СПОСОБ ПЕРЕКОМПОНОВКИ УНИВЕРСАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК H02M7/10 

Изобретение относится к области прикладной преобразовательной техники и может быть использовано для расширения функциональных свойств источников электропитания, получающих применение при эксплуатации и ремонте автомобилей.

В настоящее время на рынке электротехнических средств обслуживания автомобилей наблюдается потребность в источниках электропитания, с помощью которых можно было бы осуществлять разнообразные сервисно-ремонтные работы независимо от наличия или отсутствия первичного источника энергии в виде однофазной распределительной сети ~220 В. Современный уровень требований к подобного рода устройствам предполагает их универсальность, то есть возможность работы в различных режимах, в качестве преобразователей переменного напряжения в постоянное напряжение (режим AC/DC), что необходимо для осуществления пуска стартера, зарядки аккумулятора или дуговой электросварки при питании от сети переменного тока или в качестве преобразователей постоянного напряжения в переменное напряжение (режим DC/AC), обеспечивающих работу электроинструмента при автономном питании от аккумуляторной батареи с параллельно включенным генератором в составе электрооборудования автомобиля. Требуется также предельно простое исполнение, наличие высоких энергетических показателей, малые весогабаритные показатели и т.д. Этим требованиям можно удовлетворить лишь на основе современной элементной базы и высокочастотных методов преобразования с применением малогабаритных трансформаторов на ферритовых сердечниках, а также IGBT, MOSFET-транзисторов. Потребителю должна быть предоставлена возможность так называемой перекомпоновки (переналадки) преобразователя простыми способами переключения и перестановки комплектующих элементов силовой схемы, приводящих к изменению режима питания и функциональных свойств устройства.

Анализ существующих решений в данной области позволяет взять за основу двухтактную схему импульсного преобразователя с нулевым выводом, которая при наличии двух транзисторных ключей выполняет функции высокочастотной модуляции, а при введении третьего ключа - также и функции регулирования напряжения в первичных обмотках согласующего трансформатора. Данное техническое решение представлено, например, в книге Р.Севернса, Г.Блума "Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания". - М.: Энергоатомиздат, 1988 г., с.188. См. также B.C.Моин. Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г., с.94, 151.

В состав комплектующих элементов силовой схемы этого устройства входят высокочастотный согласующий трансформатор, выполненный на ферритовом сердечнике с двумя идентичными обмотками как на повышающей, так и на понижающей сторонах, модулятор первичного напряжения трансформатора на двух - в нерегулируемом режиме или трех - в регулируемом режиме транзисторных ключах, а также два однофазных выпрямительных моста на диодах, из которых первый предназначен для работы в цепях повышающих, а второй - в цепях понижающих напряжение обмотках трансформатора. Указанные первичные обмотки соединены последовательно-согласно по схеме с нулевым выводом, присоединенным напрямую или посредством указанного третьего транзисторного ключа с отрицательным полюсом первичного источника питания, положительный полюс которого соединен с каждым из свободных выводов первичных обмоток с помощью одного из двух указанных транзисторных ключей. В режиме DC/AC в качестве первичного источника используется аккумуляторная батарея с параллельно подключенным генератором, входящим в состав электрооборудования автомобиля. В режиме AC/DC первичным источником является однофазная электрическая сеть ~220 В, подключение к которой осуществляется с помощью первого выпрямительного моста, положительный и отрицательный полюсы которого служат, как указано выше, для подключения транзисторов модулятора. Основным элементом управляющих цепей данного преобразователя служит широтно-импульсный модулятор, предназначенный для управления силовыми транзисторами, который подключен одним входом к источнику управляющего сигнала, а другим входом - к источнику периодически изменяющегося с частотой питания обмоток трансформатора опорного сигнала. Для того, чтобы данное устройство можно было использовать по различному назначению, состав обмоток с повышающей стороны трансформатора дополняют третьей идентичной по количеству витков обмоткой, а в качестве источника опорного сигнала используют интегратор, входом подключенный к первичному источнику питания, а выходом - к узлу сравнения управляющего и опорного сигналов в составе широтно-импульсного модулятора.

