Однотактный высоковольтный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения

Однотактный высоковольтный стабилизированный преобразователь постоянного напряжения

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

1. ОДНОТАКТНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий ключ соединена с входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состоящее из последовательно соединенных первого конденсатора, дросселя и второго конденсатора, причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к попожи;тельной обкладке первого конденсатора , а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов при выходном напряжении высокого уровня, параплельно дросселю подключается цепь, состоящая из N дополнительных звеньев, вьтолненных аналогично указанному основному звену и включенных последовательно, причем каждое последующее звено (Л включено параллельно дросселю предыдущего звена, а выходные выводы преобразователя подключены параллельно одной, из двух групп последовательно соединенных конденсаторов, принадлежащих разным звеньям. со

„„Я0„„1 144173

COIO3 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

g(g1) Н 02 М 3/335

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ |-

К ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ > t õ it « I l iii

«««»«««»»». (21) 3534225/24-07 (22) 03. 01.83 (46) 07.03.85. Бюл. У 9 (72) А.Ф.Девочкин, А.Г.Поликарпов и Е.Ф.Сергиенко (71) Московский ордена Ленина и ордена Октябрьской Революции энергетический институт (53) 621.314.58(088.8) (56) 1. Моин В.С., Лаптев Н.Н.

Стабилизированные транзисторные преобразователи. М., "Энергия", 1972, с. 241,рис. 7-13.

2. Патент США )) 4257087, кл. Н 02 M 3/335, 1981. (54) (57) 1. ОДНОТА|(ТНЪ|Й ВЪ|СОКОВОЛЬТНЪ|Й СТАБИЛИЗИРОВАННЪ|Й ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий ключ соединена с входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состоящее иэ последовательно соединенных первого конденсатора, дросселя и второго конденсатора, причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к положительной обкладке первого конденсатора, а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора, о т— л и ч а ю шийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов при выходном напряжении высокого уровня, параллельно дросселю подключается цепь, состоящая из М дополнительных звеньев, выполненных аналогично укаэанному основному звену и включенных последовательно, причем каждое последующее звено включено параллельно дросселю предыдущего звена, а выходные выводы преобразователя подключены параллельно одной из двух групп последовательно соединенных-конденсаторов, принадлежащих разным звеньям.

1144173

2. Преобразователь по п.1, о т— л и ч а ю шийся тем, что обмотки дросселей всех звеньев и трансформатора выполнены на общем магнитопроводе.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразователям напряжения, позволяющим получить в нагрузке постоянное высокое напряжение, гальванически отделенное трансформатором от цепи источника питания.

Известны высоковольтные преобразоратели напряжения, содержащие кл еч и трансформатор, к каждому из 10 выводов вторичной обмотки которого подключены цепи из нескольких последовательно соединенных конденсаторов и диодов, включенных между разноименными обкладками конденсаторов одинаковых номеров, принадлежащих различным цепям 1 ).

Недостатком данных преобразователей является отсутствие стабилизации выходного напряжения при изменении 20 входного, Наиболее близким по технической сущности к изобретению является однотактный преобразователь напряжения, содержащий трансформатор, пер- 25 вичная обмотка которого через регулирующий ключ слединена с входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состоящее из последовательно соединенных первого конденсатора, дросселя и второго конденсатора, причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к положительной обкладке первого

35 конденсатора, а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора(23.

Недостаток известного преобразователя состоит в том, что в нем трудНо IIoJI HTb.Âûñoêèé УРОВень ВыхОДнО- 40 го напряжения из-за большого коэффициента трансформации трансформатора, а также необходимости использования высоковольтных элементов в цепях высокого уровня напряжения.

3. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что обмотки упомянутых дросселей и трансформатора выполнены на отдельных магнито- проводах.

Цель. изобретения — уменьшение массы и габаритов при выходном напряжении высокого уровня.

Цель достигается тем, что в однотактном высоковольтном стабилизированном преобразователе постоянного напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий ключ соединена с входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состоящее из последовательно соединенных первого конденсатора, дросселя и второго конденсатора, причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к положительной обкладке первого конденсатора, а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора, параллельно дросселю подклю" чена цепь, состоящая из М дополнительных звеньев, выполненных аналогично указанному основному звену и включенных последовательно, причем каждое последующее звено включено параллельно дросселю предыдущего звена, а выходные выводы преобразователя подключены параллельно одной из двух групп последовательно соединенных конденсаторов, принадлежащих разным звеньям.

Обмотки дросселей всех звеньев ы трансформатора могут быть расположены на общем магнитопроводе или на отдельных магнитопроводах.

На чертеже показана схема предлагаемого высоковольтного преобразователя постоянного напряжения.

Первичная обмотка 1 трансформатора 2 своим началом подключена к.вы- . воду для подсоединения положительного полюса источника входного напряжения. Конец обмотки 1 через регулирующий ключ 3 соединен с выводом для подсоединения отрицательного по1144173

4 рассмотрим исходя из предложенной идеальности всех элементов, установившегося режима работы, непрерывности изменения магнитных потоков в сердечниках трансформатора и дросселей и пренебрежения пульсациями напряжений на конденсаторах по сравнению со средними значениями этих напряжений.

