устройство для запуска сетевого преобразователя напряжения

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАПУСКА СЕТЕВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее входной сетевой выпрямитель, входной низкочастотный конденсатор, соединенный с выходом входного выпрямителя через нелинейную зарядную цепь, включенную между положительными выводами выпрямителя и этого конденсатора и состоящую из соединенных параллельно тиристора, анод которого подключен к положительному выводу выпрямителя, и цепи, содержащей соединенные последовательно токоограничивающий резистор, диод, анод которого соединен с резистором, и параллельно соединенные накопительный конденсатор и стабилитрон, катод которого соединен с катодом диода, токоограничивающий резистор подключен к положительному выводу выпрямителя, высокочастотный преобразователь постоянного напряжения, силовой вход которого подключен к входному низкочастотному конденсатору, а выход соединен с выходными выводами для подключения нагрузки, схему управления высокочастотным преобразователем, задающий генератор которой соединен по цепи питания с накопительным конденсатором, подсоединенный к входу тиристора вспомогательный источник питания, цепь самопитания задающего генератора схемы управления, состоящую из дополнительного высокочастотного выпрямителя, соединенного с второй дополнительной обмоткой силового трансформатора преобразователя, и сглаживающего дросселя, включенного между положительным выводом выпрямителя и катодом стабилитрона, отличающееся тем, что между положительными выводами входного сетевого выпрямителя и входного низкочастотного конденсатора включена цепь формирования импульсов запуска тиристора, состоящая из соединенных последовательно токоограничивающего резистора, подключенного к положительному выводу входного выпрямителя, первого динистора, анод которого соединен с токоограничивающим резистором, и цепи, содержащей три параллельно соединенные цепочки, первая из которых содержит конденсатор, вторая - последовательно соединенные второй динистор, анод которого соединен с катодом первого динистора, и резистор, третья - последовательно соединенные светодиод транзисторной оптопары, анод которого подключен к катоду первого динистора, и резистор, а соединение вспомогательного источника питания с входом тиристора, зашунтированного резистором, осуществлено через фототранзистор оптопары.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вспомогательный источник выполнен в виде конденсатора, через выпрямитель подсоединенного с дополнительной обмотке силового трансформатора.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вспомогательный источник выполнен в виде накопительного конденсатора, вывод соединения которого с диодом через анод - катод введенного тиристора присоединен к введенному резистору.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве устройства для запуска сетевого преобразователя напряжения, в частности при построении источников вторичного электропитания с бестрансформаторным входом.

Известно устройство плавного включения, содержащее сетевой выпрямитель, подключенный к конденсатору фильтра через зарядную цепочку, состоящую из соединенных параллельно токоограничительного резистора и тиристора. Управление тиристором осуществляется напряжением, полученным после выпрямления и фильтрации импульсного знакопеременного напряжения дополнительной обмотки силового трансформатора преобразователя. К недостаткам данного устройства следует отнести необходимость дополнительного маломощного источника питания для схемы управления: значительные потери в управляющем переходе тиристора из-за постоянной мощности, подаваемой в цепь управления, снижение надежности устройства из-за большой амплитуды импульса тока дозарядки конденсатора фильтра при первом отпирании тиристора в случае, если отпирание произошло при сравнительно большом напряжении анод-катод тиристора.

Известны устройства для запуска сетевых преобразователей напряжения, основанные на принципе использования части энергии заряда конденсатора входного низкочастотного фильтра.