Процесс перекомпоновки силовой схемы преобразователя обычно осуществляется с учетом имеющегося первичного источника питания и состоит в изменении связей между элементами силовой схемы и переходе от одной схемы соединения вторичных обмоток трансформатора к другой. Для получения возможности использовать один и тот же трансформатор в различных преобразовательных режимах предлагается взаимно менять места подключения обмотки с повышающей и понижающей сторон, при условии сохранения указанной выше схемы подключения первичных обмоток посредством транзисторов модулятора к первичному источнику питания.

Данные решения создают основу для создания универсального преобразователя автомобилиста (УП), процесс перекомпоновки которого, с целью изменения преобразовательного режима, предлагается осуществлять следующим образом.

Так, например, для запуска стартера от сети при разряженной аккумуляторной батарее или для зарядки этой батареи необходима работа преобразователя в регулируемом режиме AC/DC. Для перевода УП в данный режим предлагается применить в качестве первичных обмоток две обмотки с повышающей стороны трансформатора, которые необходимо подключить по упомянутой выше схеме к полюсам первого выпрямительного моста посредством трех транзисторных ключей, а в качестве вторичных обмоток использовать две соединенные между собой одноименными выводами в параллель обмотки с понижающей стороны, которые следует подключить ко входам второго выпрямительного моста, полюсы которого нужно присоединить к соответствующим выводам аккумулятора.

Для осуществления дуговой электросварки на постоянном токе в условиях питания от сети 220 В необходим перевод УП в нерегулируемый режим AC/DC. В этом случае схема соединения первичных обмоток остается прежней, однако для их подключения к модулятору достаточно применить два транзисторных ключа по указанной выше схеме, а в качестве вторичных обмоток предлагается использовать две последовательно-согласно соединенные обмотки понижающей стороны. Эти обмотки свободными выводами необходимо подключить ко входам второго выпрямительного моста, выходы которого должны быть присоединены к сварочному электроду и объекту сварки.

И, наконец, для перевода УП в режим DC/AC, позволяющий осуществлять питание электроинструмента переменным напряжением ~220 В, 50 Гц при использовании в качестве первичного источника питания аккумуляторной батареи с параллельно подключенным генератором в составе электрооборудования автомобиля, в качестве первичных обмоток предлагается применить обмотки с понижающей стороны трансформатора.

Эти обмотки также должны быть присоединены к полюсам первичного источника с помощью двух транзисторных ключей по указанной выше схеме. В качестве вторичных обмоток предлагается применить все три последовательно-согласно соединенные обмотки повышающей стороны, свободные выводы которых необходимо использовать для подключения электроинструмента.

На фиг.1 изображена принципиальная схема силовых цепей и упрощенная блок-схема цепей управления преобразователя в режиме DC/AC; на фиг.2 - аналогично представленная схема преобразователя в нерегулируемом режиме AC/DC, а на фиг.3 - диаграммы напряжения во вторичной обмотке трансформатора U_w2, а также диаграммы управляющего U_y и опорного U_oп сигналов, иллюстрирующие работу данного устройства в указанном режиме; на фиг.4 - аналогично представленная схема преобразователя в регулируемом режиме AC/DC, a на фиг.5 - диаграммы, иллюстрирующие его работу.

В режиме DC/AC схема преобразователя содержит согласующий трансформатор 1, в котором роль первичных обмоток выполняют две обмотки с понижающей стороны W₁₁, W₁₂, а вторичных обмоток - три последовательно-согласно соединенные обмотки W₂₁, W₂₂, W₂₃ повышающей стороны трансформатора (см. фиг.1). Во всех вариантах исполнения преобразователя первичные обмотки включаются последовательно-согласно с выводом нулевой точки, которая в данном случае присоединена напрямую к отрицательному полюсу первичного источника питания. Свободными выводами каждая из этих обмоток подключена к положительному полюсу первичного источника посредством транзисторных ключей 2, 3 модулятора. В рассматриваемой схеме функции первичного источника выполняет аккумуляторная батарея 4 с параллельно подключенным генератором 5, входящим в состав электрооборудования автомобиля. Основным элементом цепей управления служит широтно-импульсный модулятор, содержащий потенциометрический задатчик управляющего сигнала 6, источник опорного сигнала 7, входом подключенный к полюсам первичного источника, а также формирователь управляющих импульсов 8.

