СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В НАПРЯЖЕНИЕ ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВЫПРЯМИТЕЛЬ КОЖУХОВСКОГО Г.В.) Российский патент 2005 года по МПК H02M7/12 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного электропитания, и может быть использовано как для питания различной радио-электронной аппаратуры, так и в промышленности в силовых цепях выпрямителей.

Известен способ преобразования напряжения переменного тока в напряжения постоянного тока и устройство для его осуществления (см. авт. свид. СССР №966828, МКИ Н 02 М 7/02, 1982). Он включает операции разбиения каждого полупериода исходного напряжения на временные интервалы, при этом каждый интервал состоит из двух участков, расположенных симметрично относительно амплитудных значений исходного напряжения, и выделения абсолютных значений напряжения переменного тока.

В этом способе разбиения на временные интервалы производят на стороне исходного напряжения, что требует применения высоковольтных селекторов временных интервалов и полупроводниковых ключей. Разделение на составляющие и изменения мгновенных значений переменного напряжения производят за счет дополнительных трансформаторов, что увеличивает массу и габариты устройства. Операцию сложения проводят с переменным напряжением, что не позволяет производить сложение токов.

В качестве прототипа выбран способ преобразования напряжения переменного тока в напряжения постоянного тока (см. авт. свид. СССР №1451822, МКИ Н 02 М 7/12, 1989), включающий операции разбиения каждого полупериода напряжения на временные интервалы, при этом каждый интервал состоит из двух участков, расположенных симметрично относительно амплитудных значений исходного напряжения, выделения абсолютных значений составляющих напряжений и сложение токов, обусловленных выделенными абсолютными значениями составляющих.

В этом способе операцию разбиения каждого полупериода напряжения на временные интервалы производят на стороне исходного напряжения, что требует применения в ряде случаев высоковольтных селекторов временных интервалов и полупроводниковых ключей. Разбиение на временные интервалы производится без учета соотношения мгновенных абсолютных значений напряжений с постоянным выходным напряжением, что приводит к искажению потребляемого тока.

Устройство для осуществления этого способа содержит сетевой трансформатор, n выпрямительных ячеек, каждая из которых содержит мостовый выпрямитель, входами подключенный к вторичной обмотке, размещенной на трансформаторе.

Разделение на составляющие и изменения мгновенных значений переменного напряжения производят за счет n-1 дополнительных трансформаторов, которые работают только часть полупериода, что увеличивает массу и габариты устройства. Составляющие работают только в режиме сложения токов в нагрузке.

В качестве прототипа выбрано устройство (см. Патент России №1561069, МКИ G 05 F 1/56, 1993), содержащее трансформатор, конденсатор фильтра, подключенный к выходу выпрямителя, n/2 выпрямительных ячеек, каждая из которых содержит диод, первый полупроводниковый ключевой элемент, мостовой выпрямитель и обмотку с отводом от середины, размещенную на трансформаторе, при этом концы этой обмотки подключены к входу мостового выпрямителя, а диод и первый ключевой элемент включены последовательно между отводом обмотки и первым выходом мостового выпрямителя, при этом точка соединения диода и первого ключевого элемента выпрямительных ячеек соединены последовательно через (n/2)-1 соответствующих диодов первой последовательной цепи, а вторые выходы мостовых выпрямителей n/2 выпрямительных ячеек соединены последовательно через (n/2)-1 соответствующих диодов второй последовательной цепи, причем второй выход мостового выпрямителя n/2-ой выпрямительной ячейки соединен с общим проводом, а точка соединения диода и первого ключевого элемента первой выпрямительной ячейки соединена с конденсатором фильтра и выходом выпрямителя, кроме того, (n/2)-1 вторых полупроводниковых ключевых элементов соединяют второй выход мостового выпрямителя каждой из (n/2)-1 выпрямительных ячеек с точкой соединения диода и первого ключевого элемента следующей выпрямительной ячейки,

В этом устройстве выпрямительные ячейки включаются последовательно или параллельно, а т.к. выпрямитель работает в режиме получения n ступеней постоянного напряжения, то управляющий сигнал на ключи формируется в соответствии с выходным постоянным напряжением и не зависит от величины и формы сетевого напряжения, это приводит к тому, что форма потребляемого тока соответствует форме тока обычного выпрямителя, т.е. форма тока имеет большие искажения.

