преобразователь переменного напряжения низкой частоты в постоянное напряжение

Формула изобретения

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НИЗКОЙ ЧАСТОТЫ В ПОСТОЯННОЕ НАПРЯЖЕНИЕ, содержащий основной инвертор повышенной частоты, подключенный входом к входным выводам для подключения источника питания, а выходом - к последовательно соединенным первичной обмотке силового трансформатора и первой обмотке дополнительного трансформатора, вторая обмотка которого соединена с выходом дополнительного мостового обратимого инвертора повышенной частоты, выполненного на ключевых элементах, соединенных попарно последовательно, образуя цепочки, включенные параллельно, выходной выпрямитель, подключенный входом к вторичной обмотке силового трансформатора, а выходом - к входу основного сглаживающего LC-фильтра, блок управления и выходные выводы для подключения нагрузки, отличающийся тем, что вход дополнительного мостового обратимого инвертора подключен к конденсатору основного сглаживающего LC-фильтра и к входу дополнительно введенного сглаживающего LC-фильтра, выход которого соединен с указанными выходными выводами, вторая обмотка дополнительного трансформатора выполнена с отпайкой и дополнительно введен ключевой элемент с двусторонней проводимостью, включенный между указанной отпайкой и общей точкой соединения ключевых элементов соответствующей цепочки дополнительного мостового обратимого инвертора.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано качестве преобразователя переменного напряжения низкой частоты в постоянное напряжение при построении источников вторичного электропитания различного назначения.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий входной выпрямитель и канал преобразования, состоящий из последовательно соединенных инвертора повышенной частоты с силовым трансформатором, выходного выпрямителя и сглаживающего фильтра, а также блок управления инвертором повышенной частоты [1] .

К недостаткам этого преобразователя следует отнести сравнительно низкое качество массогабаритных показателей и динамических характеристик, так как они зависят от степени приближения огибающей выпрямленного напряжения к прямоугольной форме, которая определяется как количеством отводов первичной обмотки силового трансформатора (а также ключевых элементов для их переключения), так и длительностью переднего и заднего фронтов. В идеальном случае в известном преобразователе можно получить выпрямленное напряжение с формой равнобедренной трапеции, боковыми сторонами которой являются отрезки синусоиды. В спектре напряжения такой формы гармоника удвоенной частоты входного напряжения имеет значительную амплитуду, что приводит к сравнительно большим массе и габаритам сглаживающего фильтра.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий в одном канале однополупериодный выпрямитель, а в другом - высокочастотные преобразователь и выпрямитель, причем оба канала подключены к выходному сглаживающем фильтру [2] .

Недостаток известного преобразователя - низкое качество массогабаритных показателей и динамических характеристик, так как в спектре выпрямленного напряжения присутствуют низкочастотные гармонические составляющие значительной амплитуды.

Наиболее близким к предлагаемому является преобразователь переменного напряжения низкой частоты в постоянное напряжение, содержащий входной выпрямитель и канал преобразования, состоящий из соединенных последовательно инвертора повышенной частоты на ключевых элементах с силовым трансформатором, выходного выпрямителя и сглаживающего фильтра. Кроме того, в преобразователе имеется вольтодобавочный канал, посредством сглаживающего фильтра которого выход входного выпрямителя соединен с дополнительным инвертором на ключевых элементах с дополнительным трансформатором. Блок управления служит для формирования и распределения сигналов управления ключевыми элементами либо по величине напряжения на нагрузке, либо по командам от внешнего устройства [3] .

Недостатками такого преобразователя являются низкое качество массогабаритных показателей и динамических характеристик из-за наличия в спектре выпрямленного напряжения значительных по амплитуде гармоник на частотах 4f_вх и 8f_вх (где f_вх - частота входного напряжения), а также из-за наличия в вольтодобавочном канале низкочастотного сглаживающего фильтра.

Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей и динамических характеристик преобразователя.