Принцип действия данной преобразовательной схемы известен и состоит в периодическом переключении транзисторов 2, 3 в противофазе с тактовой частотой. Тактовая частота переключений выбирается с учетом магнитной проницаемости сердечника трансформатора и, с целью уменьшения массогабаритных показателей трансформатора, должна быть предельно высокой в пределах от единиц до десятков и сотен кГц. Полагается, что работа широтно-импульсного модулятора осуществляется по так называемому вертикальному принципу, согласно которому моменты переключений отыскиваются в точках равенства управляющего сигнала U_y и периодически изменяющегося с тактовой частотой опорного сигнала U_oп пилообразной формы, причем последний на каждом такте получают интегрированием питающего напряжения аккумулятора. При подаче на задатчик 6 управляющего сигнала U_y синусоидальной формы частоты 50 Гц во вторичных обмотках трансформатора индуцируется напряжение, основная гармоника которого также будет иметь указанную частоту, что необходимо для работы электроинструмента.

По сравнению с другими данная схема имеет наибольший перепад напряжений на первичной и вторичной сторонах трансформатора, поэтому может служить для первоначальной компоновки УП. Эскизный расчет устройства без учета влияния индуктивности обмоток должен включать в себя определение действующего значения напряжения в одной из обмоток с понижающей стороны

где U_d1=12 B - номинальное напряжение аккумулятора.

С учетом того, что суммарное напряжение на повышающей стороне трансформатора должно быть равно 220 В, определяется напряжение в одной из трех обмоток повышающей стороны

После чего определяется коэффициент трансформации

Задаваясь реальным значением максимального тока нагрузки вторичных обмоток I_н=20 А, можно оценить величину нагрузочной составляющей тока первичных обмоток

а также габаритную мощность трансформатора

В нерегулируемом режиме AC/DC схема преобразователя получает питание от однофазной сети ~220 В посредством первого выпрямительного моста 9. Напряжение на выходе данного моста не должно содержать низкочастотных пульсаций, в противном случае его последующая высокочастотная модуляция с помощью транзисторных ключей теряет смысл. Целесообразное решение данной задачи основывается на возможности устранения низкочастотных пульсаций в составе тока и напряжения без сглаживающих конденсаторов модуляционным способом (см. патент РФ №2110136 ). Для применения этого технического решения в качестве источника опорного сигнала в цепях управления преобразователем используется интегратор, который своим входом должен быть подключен к первичному источнику выпрямленного напряжения. Эффективность модуляционного способа устранения низкочастотных пульсаций иллюстрируют временные диаграммы на фиг.3, полученные компьютерным моделированием. Полагается, что переключение транзисторов происходит в моменты равенства управляющего U_y и опорного U_oп сигналов, сопровождающимся сбросом интегратора и обнулением его выходного напряжения. Поддержание равенства сигналов U_y=U_oп в моменты переключений обеспечивает такое же постоянство вольт-секундных площадей под кривой питающего напряжения U_w2 в обмотках трансформатора в течение каждого такта модуляции. Из диаграмм видно, что несмотря на синусоидальный характер огибающей этого напряжения, постоянство указанных сплошной штриховкой вольт-секундных площадей выдерживается на всем полупериоде сетевого напряжения. Исследования показывают, что при указанной форме напряжения в пульсирующем токе обмоток практически отсутствует низкочастотная составляющая частоты 100 Гц. В результате наблюдается симметричное перемагничивание сердечника транформатора и необходимость применения сглаживающего фильтра отпадает.

