ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ Российский патент 2004 года по МПК H02M7/538 

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах питания для преобразования низкого постоянного напряжения в высокое переменное напряжение синусоидальной формы при разработке различных устройств автоматики, электропривода.

Известно устройство для генерирования переменного тока из постоянного, содержащее соединенные последовательно два или более мостовых преобразователя, каждая из ветвей которого состоит из транзистора, шунтированного диодом, первая диагональ мостового преобразователя подключена к источнику питания, первый вывод второй диагонали первого мостового преобразователя подключен к первому выводу индуктивности, второй вывод которой подключен ко второму выводу второй диагонали последнего мостового преобразователя (см. п. WO №105022, Н 02 М 6 7/5387, 2001 г.)

Недостатком устройства для генерирования является низкая надежность, обусловленная большим количеством управляющих ключей.

Известен транзисторный инвертор, содержащий первый и второй транзисторы, входы которых объединены и подключены к общей шине, выходы которых подключены к первичной обмотке первого трансформатора, средняя точка которой подключена к источнику питания, а также мостовой транзисторный преобразователь напряжения, каждая ветвь которого содержит транзистор, шунтированный диодом, управляющий вход каждого транзистора подключен к его входу через базовый диод и одну из четырех вторичных обмоток первого трансформатора, а также через последовательно соединенные резистор и вторичную обмотку второго трансформатора, первичная обмотка второго трансформатора подключена к выходу задающего генератора, при этом управляющие входы первого и второго транзисторов подключены через соответствующие встречно включенные первый и второй диоды к общей шине и к первому и второму выводу вторичной обмотки третьего трансформатора, первичная обмотка которого включена в диагональ мостового преобразователя напряжения (см. а.с. СССР №729784, Н 02 М 6 7/5387, 1972 г.)

Недостатками инвертора является низкая надежность, обусловленная большим количеством управляющих ключей, большие габариты.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий трансформатор, начало и конец первичной обмотки которого подключены соответственно к выходам первого и второго транзисторных ключей, входы которых объединены и через первый датчик тока подключены к первому входу преобразователя, второй вход которого подключен к средней точке первичной обмотки трансформатора, управляющие входы первого и второго транзисторных ключей подключены соответственно к первому и второму выходам первого блока управления, вторичная обмотка трансформатора подключена ко входу выпрямительного моста, к первому выходу которого подключены первый вывод конденсатора и первый вход мостового преобразователя напряжения, второй выход выпрямительного моста подключен к общей шине, ко второму выводу конденсатора и через второй датчик тока ко второму входу мостового преобразователя напряжения, каждая ветвь которого содержит транзисторный ключ, выходы первого и второго транзисторных ключей объединены и подключены к первому входу мостового преобразователя напряжения, ко второму входу которого подключены объединенные входы третьего и четвертого транзисторных ключей, вход первого и выход третьего транзисторных ключей объединены и подключены к первому выходу преобразователя постоянного напряжения в переменное, ко второму выходу которого подключены объединенные вход второго и выход четвертого транзисторных ключей, управляющие входы транзисторных ключей мостового преобразователя напряжения подключены к выходам второго блока управления соответственно (см. п. США №4706177, НКИ 363-24, 1987).

Недостатками преобразователя являются наличие двухступенчатой системы преобразования (предварительное преобразование постоянного низкого напряжения в высокое постоянное напряжение), большие габариты из-за наличия конденсатора большой емкости и низкая надежность, обусловленная большим количеством управляемых ключей, низкое КПД за счет использования двухступенчатой системы преобразования.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД, повышение надежности.

Результат достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий трансформатор, начало и конец первичной обмотки которого подключены соответственно к выходам первого и второго транзисторных ключей, входы которых объединены, управляющие входы их подключены соответственно к первому и второму выходам блока управления, средняя точка первичной обмотки трансформатора подключена к входу преобразователя, вторичная обмотка трансформатора подключена к входу выпрямительного моста, к первому выходу которого подключен выход третьего транзисторного ключа, вход которого подключен к выходу четвертого транзисторного ключа, управляющие входу третьего и четвертого транзисторных ключей подключены соответственно к третьему и четвертому выходам блока управления, а также конденсатор и общую шину, введен двухобмоточный дроссель, первый вывод первой обмотки которого подключен к точке соединения входа третьего и выхода четвертого транзисторных ключей, вход последнего из которых подключен ко второму выходу выпрямительного моста, второй вывод первой обмотки двухобмоточного дросселя подключен к первому выходному выводу преобразователя, к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен ко второму выходному выводу преобразователя и к первому выводу второй обмотки двухобмоточного дросселя, второй вывод которой подключен к средней точке вторичной обмотки трансформатора, при этом общая шина преобразователя подключена к объединенным входам первого и второго транзисторных ключей.