Задачей изобретения является уменьшение искажений формы потребляемого тока и расширения функциональных возможностей при работе выпрямителя на емкостной фильтр.

Поставленная задача достигается тем, что согласно способу преобразования напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, включающему операции разбиения каждого полупериода напряжения на n временных интервалов, при этом каждый интервал состоит из двух участков, расположенных симметрично относительно амплитудных значений исходного напряжения, выделения абсолютных значений составляющих напряжений и сложение токов, обусловленных выделенными абсолютными значениями составляющих, в начале производят деление исходного напряжения на n равных составляющих напряжений с изменением значений составляющих напряжения в определенное число раз, затем производят выделения абсолютных значений измененных составляющих напряжений, после этого в каждом интервале производят изменения общего мгновенного абсолютного значения напряжений, путем сложения мгновенных абсолютных значений составляющих напряжений и токов, обусловленных абсолютными значениями составляющих напряжений, и начало (t_i) каждого из n интервалов, кроме первого, определяют из формул

t_i=arcsin(U₌/B_iU₂), и/или

t_i=arcsin{(r_вн.(i-1)-K_пir_вн.i)U₌/(r_вн.(i-1)B_i-K_пir_вн.iB_(i-1))U₂},

где n≥i>1, B_i=(n-i+1), B_(i-1)=(n-i+2), U₌ - постоянное выходное напряжение, U₂ - максимальное значение составляющей напряжения, r_вн.i и r_вн.(i-1) - суммарное внутреннее сопротивление всех составляющих соответственно в i-ом и i-1 интервале; К_пi - коэффициент перехода, определяемый отношением тока в начале i-того интервала (I_(i).н) к току в конце предыдущего (I_(i-1)к) и кроме этого из всех n составляющих напряжений m или 2m получены при условии, что амплитуда каждой из этих составляющих равна U₂/2^m и разбиение производится на (n-m)2^m или (n-2m+1)2^m-1 интервала и начало (t_i) каждого из этих интервалов определяют по формулам при условии, что

если (n-m)2^m, то В_i=(n+1-m-i/2^m), B_(i-1)=(n+1+1/2^m-m-i/2^m), и n>m и/или

если (n-2m+1)2^m-1, то при m=1 В_i=(n-0,5-i/2), B_(i-1)=(n-i/2),

а при m>1 B_i=(n-2^m-1-1/2^m-i/2^m), В_(i-1)=(n-2m-i/2^m), и n>2m.

Предложенный способ может быть осуществлен устройством, содержащим трансформатор, конденсатор фильтра, подключенный к выходу выпрямителя, n выпрямительных ячеек, содержащих мостовой выпрямитель, входами подключенный к обмотке, размещенной на трансформаторе, второй выход которого соединен со вторым выходом ячейки, первые выхода ячеек соединены последовательно через n-1 соответствующих диодов первой последовательной цепи, вторые выхода - через n-1 соответствующих диодов второй последовательной цепи, причем второй выход n-ой выпрямительной ячейки соединен с общим проводом, а первый выход первой ячейки соединен с конденсатором фильтра и выходом выпрямителя, кроме того, n-1 полупроводниковых ключевых элементов соединяют второй выход каждой из n-1 выпрямительных ячеек с первым выходом следующей, а первый выход мостового выпрямителя подключен к первому выходу ячейки и дополнительно введен блок управления, первый вход которого подключен к выходу выпрямителя, второй - к первому выходу n-ой выпрямительной ячейки, а выходы - к управляющим входам ключевых элементов.

Кроме этого способ может быть осуществлен устройством, содержащим трансформатор, конденсатор фильтра, подключенный к выходу выпрямителя, n/2 выпрямительных ячеек, каждая из которых содержит диод, первый полупроводниковый ключевой элемент, мостовой выпрямитель и обмотку с отводом от середины, размещенную на трансформаторе, при этом концы этой обмотки подключены к входу мостового выпрямителя, а диод и первый ключевой элемент включены последовательно между отводом обмотки и первым выходом мостового выпрямителя, при этом точка соединения диода и первого ключевого элемента выпрямительных ячеек соединены последовательно через (n/2)-1 соответствующих диодов первой последовательной цепи, а вторые выходы мостовых выпрямителей n/2 выпрямительных ячеек соединены последовательно через (n/2)-1 соответствующих диодов второй последовательной цепи, причем второй выход мостового выпрямителя n/2-ой выпрямительной ячейки соединен с общим проводом, и при этом точка соединения диода и первого ключевого элемента первой выпрямительной ячейки соединена с конденсатором фильтра и выходом выпрямителя, кроме того, (n/2)-1 вторых полупроводниковых ключевых элементов соединяют второй выход мостового выпрямителя каждой из (n/2)-1 выпрямительных ячеек с точкой соединения диода и первого ключевого элемента следующей выпрямительной ячейки, дополнительно в него введен блок управления, первый вход которого подключен к выходу выпрямителя, второй - к отводу от середины n/2-ой выпрямительной ячейки, а выходы - к управляющим входам ключевых элементов.