В преобразователе для этой цели применен силовой дроссель, содержащий дополнительные обмотки, с помощью которых осуществляется отбор части энергии зарядки конденсатора входного фильтра. Напряжение дополнительных обмоток выпрямляется выпрямителем, сглаживается фильтром и поступает в качестве питающего на схему управления. Недостатками такой структуры устройства запуска являются низкие массогабаритные показатели устройства при сетевом напряжении с частотой 50 Гц и необходимость применения конденсатора входного фильтра, рассчитанного исходя из допустимых перегрузок по напряжению, возникающих при подключении устройства к сети.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является статический преобразователь, содержащий входной выпрямитель сетевого напряжения, входной конденсатор низкочастотного фильтра, соединенный с выходом сетевого выпрямителя через нелинейную зарядную цепь, состоящую из тиристора и параллельно ему включенной цепи, содержащей последовательно соединенные токоограничивающий резистор, диод и параллельно соединенные накопительный конденсатор и стабилитрон, высокочастотный преобразователь, силовым входом подключенный к конденсатору низкочастотного фильтра, схему управления высокочастотным преобразователем, задающий генератор которой соединен по цепи питания с накопительным конденсатором, цепь самопитания задающего генератора, состоящую из соединенных последовательно высокочастотного выпрямителя, подключенного к дополнительной обмотке силового трансформатора высокочастотного преобразователя, и дросселя, цепь управления тиристором, состоящую из соединенных последовательно высокочастотного выпрямителя, подключенного к другой дополнительной обмотке силового трансформатора преобразователя, и параллельно соединенных сглаживающего конденсатора и резистора, подключенных между катодом и управляющим электродом тиристора. Накопительный конденсатор одновременно с запускающей функцией выполняет роль входного конденсатора в цепи питания задающего генератора схемы управления. Не смотря на достаточную простоту организации начального питания заданного генератора схемы управления, известное устройство обладает следующими недостатками: достаточно большие потери в цепи управления тиристором из-за постоянной мощности, подаваемой в цепь управления; снижение надежности устройства из-за возможности возникновения достаточно большого броска тока дозарядки входного конденсатора при первом отпирании тиристора при больших напряжениях анод-катод тиристора, что в ряде случае может приводить к выходу из строя как тиристора, так и входного электролитического конденсатора низкочастотного фильтра.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности устройства путем существенного уменьшения амплитуды импульса тока дозарядки входного низкочастотного конденсатора, а также повышения КПД устройства за счет снижения потерь в цепи управления тиристором путем применения импульсного способа управления.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве, содержащем входной сетевой выпрямитель, входной низкочастотный конденсатор, соединенный с выходом сетевого выпрямителя через нелинейную зарядную цепь, включенную между положительным выводом выпрямителя и положительным выводом указанного конденсатора и состоящую из соединенных параллельно тиристора, анод которого подключен к положительному выводу выпрямителя, и цепи, содержащей соединенные последовательно токоограничивающий резистор, диод, анод которого соединен с резистором, и параллельно соединенные накопительный конденсатор и стабилитрон, катод которого соединен с катодом диода, токоограничивающий резистор подключен к положительному выводу выпрямителя, высокочастотный преобразователь постоянного напряжения, силовой вход которого подключен к входному низкочастотному конденсатору, а выход соединен с выходными выводами для подключения нагрузки, схему управления высокочастотным преобразователем, задающий генератор которой соединен по цепи питания с накопительным конденсатором, подсоединенный к входу тиристора вспомогательный источник питания, цепь самопитания задающего генератора схемы управления, состоящую из дополнительного высокочастотного выпрямителя, соединенного с второй дополнительной обмоткой силового трансформатора преобразователя, и сглаживающего дросселя, включенного между положительным выводом выпрямителя и катодом стабилитрона, введена цепочка формирования импульсов запуска тиристора, включенная между положительным выводом входного сетевого выпрямителя и положительным выводом входного низкочастотного конденсатора и состоящая из соединенных последовательно токоограничивающего резистора, подключенного к положительному выводу входного выпрямителя, первого динистора, анод которого соединен с токоограничивающим резистором, и цепи, содержащей три параллельно соединенные цепочки, первая из которых содержит конденсатор, вторая - последовательно соединенные второй динистор, анод которого соединен с катодом первого динистора, и резистор, третья - последовательно соединенные светодиод транзисторной оптопары, анод которого подключен к катоду первого динистора, и резистор, а соединение вспомогательного источника питания с входом тиристора, зашунтированного резистором, осуществелено через фототранзистор оптопары.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, выражается в повышении надежности устройства за счет уменьшения в 4. . . 5 раз амплитуды импульса тока дозарядки входного низкочастотного конденсатора, а также в повышении КПД устройства за счет существенного снижения в цепи управления тиристоров из-за применения импульсного способа управления.

Вспомогательный источник питания, подключенный через фототранзистор к входу тиристора, в первом случае выполнен в виде введенного конденсатора, соединенного через выпрямитель с дополнительной обмоткой силового трансформатора.

Кроме того, изобретение направлено на решение задачи упрощения конструкции устройства за счет исключения дополнительной обмотки силового трансформатора преобразователя, предназначенной для питания цепи управления тиристором.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройстве вспомогательный источник выполнен в виде накопительного конденсатора, вывод соединения которого с диодом через анод-катод введенного динистора присоединен к введенному резистору, подключенному к фототранзистору оптопары.