Это достигается тем, что в известном преобразователе, содержащем входной выпрямитель, ходом соединенный с входными выводами для подключения источника переменного напряжения, и включенном между входными и выходными выводами для подключения нагрузки, канал преобразования, состоящий из последовательно соединенных основного инвертора повышенной частоты, подключенного ходом к входным выводам преобразователя, силового трансформатора, выходного выпрямителя и сглаживающего фильтра, вольтодобавочный канал, подключенный к выходу входного выпрямителя и состоящий из последовательно соединенных дополнительного сглаживающего фильтра и дополнительного мостового инвертора с дополнительным трансформатором, блок управления ключевыми элементами, причем вторичная обмотка дополнительного трансформатора включена последовательно в цепь первичной обмотки силового трансформатора, дополнительный инвертор выполнен на ключевых элементах, соединенных попарно последовательно, образуя цепочки, включенные параллельно, а первичная обмотка дополнительного трансформатора подключена к общим точкам соединения ключевых элементов соответствующих цепочек дополнительного инвертора, исключены входной выпрямитель и дополнительный сглаживающий фильтр вольтодобавочного канала, сглаживающий фильтр канала преобразования выполнен двухзвенным и состоит из двух последовательно соединенных LC-фильтров, дополнительный инвертор вольтодобавочного канала подключен своим силовым входом к выходу первого звена сглаживающего фильтра, обмотка дополнительного трансформатора, соединенная с выходом дополнительного инвертора, выполнена с отпайкой и введен дополнительный ключевой элемент с двухсторонней проводимостью, включенный между указанной отпайкой и общей точкой соединения ключевых элементов соответствующей цепочки дополнительного инвертора.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, выражается в улучшении массогабаритных показателей устройства на 10. . . 15% в зависимости от мощности преобразователя за чет исключения дополнительного низкочастотного сглаживающего фильтра, а также в улучшении динамических характеристик утройства на 20. . . 30% за счет уменьшения потребного значения реактивностей сглаживающего фильтра, что связано со значительным уменьшением амплитуд низкочастотных гаpмонических составляющих спектра выпрямленного напряжения.

На фиг. 1 представлена электрическая схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - временные диаграммы работы преобразователя в стационарном режиме.

Преобразователь содержит канал преобразования, состоящий из соединенных последовательно основного инвертора 1 повышенной частоты на ключевых элементах с двухсторонней проводимостью с силовым трансформатором 2, выпрямителя 3 и выполненного из двух звеньев 4 и 5 его сглаживающего LC-фильтра, выходы которого соединены с нагрузкой 6, дополнительный канал преобразования, состоящий из дополнительного мостового инвертора 7, выполненного на ключевых элементах 7.1-7.4, силовой вход которого соединен с выходом первого звена 4 сглаживающего фильтра, дополнительного трансформатора 8, обмотка 8.2 которого соединена с выходом инвертора 7, а обмотка 8.1 включена последовательно в цепь первичной обмотки силового трансформатора 2, дополнительный ключевой элемент 9 с двухсторонней проводимостью, одной стороной соединенный с отпайкой обмотки 8.2, а другой стороной соединенный с общей точкой соединения ключевых элементов 7.1 и 7.2. Блок 10 управления служит для формирования и распределения сигналов управления ключевыми элементами основного и дополнительного инверторов, а также дополнительным ключевым элементом 9 по величине напряжения на нагрузке в соответствии с выбранным законом управления.

Преобразователь работает следующим образом.

При подключении источника переменного напряжения U_х с частотой f_х (фиг. 2) к входным выводам устройства и поочередном включении ключевых элементов инвертора 1, на его выходе формируется напряжение U_м1 с частотой f_м, которое затем поступает на последовательно включенные первичную обмотку трансформатора 2 и обмотку 8.1.