Назначением данного преобразователя является дуговая электросварка, которую целесообразнее проводить на постоянном токе. С этой целью нагрузка (сварочный электрод) должна быть подключена к вторичным обмоткам трансформатора с помощью второго выпрямительного моста 10. Принимая во внимание, что сварка электродом диаметра 3-4 мм осуществляется при напряжении 60-70 В, принимаем в качестве первичных обмотки повышающей стороны трансформатора W₂₁, W₂₂. В рассматриваемой схеме действующее значение напряжения в каждой из этих обмоток равно сетевому напряжению

где - средневыпрямленное напряжение на выходе первого моста. Определяя напряжение в одной из вторичных обмоток

приходим к выводу, что для получения требуемого напряжения на выходе преобразователя их следует включить согласно-последовательно, В результате выпрямленное напряжение холостого хода на выходе второго моста будет удовлетворять поставленному требованию

Задаваясь реальной величиной среднего значения тока сварки I_d=100 А, оценим токовую загрузку вторичных обмоток

а затем величину тока в первичных обмотках данного преобразователя

Полученные значения напряжений и токов в обмотках трансформатора в обоих рассмотренных схемах практически совпадают, что подтверждает возможность перекомпоновки преобразователя предлагаемым способом.

Для осуществления подзарядки аккумуляторной батареи напряжение на выходе рассматриваемого преобразователя должно быть снижено до уровня 12-15 В. Это может быть обеспечено переводом данного устройства в регулируемый режим AC/DC. При надлежащем повышении мощности это же устройство может служить для осуществления прямого пуска стартера от сети в случаях полного разряда аккумуляторной батареи или ее отсутствия. Приведенная на фиг.4 схема показывает, что переход к данному режиму требует введения в состав модулятора третьего транзистора 11, который должен соединять нулевую точку первичных обмоток W₂₁, W₂₂ с отрицательным полюсом первого выпрямительного моста. Алгоритм широтно-импульсного регулирования напряжения в данной схеме предполагает, что периодическое подключение первичных обмоток к источнику питания с помощью транзисторных пар 2, 11 и 3, 11 должно чередоваться на каждом такте модуляции с их отключением от источника транзистором 11 и шунтированием нагрузки (обмоток W₂₁, W₂₂) до конца такта продолжающим работу транзистором 2 или 3 в паре с противопараллельным диодом другого транзистора. Полагается, что ко входу широтно-импульсного модулятора прикладываются два управляющих сигнала Uy₁, Uy₂, один из которых при пересечении с опорным сигналом задает моменты включения транзисторных пар 2, 11 и 3, 11, а другой - аналогичным образом задает моменты выключения транзистора 11. Диаграммы на фиг.5 показывают, что при таком управлении изменением управляющего сигнала Uy₁ можно регулировать напряжение в обмотках трансформатора U_w2 с поддержанием постоянства заштрихованных вольт-секундных площадей положительного и отрицательного знака. Как отмечалось выше, данным способом удается устранить в составе выпрямленного напряжения низкочастотную составляющую без применения сглаживающих конденсаторов.

Кроме рассмотренного переход к регулируемому режиму AC/DC потребует применения, в качестве вторичных, обмоток понижающей стороны W₁₁, W₁₂, соединенных между собой параллельно. Своими общими выводами эти обмотки подключаются ко входам второго выпрямительного моста, выходы которого могут служить для подключения ко входам аккумулятора или стартера. Задаваясь значением пускового тока стартера I_d=(200-300) А, в предположении активного (омического) характера выходной цепи, оцениваем пределы изменения тока во вторичных обмотках трансформатора

а затем пределы соответствующего изменения тока в первичных обмотках

Можно видеть, что полученные значения не существенно отличаются от величин токовой загрузки обмоток в ранее рассмотренных схемах и потому могут быть скорректированы при завершающем расчете УП.