Технический результат, который может быть получен при реализации такого устройства, выражается в упрощении конструкции устройства за счет исключения дополнительной обмотки силового трансформатора преобразователя, высокочастотного выпрямителя и конденсатора, предназначенных для формирования управляющего напряжения тиристора. В предлагаемом устройстве аналогично функцию выполняет накопительный конденсатор.

На фиг. 1 представлена электрическая схема устройства для запуска сетевого преобразователя напряжения; на фиг. 2 - электрическая схема устройства для запуска сетевого преобразователя напряжения, позволяющего упростить конструкцию устройства, электрическая схема которого представлена на фиг. 1; на фиг. 3 - временные диаграммы работы устройства на фиг. 1; на фиг. 4 - временные диаграммы работы устройства на фиг. 2.

Предлагаемое устройство содержит входной сетевой выпрямитель 1, входной низкочастотный конденсатор 2, соединенный с выходом выпрямителя 1 через нелинейную зарядную цепь, включенную между положительным выводом выпрямителя 1 и положительным выводом конденсатора 2 и состоящую из соединенных параллельно тиристора 3, анодом подключенного к положительному выводу выпрямителя 1, и цепи, содержащей соединенные последовательно токоограничивающий резистор 4, диод 5, анодом подключенный к резистору 4, и соединенные параллельно накопительный конденсатор 6 со стабилитроном 7, катод которого соединен с катодом диода 5, высокочастотный преобразователь постоянного напряжения 8, силовой вход которого получает питание от конденсатора 2, а выход преобразователя 8 соединен с нагрузкой 9, схему управления 10 преобразователем, задающий генератор которой получает питание от конденсатора 6, устройство запуска тиристора, состоящее из высокочастотного выпрямителя 11, подключенного к дополнительной обмотке силового трансформатора преобразователя 8, конденсатора 12, включенного между положительным и отрицательным выводами выпрямителя 11, резистора 13, включенного между катодом и управляющим электродом тиристора 3, и фототранзистора 14 оптопары, коллектор которого соединен с катодом тиристора 3, а эмиттер - с отрицательным выводом выпрямителя 11, управляющий электрод тиристора 3 соединен с положительным выводом выпрямителя 11, цепь самопитания задающего генератора схемы управления, состоящую из выпрямителя 15, вход которого соединен с второй дополнительной обмоткой силового трансформатора преобразователя 8, и сглаживающего дросселя 16, включенного между положительным выводом выпрямителя 15 и катодом стабилитрона 7, цепочку формирования импульсов запуска тиристора, состоящую из резистора 17, динистора 18, конденсатора 19, динистора 20, резистора 21, светодиода 22 транзисторной оптопары и резистора 23, причем конденсатор 19 соединен параллельно с цепочкой, содержащей последовательно соединенные динистор 20 и резистор 21, и с цепочкой, содержащей последовательно соединенные светодиод 22 оптопары и резистор 23.

Устройство работает следующим образом.