Проведенные исследования по патентной и научно-технической литературе дают основания предполагать, что до настоящего времени неизвестно предложенное техническое решение, что позволяет сделать вывод о наличии новизны у заявленного технического решения.

Использования совокупности признаков, отличающих заявляемое техническое решение от известных при изучении данной и смежной областей раздела техники преобразования низкого постоянного напряжения в переменное напряжение синусоидальной формы с той же целью, не выявлено, что обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию “существенные отличия”.

На фиг.1 представлена блок-схема преобразователя напряжения постоянного в переменное (синусоидальной формы), на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу (а, б, в, г - соответственно управляющие сигналы на входах первого, второго, третьего и четвертого транзисторных ключей; д - напряжение на выходе преобразователя), на фиг.3 представлен пример выполнения блока управления, на фиг.4 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу (a₁ - напряжение на выходе генератора пилообразного напряжения, а₂ - напряжение на выходе первого выпрямителя, б - напряжение на выходе компаратора, в - напряжение на первом выходе первого инвертора, г - напряжение на втором выходе первого инвертора, д - напряжение на выходе первого элемента И, е - напряжение на выходе второго элемента И, ж - напряжение на первом выходе второго инвертора, з - напряжение на втором выходе второго инвертора.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное содержит вход 1 преобразователя, первый 2 и второй 3 транзисторные ключи, входы которых объединены и подключены к общей шине 5 преобразователя, выходы их подключены к первому и второму выводам первичной 4₁ обмотки трансформатора, средняя точка которого подключена к входу 1, вторичная обмотка 4₂ его подключена к входу выпрямительного моста 6, к первому выходу которого подключен выход третьего 7 транзисторного ключа, к второму выходу его подключен вход четвертого 8 транзисторного ключа, выход которого объединен с входом третьего 7 транзисторного ключа и подключен к первому выводу первой 9₁ обмотки двухобмоточного дросселя 9, второй вывод которой подключен к первому выводу конденсатора 10, к первому выходному выводу 11 преобразователя, ко второму выходному выводу которого подключен второй вывод конденсатора 10 и первый вывод второй 9₂ обмотки двухобмоточного дросселя 9, второй вывод которой подключен к средней точке вторичной обмотки 4₂ трансформатора 4, при этом управляющие входы транзисторных ключей 1-4 подключены к соответствующим выходам блока 12 управления.

Выпрямительный мост 6 состоит из четырех ветвей, каждая из которых содержит диод, точка соединения анода первого 6₁ диода и катода второго 6₂ подключена к первому входному выводу моста 6, второй входной вывод его подключен к точке соединения анода третьего 6₃ диода и катода четвертого 6₄ диода, катоды диодов 6₁ и 6₃ объединены и подключены к первому выходному выводу моста 6, аноды диодов 6₂ и 6₄ объединены и подключены ко второму выходному выводу моста 6.

Блок 12 управления содержит генератор 13 тактовых импульсов, выход которого подключен к выходу генератора 14 пилообразного напряжения, выход которого подключен к первому входу компаратора 15, ко второму входу которого подключен через первый 19 выпрямитель выход генератора 18 синусоидальных импульсов, вход которого подключен к выходу генератора 13 тактовых импульсов и к входу делителя 20, выход которого подключен к входу первого 21 инвертора, первый (инверсный) выход которого подключен к первому входу первого 16 элемента И, второй выход его подключен к первому входу второго 17 элемента И, вторые входы элементов 16 и 17 подключены к выходу компаратора 15, выходы первого 16 и второго 17 элементов И подключены соответственно к первому 12 и второму 12 выходам блока 12 управления, третий 123 и четвертый 124 выходы которого подключены соответственно к первому (инверсному) и второму выходам второго 24 инвертора, вход которого подключен через второй 22 выпрямитель к выходу генератора 18 синусоидальных импульсов и через резистор 23 к общей шине 25 блока 12 управления, которая подключена к общей шине 5 преобразователя.

Генератор 14 пилообразного напряжения и генератор 18 синусоидального напряжения могут быть выполнены на матрицах R-2R, компаратор 15 - на операционном усилителе, делитель 20 - на триггерах.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальной формы работает следующим образом.

При подаче напряжения питания генератор 13 тактовых импульсов запускает генератор 14 пилообразного напряжения и генератор 18 синусоидального напряжения, на входы компаратора 15 поступает пилообразное напряжение с генератора 14 (фиг.4а₁) и выпрямленное напряжение генератора 18 (фиг.4а₂). В результате сравнения двух напряжений на выходе компаратора 15 появляются импульсы (фиг.4б), длительность которых в течение полупериода изменяется по закону синусоиды, в середине полупериода длительность импульсов достигает максимальной величины, к началу и концу полупериода - минимальной. При поступлении на первые входы элементов 16 и 17 импульсов с прямого и инверсного выходов первого инвертора 21 (фиг.4в, г), а на вторые входы их импульсов с компаратора 15 на выходах 16 и 17 элементов получаем импульсы также с переменной длительностью, изменяющиеся по закону синусоиды (фиг.4д, е).