1р Если включен регулирующий ключ 3, то полярность напряжения на обмотке 4 трансформатора 2 такова, что диод 8 находится под обратным смещением. При этом средние значения напряжений на всех конденсаторах одинаковы. Поэтому диоды 12, 16 и 20 также находятся под обратным смещением. Во вторичной обмотке 4 трансформатора 2 на этом этапе работы протекает ток, вытекающий из начала указанной обмотки. Поэтому конденсаторы 5, 9, 13 и 17 разряжаются, а конденсаторы 7, 11, 15 и 19 заряжаются.

25 Разряд конденсатора 5 осуществляется суммой токов Т +1 + +I

Р6 4Ð1î ДР14 4Р18 и этой же суммой токов за вычетом тока нагрузки осуществляется заряд конденсатора 7. Разряд конденсатора

9 осуществляется суммой токов Е +

*е

+1,,+Х „и этой же суммой токов минус ток нагрузки осуществляется заряд конденсатора 11. Аналогичные выражения можно записать и для других конденсаторов.

35 люса источника входного напряжения.

Между началом и концом вторичной обмотки 4 трансформатора 2 подключено основное звено, состоящее из последовательно соединенных конденсатора 5, обмотки дросселя 6, конденсатора 7, причем отрицательная обкладка конденсатора 5 соединена с началом, а отрицательная обкладка конденсатора 7 — с концом обмотки 4 трансформатора 2 ° Между положительной обкладкой конденсатора 5 и отрицательной обкл дкой конденсатора 7 включен диод 8 катодом к положительной, а анодом — к отрицательной обкладкам конденсаторов 5 и 7.

Параллельно обмотке дросселя 6 включено первое дополнительное звено, состоящее из последовательно соединенных конденсатора 9, обмотки дросселя 10 и конденсатора 11, причем отрицательная обкладка конденсатора 9 соединена с началом, а отрицательная обкладка конденсатора

11 с концом обмотки дросселя 6.

Между положительной обкладкой конденсатора.9 и отрицательной обкладкой конденсатора 11 включен диод

12 катодом к положительной, а анодом к отрицательной обкладке конденсаторов 9 и 11.

Параллельно обмотке дросселя 10 включено второе дополнительное звено, состоящее из последовательно соединенных конденсатора 13, обмотки дросселя 14 и конденсатора

15. Между положительной обкладкой конденсатора !3 и отрицательной обкладкой конденсатора 15 включен диод 1I6 катодом к положительной а

3 40 анодом к отрицательным обкладкам конденсаторов 13 и 15.

Параллельно обмотке дросселя 14 включено третье дополнительное звено, состоящее из последовательно соеди- 45 ненных конденсаторов 17, обмотки дросселя 18 и конденсатора 19. Между положительной обкладкой конденсатора 17 и отрицательной обкладкой конденсатора 19 включен диод 20 ка- 50 тодом к положительной, а анодом к отрицательной обкладкам конденсаторов

17 и 19. Параллельно цепи, состоящей из последовательно соединенных конденсаторов 7, 11, 15 и 19, включена 55 нагрузка 21.

Принцип действйя предлагаемого высоковольтного преобразователя

На каждой из обмоток дросселей .6, 10, 14 и 18 полярность напряжения такова, что приводит к увеличению токов, протекающим по дросселям в направлении от положительных обкладок конденсаторов 5,9,13 и 17 к положительным обкладкам конденсаторов 7, 11, 15 и 19. Таким образом

I на указанном этапе работы .энергия, потребляемая от источника входного напряжения, обеспечивает рост энергии, накопленной в магнитном поле сердечников трансформатора и дросселей, увеличение энергии, запасенной в конденсаторах

7, 11, 15 и 19, и поддержание тока нагрузки. Последние три составляющие обеспечиваются также разрядом конденсаторов 5, 9, 13 и 17.

После выключения ключа 3 вследствие появления ЗдС самоиндукции полярность напряжений на обмотках трансформатора и дросселей изменяет1144173 ся на противоположную, что должно было бы привести к отпиранию диодов

8, 12, 16 и 20. Однако этого не происходит, поскольку, например, в контуре: диод 8, конденсатор 9, диод

12 и конденсатор 7 действует суммарное напряжение 1Пс9 + с1 связан ное с разрядом конденсатора 9 и зарядом конденсатора 7 на интервале времени включенного состояния ключа

3, которое не позволяет включиться диоду 8. Аналогично, рассматривая контур — диод 12, конденсатор 13, диод 16 и конденсатор 11, можно убедиться, что действующее напряжение в этом контуре ЬБ „ + ЬБс„„ не . позволяет включиться диоду 12 и т.д.

Поэтому после выключения ключа 3 может включиться только диод 20, поскольку в данном случае нет условий, которые поддерживали бы его в выключенном состоянии. В результате включения диода 20 начинается перезаряд конденсаторов 5,9,1 3, 17, 7, 11, 15 и 19 и передача накоплений энергии в реактивностях в нагрузку.

