счет изменения длительности открь того состояния транзисторов 24 и

25, которая уменьшается с увеличением тока нагрузки. При токе нагрузки больше определенной величины транзисторы остаются запертыми в тече40 ние всего периода работы инвертора.

Обратный выпрямитель отключается от преобразователя.

Полумостовой вариант преобразователя (фиг. 3) в основном работает

45 .аналогично РассмотРенным. В нем также применимы оба варианта регулирования тока обратного выпрямителя. Отличие заключается в том, что в режиме

:малой нагрузки в каждый полупериод

50 возникает только один колебательный контур, а не два, как в мостовой схеме. Для нормальной работы необходимо, чтобы емкости конденсаторов делителя 31 и 32 были намного больше емкости коммутирующего конденсато ра

Положительный эффект (увеличение

КПД ) в преобразователях по фиг. 1

3 объясняется тем, что ток обрат9 1032560 l0

Ного выпрямителя в предлагаемых пре" теля протекает во всех режимах. ПоОбразователях протекает только в режи этому потери мощности в прототипе. ме малой нагрузки, а то время как оказываются больше, чем в предлага- в прототипе ток обратного выпрями- емых схемах.

1032560

Составитель В.Авдеев

Редактор В,Пилипенко ТехредТ.Фанта Корректор О.Билак

Заказ 54 7/58 Тираж 687 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

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

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