Напряжение синусоидальной формы с выхода генератора 18 поступает через второй выпрямитель 22 на вход второго 24 инвертора, преобразуется на его первом (инверсном) и втором выходах в импульсы с периодом, равным периоду синусоидального напряжения (фиг.4ж, з).

Импульсы с блока 12 управления поступают на входы транзисторных ключей 1-4 в соответствии с приведенными на фиг.2а-г временными диаграммами.

В течение интервала времени t₀-t_n происходит формирование положительной полуволны выходного синусоидального напряжения на конденсаторе 10.

В течение интервала времени t₀-t_n происходит формирование положительной полуволны выходного синусоидального напряжения на конденсаторе 10.

В течение всего интервала времени t₀-t_n третий 7 транзисторный ключ открыт (фиг.2в), а четвертый 8 транзисторный ключ закрыт (фиг.2г).

В момент времени t₀ в соответствии с поданными сигналами от блока 12 управления на управляющий вход первого 2 транзисторного ключа (фиг.2а) ключ 2 открывается. Ток течет от источника 1 через первую 4₁₁ первичную обмотку трансформатора 4, ключ 2 к общей шине 5. В соответствии с фазировкой обмоток на первой вторичной обмотке 4₂₁ трансформатора 4 появляется напряжение, пропорциональное напряжению источника питания и коэффициенту трансформации. Под действием этого напряжения через первый диод 6₁ выпрямительного моста 6, открытый ключ 7, первую 9₁ обмотку дросселя 9, конденсатор 10 и вторую 9₂ обмотку дросселя 9 протекает ток, который заряжает конденсатор 10 до некоторой величины напряжением положительной полярности.

В момент времени t₁ первый 2 транзисторный ключ закрывается. При этом дроссель 9 будет являться источником тока. Ток дросселя 9 продолжает протекать по той же цепи и заряжать конденсатор 10.

В момент времени t₂ открывается второй 3 транзисторный ключ (фиг.2б). Ток течет от источника 1 через вторую 4₁₂ первичную обмотку трансформатора 4, ключ 3 к общей шине 5. В соответствии с фазировкой обмоток на второй 4₂₂ вторичной обмотке трансформатора 4 появляется напряжение, пропорциональное напряжению источника питания и коэффициенту трансформации. Под действием этого напряжения через третий диод 6₃, открытый ключ 7, первую 9₁ обмотку дросселя 9, конденсатор 10 и вторую 9₂ обмотку дросселя 9 протекает ток, который продолжает заряжать конденсатор 10 напряжением положительной полярности.

В момент времени t₃ второй 3 транзисторный ключ закрывается. При этом ток дросселя 9 продолжает протекать по той же цепи и заряжать конденсатор 10.

В момент времени t₄ открывается транзисторный ключ 2 и процессы повторяются до наступления времени t_n. При этом длительность открытого состояния транзисторных ключей 2 и 3 увеличивается в соответствии с алгоритмом формирования нарастающего участка синусоидального напряжения (фиг.2д).

По достижении середины интервала времени t₀-t_n длительности открытого состояния транзисторных ключей 2 и 3 достигают максимального значения и далее до конца интервала уменьшаются в соответствии с алгоритмом формирования спадающего участка синусоидального напряжения.

В момент времени t_n заканчивается этап формирования положительной полуволны выходного переменного (синусоидального) напряжения на конденсаторе 10.

На интервале времени t_n-t_k происходит формирование отрицательной полуволны выходного переменного (синусоидального) напряжения на конденсаторе 10.

При этом в течение всего интервала времени t_n-t_k четвертый 8 транзисторный ключ открыт (фиг.2г), а третий 7 транзисторный ключ закрыт (фиг.2в).

В момент времени t_n транзисторный ключ 2 открывается. Ток течет от источника 1 через первичную 4₁₁ обмотку трансформатора 4, ключ 2 к общей шине 5. В соответствии с фазировкой обмоток на второй 4₂₂ вторичной обмотке трансформатора 4 появляется напряжение, пропорциональное напряжению источника 1 питания и коэффициенту трансформации. Под действием этого напряжения через вторую 9₂ обмотку дросселя 9, конденсатор 10, первую 9₁ обмотку дросселя 9, открытый ключ 8 и четвертый 6₄ диод выпрямительного моста 6 протекает ток, который заряжает конденсатор 10 до некоторой величины напряжением отрицательной полярности.