Универсальный преобразователь автомобилиста выполнен по двухтактной схеме импульсного преобразователя с применением высокочастотного трансформатора с двумя обмотками на понижающей и тремя обмотками на повышающей сторонах и модулятора напряжения первичных обмоток, включенных по схеме с нулевым выводом, на двух транзисторных ключах - в нерегулируемом режиме или на трех транзисторных ключах - в регулируемом режиме работы. Для осуществления различных сервисно-ремонтных работ при питании от однофазной сети ~220 В или аккумулятора с параллельно подключенным генератором автомобиля преобразователь соответствующим изменением схемы соединения обмоток трансформатора может быть переведен в режим преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение (режим ДС/АС) или режим преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение (режим АС/ДС). Сглаживание выпрямленного напряжения на входе модулятора предлагается осуществлять модуляционным способом без применения конденсаторов фильтра. Технический результат - расширение функциональных свойств преобразователя. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ перекомпоновки универсального преобразователя (УП), выполненного с применением однофазного согласующего трансформатора с двумя идентичными обмотками на повышающей и тремя идентичными обмотками на понижающей сторонах, а также модулятора первичного напряжения трансформатора с применением двух транзисторных ключей и двух однофазных выпрямительных мостов на диодах, из которых первый предназначен для работы на повышающей стороне, а второй - на понижающей стороне однофазного согласующего трансформатора, при этом первичные обмотки соединены последовательно-согласно по схеме со средней точкой, соединенной напрямую или посредством третьего транзисторного ключа с отрицательным полюсом первичного источника питания, положительный полюс которого соединен с каждым из свободных выводов первичных обмоток посредством одного из указанных двух транзисторных ключей, путем изменения связей между указанными элементами силовой схемы, позволяющей осуществлять питание преобразователя от различных первичных источников электроэнергии, для чего в режиме преобразования постоянного напряжения в постоянное (ДС/ДС) или в режиме преобразования постоянного напряжения в переменное (ДС/АС) входные зажимы модулятора первичного напряжения трансформатора присоединяют к клеммам аккумуляторной батареи с параллельно подключенным генератором в составе электрооборудования автомобиля, а в режиме преобразования переменного напряжения в постоянное (АС/ДС) - к однофазной распределительной сети ~220 В посредством первого выпрямительного моста, отличающийся тем, что взаимно меняют места подключения обмоток с повышающей и понижающей сторон однофазного согласующего трансформатора, а также изменяют схемы соединения вторичных обмоток трансформатора с параллельной на последовательную или с последовательной на параллельную при сохранении упомянутой выше схемы присоединения модулятора первичного напряжения трансформатора к первичному источнику питания.2. Способ перекомпоновки УП по п.1, отличающийся тем, что в регулируемом режиме АС/ДС, применяющемся для запуска стартера при разряженной аккумуляторной батарее или для зарядки этой батареи при питании от сети ~220 В, в качестве первичных обмоток используют две обмотки с повышающей стороны однофазного согласующего трансформатора по указанной выше схеме присоединения к полюсам первого выпрямительного моста посредством трех транзисторных ключей, а в качестве вторичных обмоток используют две соединенные между собой одноименными выводами обмотки с понижающей стороны, которые подключают в параллель ко входам второго выпрямительного моста, полюсы которого присоединяют к соответствующим клеммам аккумулятора.3. Способ перекомпоновки УП по п.1, отличающийся тем, что в нерегулируемом режиме АС/ДС, применяющемся для дуговой электросварки на постоянном токе при питании от сети ~220 В, в качестве первичных обмоток используют две обмотки с повышающей стороны однофазного согласующего трансформатора при указанной схеме их присоединения к полюсам первого выпрямительного моста посредством двух транзисторных ключей, а в качестве вторичных обмоток используют две последовательно-согласно соединенные обмотки с понижающей стороны этого трансформатора, свободными выводами подключенные ко входам второго выпрямительного моста, выходы которого используют для присоединения к сварочному электроду и объекту электросварки.4. Способ перекомпоновки УП по п.1, отличающийся тем, что в режиме ДС/АС, применяющемся для питания электроинструмента переменным напряжением ~220 В с частотой 50 Гц, в качестве первичных обмоток используют обмотки с понижающей стороны однофазного согласующего трансформатора при указанной схеме их присоединения к полюсам первичного источника в виде аккумуляторной батареи с параллельно подключенным генератором в составе электрооборудования работающего автомобиля, а в качестве вторичных обмоток используют все три последовательно-согласно соединенные обмотки повышающей стороны этого трансформатора, свободные выводы которых подключают к сетевым входам электроинструмента.