При подключении устройства к сети с напряжением U_c (фиг. 3) начинается процесс зарядки конденсатора 2 по цепи положительный вывод выпрямителя 1 - резистор 4 - диод 5 - конденсатор 6 - конденсатор 2 - отрицательный вывод выпрямителя 1. Одновременно с этим происходит накопление энергии в конденсаторе 6. Напряжение U₂ на конденсаторе 2 и напряжения U₆ на конденсаторе 6 увеличиваются в моменты появления в зарядной цепи импульсов зарядного тока I_зар. В это время в цепи формирования импульсов запуска тиристора происходят следующие процессы. Как только входное сетевое напряжение превысит напряжение на конденсаторе 2 на величину напряжения пробоя динистора 18, последний открывается (конденсатор 19 к этому моменту полностью разряжен), вследствие чего возникает бросок тока через конденсатор 19, амплитуда которого определяется величиной напряжения пробоя динистора 18 и величиной сопротивления резистора 17. Напряжение U₁₉ на конденсаторе 19 начинает возрастать. По мере увеличения напряжения на конденсаторе 19 в цепи светодиод 22 - резистор 23 появляется ток Iд, который также возрастает пропорционально величине напряжения конденсатора 19. Параметры схемы выбраны таким образом, что цепочка светодиод 22 - резистор 23 практически не оказывает влияния на процесс заряда конденсатора 19, поэтому напряжение на конденсаторе увеличивается до величину напряжения пробоя U_пр20 динистора 20. При возникновении пробоя динистора 20 происходит быстрый разряд конденсатора 19 по цепи динистор 20 - резистор 21. Эта цепь оказывает шунтирующее действие на цепь светодиод 22 - резистор 23, вследствие чего ток через светодиод 22 быстро уменьшается. На этом формирование импульса запуска тиристора заканчивается. Затем напряжение на конденсаторе снова возрастает до некоторого значения, которое прямо пропорционально амплитуде импульса зарядного тока I_зар, и далее уменьшается, повторяя по форме импульс зарядного тока. Это вызвано тем, что через цепочку формирования импульсов запуска тиристора при открытом динисторе 18 протекает часть зарядного тока конденсатора 2. Как только напряжение U_c понизится до уровня напряжения на конденсаторе 2, динистор 18 закрывается, конденсатор 19 к этому моменту оказывается практически полностью разряженным. Небольшой остаток своей энергии, после прекращения действия импульса зарядного тока конденсатор 19 расходует на резисторах 21 и 23. После того как ток в цепи динистора 20 уменьшится до величины тока удержания, динистор 20 также закрывается. По мере увеличения напряжения на конденсаторе 2 амплитуда зарядных импульсов уменьшается, а амплитуда импульсов запуска тиристора не изменяется, поскольку она определяется напряжением пробоя динистора 18 и параметрами схемы. К моменту дозарядки конденсатора 2 амплитуда зарядных импульсов тока через светодиод оптопары становится настолько мала, что свечения диода 22 не возникает, чем исключается возможность запуска тиристора при больших напряжениях анод-катод. По мере заряда конденсаторов 2 и 6, когда напряжение на конденсаторе 6 достигнет некоторого порогового уровня U_пор, запускается задающий генератор схемы управления 10. Начинают формироваться необходимые для системы управления вспомогательные напряжения. Управляющие сигналы U_у с выхода схемы управления подаются на высокочастотный преобразователь, и он начинает работать. После достижения напряжения на конденсаторе 12 устройства запуска тиристора величины, достаточной для запуска тиристора, последний открывается в момент появления очередного импульса запуска. При этом фототранзистор 14 открывается и замыкает цепь протекания тока конденсатора 12 через управляющий электрод тиристора 3. При открывании тиристора его напряжение анод-катод минимально, чем и достигается уменьшение амплитуды импульса тока дозарядки конденсатора 2. После отпирания тиристора диод 5 запирается и конденсатор 6 оказывается подключенным только к цепи самопитания, которая к этому моменту времени находится уже в рабочем состоянии, тем самым обеспечивается необходимое питание схемы управления 10. Кроме того, отпирание тиристора происходит при напряжении на конденсаторе 19, меньшем напряжения пробоя U_пр20 динистора 20, при этом резко уменьшается ток заряда конденсатора 19, так как в этом случае тиристор шунтирует цепь формирования импульсов запуска. Конденсатор 19 разряжается через светодиод 22 и резистор 23. Таким образом, включение тиристора приводит к формированию спада импульса запуска тиристора. В стационарном режиме работы устройства формирование импульсов запуска тиристора происходит аналогично, обеспечивая устойчивый запуск тиристора при условии, что к моменту очередной дозарядки конденсатора 2 последний разрядился на величину напряжения, большую напряжения пробоя динистора 18, которое выбирается как правило 5. . . 6 В. Длительность импульса запуска тиристора выбирается исходя из времени достижения тока через тиристор его нормированного значения, т. е. тока удержания. В предлагаемом устройстве длительность импульса будет определяться постоянной времени заряда конденсатора 19 и напряжением пробоя динистора 20 до момента отпирания тиристора, а в стационарном режиме работы длительность импульса ограничивается временем включения тиристора. В предлагаемой структуре цепь формирования импульсов запуска тиристора формирует импульс запуска трапециевидной формы с крутым фронтом и спадом импульса.