В момент времени t₅ первый 2 транзисторный ключ закрывается. При этом дроссель 9 будет являться источником тока. Ток дросселя 9 продолжает протекать по той же цепи и заряжать конденсатор 10.

В момент времени t₆ второй 3 транзисторный ключ открывается. Ток течет от источника 1 через вторую 4₁₂ первичную обмотку трансформатора 4, транзисторный ключ 3 к общей шине 5. В соответствии с фазировкой обмоток на первой 4₂₁ вторичной обмотке трансформатора 4 появляется напряжение, пропорциональное напряжению источника 1 питания и коэффициенту трансформации. Под действием этого напряжения через вторую 9₂ обмотку дросселя 9, конденсатор 10, первую 9₁ обмотку дросселя 9, открытый ключ 8 и второй 6₂ диод выпрямительного моста 6 протекает ток, который продолжает заряжать конденсатор 10 напряжением отрицательной полярности.

В момент времени t₇ второй 3 транзисторный ключ закрывается. При этом ток дросселя 9 продолжает протекать по той же цепи и заряжать конденсатор 10.

В момент времени t₈ открывается первый 2 транзисторный ключ (фиг.2а) и процессы повторяются до наступления времени t_k. При этом длительность открытого состояния транзисторных ключей 2 и 3 увеличивается в соответствии с алгоритмом формирования спадающего участка синусоидального напряжения.

По достижении середины интервала времени t_n-t_k длительность открытого состояния транзисторных ключей 2 и 3 достигает максимального значения и далее до конца интервала уменьшается в соответствии с алгоритмом формирования нарастающего участка синусоидального напряжения.

В момент времени t_k заканчивается этап формирования отрицательной полуволны выходного переменного (синусоидального) напряжения на конденсаторе 10 (фиг.2д).

Предложенное техническое решение позволяет отказаться от двухступенчатой системы преобразования и получить преобразование низкого постоянного напряжения в высокое переменное за одну ступень преобразования (объединено преобразование постоянного напряжения на высокой частоте и преобразование в переменное напряжение на частоте 50 Гц), что значительно повышает КПД устройства, кроме того, повышается надежность преобразователя (сокращается количество управляемых ключей и транзисторные ключи 7 и 8 работают на частоте 50 Гц), уменьшаются габариты его ввиду отсутствия конденсатора большой емкости.

Предлагаемое изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах питания для преобразования низкого постоянного напряжения в высокое переменное напряжение синусоидальной формы при разработке устройств автоматики, электропривода. Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение КПД, повышение надежности. Результат достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий трансформатор 4, первый 2 и второй 3 транзисторные ключи, блок 12 управления, выпрямительный мост 6, третий 7 и четвертый 8 транзисторные ключи, конденсатор 10, введен двухобмоточный дроссель 9, первый вывод первой обмотки которого подключен к точке соединения входа третьего 7 и выхода четвертого 8 транзисторных ключей, вход последнего из которых подключен ко второму выходу выпрямительного моста 6, второй вывод первой обмотки двухобмоточного дросселя 9 подключен к первому выходному выводу преобразователя, к первому выводу конденсатора 10, второй вывод которого подключен ко второму выходному выводу преобразователя и к первому выводу второй обмотки двухобмоточного дросселя 9, второй вывод которой подключен к средней точке вторичной обмотки трансформатора 4, при этом общая шина преобразователя подключена к объединенным входам первого 2 и второго 3 транзисторных ключей. 4 ил.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий трансформатор, начало и конец первичной обмотки которого подключены соответственно к выходам первого и второго транзисторных ключей, входы которых объединены, управляющие входы их подключены соответственно к первому и второму выходам блока управления, вход преобразователя, подключенный к средней точке первичной обмотки трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к входу выпрямительного моста, к первому выходу которого подключен выход третьего транзисторного ключа, вход которого подключен к выходу четвертого транзисторного ключа, управляющие входы третьего и четвертого транзисторных ключей подключены соответственно к третьему и четвертому выходам блока управления, а также конденсатор и общую шину, отличающийся тем, что введен двухобмоточный дроссель, первый вывод первой обмотки которого подключен к точке соединения входа третьего и выхода четвертого транзисторных ключей, вход последнего из которых подключен ко второму выходу выпрямительного моста, второй вывод первой обмотки двухобмоточного дросселя подключен к первому выходному выводу преобразователя, к первому выводу конденсатора, второй вывод которого подключен ко второму выходному выводу преобразователя и к первому выводу второй обмотки двухобмоточного дросселя, второй вывод которой подключен к средней точке вторичной обмотки трансформатора, при этом общая шина преобразователя подключена к объединенным входам первого и второго транзисторных ключей.