Так, конденсатор 5 заряжается током намагничивания трансформатора

I,,который протекает по контуру: обмотка 4 трансформатора 2 конденсаторы 7, 11, 15 и 19, диод 20, конденсаторы 17, 13 и 9. Конденсатор 7 разряжается током I +I а конденсатор 9 заряжается током I +I,Коим -др денсатор 11 разряжается током I +I„ +

+I, а конденсатор 13 заряжается током I +I +IAð,„ Аналогичные выраи Арь Ив женин можно было бы записать и для других конденсаторов. Можно показать, что средние значения токов в обмотках дросселей 6, 10, 14 и 18 одинаковы и равны току нагрузки Iö, а. среднее значение тока намагничивания трансформатора 2, для случая равенства числа витков обмоток 1 и нз„

4, равно = ", где и — число

lg 1- 3 з зеньев, т = 4„ /Т вЂ” относительное время включенного сос тояния р егулирующего ключа 3, 1м — время включенного состояния ключа 3, а Т вЂ” период его работы.

С учетом ранее приведенных выражений для токов разряда конденсато" . ра 5 на интервале времени включенного состояния регулирующего ключа 3 и его заряда и на интервале времени выключенного состояния ключа 3 можно видеть, что эти заряды равны. Действительно, конденсатор 5 разряжается током 4Т„ в течение времени р Т, а.

5 заряжается током Тм в течение времени (1-у)Т . Несколько иначе протекает процесс перезаряда остальных конденсаторов. Так, конденсатор 9 разряжается током 3I> в течение времени тТ, а конденсатор 7 заряжается в это же вермя током 3I„. Это означает, что изменение заряда на конденсаторах 9 и 7, за время включенного состояния одно и то же с той лишь

15 разницей, что конденсатор 9 разряжается, а конденсатор 7 заряжается.

При выключении регулирующего ключа 3 конденсатор 7 разряжается током (Х„+Т„), а конденсатор 9 — током

20 / м+ дрь) *3 IM+?4 t " ° - ° перезаряд денсаторов 7 и 9 осуществляется одним и тем же током. Нетрудно видеть, что изменение заряда на конденсаторах 7 и 9 за время (1-у)Т включен25 ного состояния регулирующего ключа 3 больше изменения заряда на этих конденсаторах за время тТ включенного состояния регулирующего ключа 3. Это означает, что то же самое изменение заряда на конденсаторах, которое имело место нр интервале времени тТ, произойдет за меньшее время, чем . (1-Э)Т. Назовем это время условно

I (1" у) Т, которое меньше, чем (1-у) Т.

ЗЗ Тогда в момент времени, когда изменение заряда на конденсаторах 7 и 9 .за время (1- ф Т станет равным изменению заряда на этих же конденсаторах за время gÒ, включится диод

40 8, и дальнейшее изменение заряда на этих конденсаторах станет невозможным. Аналогичный процесс происходит при включении диода 12 вследствие изменения заряда на конденсаторах 11 и 13. То же самое имеет место-для диода 16 вследствие изменения заряда на конденсаторах 15 и 17. B,ïðîöåññå этих изменений зарядов на конденсаторах по существу идет процесс переноса избытка заря.да, например, на конденсаторе 7„полученного на интервале времени гТ вследствие его подзаряда, а на конденсаторе 9 --на интервале времени

55 (1-у)"Т, с целью компенсации уменьшения такого же заряда на этом конденсаторе в течение интервала времени уТ. После включения диодов 8, 1144173

Составитель В.Моин

Редактор В.Данко Техред Ж. Кастелевич Корректор H,Муска

Заказ 942/43 Тираж 646 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.

4/5

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

12 и 16 ток нагрузки протекает по последовательной цепи, составленной из обмоток дросселей и диодов, а изменение напряжения на конденсаторах, при принятых допущениях, прак- 5 тически отсутствует.

На всех обмотках дросселей и обмотке 4 трансформатора 2 действуют напряжения, равные средним значениям напряжений на конденсаторах. Из 10 условия равенства вольт-секундных площадей на обмотках магнитных эле ментов мбжно получить средние значения напряжений на конденсаторах.

Эти напряжения на всех конденсаторах 15 одинаковы и.равны 0 = — . Поэтому

Еу с яку среднее напряжение на нагрузке 0„= 1 >,,7. ю где Й вЂ” общее число ячеек, включенных последовательно.

Таким образом, предлагаемый преобразователь позволяет увеличивать уровень выходного напряжения без увеличения коэффициента трансформации трансформатора. Естественно, что уровень выходного напряжейия может быть увеличен за счет одновременного увеличения коэффициента трансформации. Поскольку напряжения на всех обмотках магнитных элементов одинаковы в любой момент време- ни, то они могут быть выполнены на одном магнитопроводе.

Однако в ряде случаев для исключения трудностей, связанных с высоковольтной изоляцией обмоток, с тех" нологической точки зрения целесообразно все магнитные элементы выполнять на отдельных магнитопроводах.