Согласно фиг. 2 устройство содержит входной сетевой выпрямитель 1. входной низкочастотный конденсатор 2, соединенный с выходом выпрямителя 1 через нелинейную зарядную цепь, включенную между положительным выводом выпрямителя 1 и положительным выводом конденсатора 2 и состоящую из соединенных параллельно тиристора 3 и цепи, содержащей последовательно соединенные резистор 4, диод 5 и соединенные параллельно накопительный конденсатор 6 со стабилитроном 7, высокочастотный преобразователь постоянного напряжения 8, выход преобразователя соединен с нагрузкой 9, схему управления 10 преобразователем, задающий генератор которой получает питание от конденсатора 6, цепь самопитания задающего генератора схемы управления, состоящую из выпрямителя 11. вход которого соединен с дополнительной обмоткой силового трансформатора преобразователя 8, и сглаживающего дросселя 12, включенного между положительным выводом выпрямителя 11 и катодом стабилитрона 7, цепочку формирования импульсов запуска тиристора, состоящую из резистора 13, динистора 14, конденсатора 15, динистора 16, резистора 17, светодиода транзисторной оптопары 18 и резистора 19, цепочку управления тиристором, состоящую из динистора 21, резистора 20, фототранзистора оптопары 22 и резистора 23, причем резистор 23 подключен между катодом и управляющим электродом тиристора, резистор 20 включен между коллектором фототранзистора 22 и катодом динистора 21, который своим анодом соединен с положительным выводом конденсатора 6, эмиттер фототранзистора 22 соединен с управляющим электродом тиристора.

Работа предлагаемого устройства аналогична работе устройства по фиг. 1 за исключением того, что цепь управления тиристором получает питание от накопительного конденсатора 6. При этом несколько видоизменяется процесс запуска преобразователя. При достижении напряжением U₆ на конденсаторе 6 в процессе заряда некоторого установленного порогового уровня U_пор1 в устройстве управления 10 происходит включение цепи формирования импульса запуска задающего генератора, далее через некоторое время формируется импульс запуска задающего генератора. В течение этого времени напряжение U₆ продолжает возрастать, так как в это время к конденсатору 6 подключена малая нагрузка в виде цепи формирования импульса запуска задающего генератора. При достижении напряжением U₆ величины пробоя U_пр21 динистора 21, цепь управления тиристором готова к запуску тиристора, при условии открывания фототранзистора 22. При появлении очередного импульса запуска тиристора, фототранзистор 22 открывается, тем самым замыкается цепь протекания тока через управляющий электрод тиристора. Таким образом, при такой структуре устройства управления тиристором импульс тока дозарядки конденсатора 2 возникает до момента появления напряжений на вторичных обмотках силового трансформатора преобразователя. После запуска тиристора диод 6 закрывается и конденсатор 6 оказывается подключенным только к цепи самопитания. Затем через некоторое время происходит запуск преобразователя, начинает формироваться импульсное напряжение в дополнительной обмотке силового трансформатора, предназначенной для обеспечения питанием схемы управления. Параметры схемы выбраны таким образом, что до момента появления напряжения в цепи самопитания конденсатор 6 не успевает разрядиться до минимально допустимого напряжения, необходимого для устойчивой работы автогенератора схемы управления 10, выполненного на основе схемы Ройера. После запуска задающего генератора до момента дозарядки конденсатора 6 по цепи самопитания данный конденсатор разряжается, поэтому напряжение на нем будет меньше напряжения пробоя динистора 21. Это приводит к тому, что тиристор в течение этого интервала будет закрыт, поэтому напряжение U₂ на конденсаторе 2 в течение этого интервала также несколько уменьшится, но поскольку его дозарядка уже была осуществлена, такое уменьшение напряжения не приведет к срыву процесса запуска преобразователя. После дозаряда конденсатора 6 по цепи самопитания до напряжения, превышающего напряжение пробоя динистора 21, очередным импульсом запуска тиристора конденсатор 2 дозаряжается и устройство переходит в стационарный режим работы. В предложенной структуре устройства запуска в отличие от предшествующей, конденсатор 6 выполняет три следующие функции: является запускающим, выполняет роль конденсатора LC-фильтра в цепи питания схемы управления и является источником напряжения для цепи запуска тиристора. Предлагаемые устройства достаточно экономичны с точки зрения потерь энергии и не приводят к ухудшению массогабаритных показателей известного устройства. Это вызвано тем, что цепь формирования импульсов запуска тиристора является маломощной и ее элементы имеют сравнительно небольшие массу и габариты.