А также еще способ может быть осуществлен устройством, содержащим трансформатор, конденсатор фильтра, подключенный к выходу выпрямителя, (n/2)-1 диодов первой последовательной цепи и вторых полупроводниковых ключевых элементов, n/2 выпрямительных ячеек, каждая из которых содержит первый полупроводниковый ключевой элемент, мостовой выпрямитель и обмотку с отводом от середины, размещенную на трансформаторе, при этом концы этой обмотки подключены к входу мостового выпрямителя, а первый ключевой элемент включен между первым выходом ячейки и первым выходом мостового выпрямителя, а вторые выходы мостовых выпрямителей и n/2-1 выпрямительных ячеек соединены последовательно через (n/2)-1 соответствующих диодов второй последовательной цепи, причем второй выход мостового выпрямителя n/2-ой выпрямительной ячейки соединен с общим проводом, а первый выход через последовательно соединенные диод и первый ключевой элемент подключен к отводу от середины обмотки, а точка соединения этого диода с первым ключевым элементом подключена к выходу n/2-ой выпрямительной ячейки, и при этом вторые ключевые элементы включены между отводом каждой обмотки и первым выходом ячейки, а точка соединения первого и второго ключевого элемента каждой из (n/2)-2 ячеек соединена с вторым выходом мостового выпрямителя следующей ячейки, и точка соединения диода и первого ключа n/2-ой выпрямительной ячейки подключена к последнему диоду второй последовательной цепи и к точке соединения первого и второго ключа (n/2)-1-ой ячейки, и второй выход мостового выпрямителя первой ячейки подключен к конденсатору фильтра и к выходу выпрямителя, а отводы от середин обмоток (n/2)-1 ячеек соединены между собой через соответствующие диоды первой последовательной цепи, последний диод которой подключен к общему проводу и в него введен блок управления, первый вход которого подключен к выходу выпрямителя, второй - к отводу от середины обмотки (n/2)-ой выпрямительной ячейки, а выходы - к управляющим входам ключевых элементов, и, кроме того, в него введен дроссель с n обмотками и при этом каждая из n или n/2 обмоток трансформатора подключена к мостовому выпрямителю через одну или две обмотки дросселя, и еще, блок управления содержит параллельный аналого-цифровой преобразователь, первый вход которого соединен с первым входом, второй - со вторым входом блока управления, а цифровые выходы подключены к выходами блока управления, кроме этого, в блок управления введен преобразователь кода и параллельный АЦП, цифровыми выходами подключен к входам преобразователя кода, выходы которого являются выходами блока управления, а также блок управления имеет дополнительные входы управления и дополнительно введен двоичный счетчик, счетный вход которого подключен к выходу младшего разряда параллельного аналого-цифрового преобразователя, а цифровые выходы - к части дополнительных цифровых входов преобразователя кода, вторая часть которых подключена к дополнительным управляющим входам блока управления.

На фиг.1 изображены временные диаграммы напряжений и потребляемого тока для случая, когда n=4. На фиг.2 приведены упрощенные схемы соединения составляющих напряжений, на фиг.3 - блок-схема первого устройства для осуществления способа, на фиг.4 - второго устройства, а на фиг.5 - схема третьего устройства.

Сущность способа поясняется фиг.1, 1-a, б, в, г, где изображены временные диаграммы напряжений и потребляемого тока при разбиении полупериода напряжения на n=4 временных интервала: а - четверть периода переменного напряжения питания; б - выделенное абсолютное значение составляющей на втором входе АЦП и уровни срабатывания АЦП; в - выделенные мгновенные абсолютные значения составляющих напряжений, формируемые устройством в течение четверти полупериода; г) - потребляемый ток; U₌ - выходное постоянное напряжение, U₂ - максимальное значение составляющей. На фиг.1, 2 - а, б, в, г, приведены те же диаграммы напряжений и потребляемого тока при n=4 и m=1, т.е. при разбиении полупериода напряжения на 6 интервалов (n-m)2^m=6, а на фиг.1, 3 - а, б, в, г соответственно при n=4, m=2, т.е. 8 интервалов.