Поскольку на начальном этапе конденсаторы сглаживающего фильтра разряжены (выходное напряжение отсутствует), входным напряжением инвертора 7 будет напряжение, формирующееся в обмотке 8.2. Управление ключевыми элементами инвертора 7 и ключевым элементом 9 осуществляется таким образом, что происходит выпрямление импульсного знакопеременного напряжения, формирующегося в обмотке 8.2 от работы инвертора 1. Кроме того, происходит выпрямление в выпрямителе и фильтрация в 4 и 5 импульсного знакопеременного напряжения, формирующегося во вторичной обмотке силового трансформатора 2. В результате такого управления происходит заряд конденсаторов фильтра напряжениями, поступающими с выхода выпрямителя 3 и силового хода инвертора 7. При достижении напряжения на конденсаторе первого звена фильтра некоторого установленного уровня, это напряжение становится входным для инвертора 7, поскольку данное напряжение превышает по абсолютной величине импульсное знакопеременное напряжение на обмотке 8.2, обусловленное работой инвертора 1. В результате обмотке 8.1 формируется напряжение U_м2.2, которое является вольтодобавочным к напряжению U_м1. Таким образом, узел является мостовым обратимым инвертора (с взаимно переменными первичной и вторичной сторонами), работающим в режиме вольтодобавки. По окончании переходного процесса установления выходного напряжения на выходе выпрямителя формируется напряжение U₃, представленное на фиг. 2. Управление ключевым элементом 9 осуществляется от блока 10 управления импульсным напряжением U_упр таким образом, что на интервалах 0-1, 4-5, 5-6, 9-10 и т. д. ключевой элемент замкнут, а на остальных временных интервалах - разомкнут. Благодаря такому управлению изменяется коэффициент трансформации трансформатора 8 и тем самым преобразуется выходное напряжение U_м2.1 инвертора 7. Осуществление такого управления приводит к тому, что в результате алгебраического суммирования выходного напряжения U_м1 основного инвертора и вольтодобавочного напряжения U_м2.2 на вход сглаживающего фильтра поступает выпрямленное напряжение U₃ с пониженным уровнем амплитуд, по сравнению с известной катушкой, низкочастотных гармонических составляющих спектра этого напряжения. Для преобразователя характерны три режима работы: большой вольтодобавки, малой вольтодобавки и закоротки. В режиме большой вольтодобавки посредством трансформатора 8 происходит алгебраическое суммирование напряжений U_м1 и U_м2.2 при замкнутом ключевом элементе 9, а в режиме малой вольтодобавки - суммирование при разомкнутом ключевом элементе. Режим закоротки, когда напряжение обмотки 8.1 равно нулю, обеспечивается при одновременном включении элементов 7.1, 7.3 или 7.2, 7.4. Таким образом, постановка дополнительного ключевого элемента 9 позволяет уменьшить потребные значения реактивностей сглаживающего фильтра при сохранении коэффициента пульсаций выходного напряжения катушки таким же, как и в схеме известной катушки. Этим достигается улучшение динамических свойств преобразователя. Коэффициенты трансформации трансформатора 8 для режимов замкнутого и разомкнутого ключа 9 выбираются исходя из получения минимального коэффициента пульсаций напряжения U₃ и, кроме того, в отличие от известной катушки зависит от коэффициента трансформации трансформатора 2. Второе звено 5 фильтра предназначено для сглаживания пульсаций выходного напряжения первого звена 4, вызванных коммутацией ключевых элементов инвертора 7. Для получения различных номиналов выходного напряжения трансформатор 2 может содержать дополнительные вторичные обмотки, каждая из которых подключена к последовательно соединенным выпрямителю и сглаживающему фильтру. (56) 1. Авторское изобретение СССР N 505100, кл. Н 02 М 5/12, 1976.

2. Авторское свидетельство СССР N 1182612, кл. Н 02 М 7/06, 1985.

3. Авторское свидетельство СССР N 851692, кл. Н 02 М 7/04, 1981.