Последовательность операций способа преобразования следующая. В начале производят операцию деления исходного напряжения на n равных составляющих напряжений с изменением значений составляющих напряжения в определенное число раз, размещая на одном трансформаторе n или n/2 одинаковых вторичных обмоток с требуемым коэффициентом трансформации. Затем производят выделение абсолютных значений составляющих напряжений, т.е. выпрямления напряжений в выпрямительных ячейках. После этого в каждом интервале производят изменения общего мгновенного абсолютного значения напряжения путем сложения выделенных абсолютных значений составляющих напряжений и тока следующим образом. В первом интервале все выделенные абсолютные значения составляющих напряжений складываются и при четырех составляющих общее напряжение - U_cyм=4U₂ (фиг.2а). Во втором интервале производится сложение токов двух составляющих и напряжение трех и общее напряжение - U_cyм=3U₂ (фиг.2б). В третьем - по две составляющих в режиме сложения токов и напряжения и общее - U_cум=2U₂ (фиг.2в), или три составляющих в режиме сложения токов, а две в режиме сложения напряжения и общее тоже - U_cyм=2U₂ (фиг.2г). В четвертом - все в режиме сложения токов и U_cyм=U₂ (фиг.2д). Разбиения на интервалы производят таким образом, чтобы в пределах каждого интервала напряжение на выходе выпрямителя было бы больше, чем на конденсаторе фильтра, т.е. сетевой ток будет образован последовательно токами каждого интервала, и он не должен прерываться. Первый интервал начинается в момент t₀, время его действия t₀-t₂, при этом формируется - U_cум=4U₂ и в момент t₁ должно быть 4U₂>U₌, т.е. - t₁=arcsin(U₌/4U₂), t₁ - начало работы диодов устройства. В момент t₂ начинается второй интервал (t₂-t₃), - U_cyм=3U₂ и 3U₂>U₌, a t₂=arcsin(U₌/3U₂). Для t₃ будет соответственно, что t₃=arcsin(U₌/2U₂) и для - t₄=arcsin(U₌/U₂). Таким образом, для любого интервала t_i=arcsin{U₌/(n-i+1)U₂} (1), где n≥i>1.

На диаграммах фиг.1г ток показан без учета индуктивности трансформатора (пунктирная линия) и суммарная с учетом индуктивности (сплошная линия), а точками показана синусоида для сравнения. Для уменьшения влияния перепадов тока на границах, т.е. для выравнивания осциллограммы тока достаточно, чтобы ток, обусловленный составляющими на границе интервалов, снижался не до нуля, а на величину, определяемую коэффициентом перехода - К_п, который определяется отношением тока в начале i-того интервала (J_i.н) к току в конце предыдущего (J_(i-1).к), т.е. К_п=J_i.н/J_(i-1).к, и при этом на каждой границе интервалов К_п может иметь свое значение и выбирается для каждого устройства в зависимости от его мощности. В этом случае границы интервалов будут определяться выражением:

t_i=arcsin[{(r_вн.(i-1)-К_пir_вн.i)U₌}/{(r_вн.(i-1)В_i-К_{п i}r_вн.iB_(i-1)U₂}] (2), где n≥i>1, B_i=(n-i+1), B_(i-1)=(n-i+2).

Для того чтобы повысит КПД, нужно уменьшить перепады суммарных напряжений на границах интервалов, для чего амплитуду m или 2m составляющих из всех n принимаем равной U₂/2^m половине амплитуды остальных, т.е. амплитуды уменьшаются в 2^m раз и для первой (m=1) амплитуда 0,5U₂, для второй (m=2) - 0,25U₂, и чем больше m, тем меньше перепад напряжений на границах, т.к. режим сложений напряжений позволяет максимальный перепад уменьшить в 2^m раз, что хорошо видно на диаграммах фиг.1, 1в, 2в, 3в. В этом случае разбиение производится на (n-m)2^m (3) или (n-2m+1)2^m-1 интервала (4) соответственно для первого и второго с третьим устройствами. Принимаем напряжение одной из четырех составляющих равной 0,5U₂, т.е. m=1, и тогда получим вид диаграмм для напряжения на фиг.1, 2 - а, б, в и для тока 2г и соответственно для первого устройства в этом случае (n-m)2^m=6, и В_i=(n+1-m-i/2^m)=(n-i/2), B_(i-1)=(n+1+1/2^m-m-i/2^m)=(n+0,5-i/2), а для второго и третьего устройства число интервалов - (n-2m+1)2^m-1 и

при m=1 В_i=(n-0,5-i/2), B_(i-1)=(n-i/2),

при m>1 B_i=(n-2^m-1-1/2^m-i/2^m), B_(i-1)=(n-2^m-1-i/2^m).

При m=2 для первого устройства число интервалов будет (n-m)2^m=8 и получим диаграммы, приведенные на фиг.1, 3 - а, б, в, г, и сравнивая диаграммы тока фиг.1г, видим, что увеличение m приближает диаграмму тока к форме синусоиды и уменьшает выбросы напряжения фиг.1в, увеличивая этим КПД устройства.

На фиг.3 представлена блок-схема первого устройства для осуществления способа. Устройство содержит силовой трансформатор 1, первичная обмотка которого включена в сеть. Вторичная обмотка 2 соединена через обмотку 3 дросселя 4 с входами мостового выпрямителя 5, подключенного первым выходом к первому выходу выпрямительной ячейки 6, к одному выводу конденсатора фильтра 7, подключенному к выходу устройства, и к первому диоду 8 первой последовательной цепи, а второй выход мостового выпрямителя 5 соединен с вторым выходом выпрямительной ячейки 6, первым диодом 9 второй последовательной цепи и с полупроводниковым ключом 10. Второй вывод диода 8 подключен ко второму выводу ключа 10, к диоду 11 первой цепи и первому выходу второй ячейки 12, выполненной на мостовом выпрямителе 13, вторичной обмотке 14 и обмотке 15 дросселя 4. Второй выход ячейки 12 соединен с вторым выводом диода 9, диодом 16 второй цепи и ключом 17. Второй вывод диода 11 подключен к второму выводу ключа 17, к диоду 18 первой цепи и первому выходу третьей ячейки 19, выполненной на мостовом выпрямителе 20, вторичной обмотке 21 и обмотке 22 дросселя 4. Второй выход ячейки 19 соединен со вторым выводом диода 16, диодом 23 второй цепи и ключом 24. Второй вывод диода 18 подключен ко второму выводу ключа 24, первому выходу четвертой ячейки 25, выполненной на мостовом выпрямителе 26, вторичной обмотке 27 и обмотке 28 дросселя 4. Второй выход ячейки 25 соединен со вторым выводом диода 23, с общим проводом и выходом устройства. Управляющие входы всех ключей подключены к выходам блока управления 29, первых вход которого соединен с конденсатором 7 и выходом устройства, а второй - с первым выходом ячейки 25. Блок управления 29 содержит параллельный АЦП 30, первый вход которого подключен к первому входу блока управления 29, второй - ко второму, а цифровые выходы - к выходам блока управления и соответственно первый выход к управляющему входу ключа 10, второй выход - ключу 17 и третий выход - к ключу 24.

Устройство при n=4 и m=0 работает следующим образом. Включение ключей 10, 17 и 24, определяющих режим работы устройства, производится сигналом с блока управления 29 во время границы между интервалами. Напряжение, поступающее с конденсатора 7 и выхода устройства на первый вход блока 29, поступает на первый вход параллельного АЦП 30 - вход эталонного напряжения. На второй вход АЦП 30 - вход аналогового сигнала - напряжение (U₂ фиг.1, 1б) поступает с выхода ячейки 25 фиг.3. Напряжение, поступающее на первый вход, преобразуется в набор эталонных напряжений в соответствии со значениями, полученными из формулы (1). Первый интервал с начала полупериода – t₀ и число разрядов в АЦП - 3, т.е. число разрядов равно числу ключей. Во время первого интервала все ключи открыты. При этом напряжение с выхода ячейки 25 через ключ 24 поступает на диод 23 и закрывает его, а напряжение с выхода ячейки 19 через ключ 24 закрывает диод 18 и в результате ячейка 25 работает в последовательном режиме с ячейкой 19. Через открытый ключ 17 напряжение с выхода ячейки 19 закрывает диод 16, а с выхода ячейки 12 - диод 11 и аналогично ячейкой 12 через ключ 10 закрывается диод 9 и ячейкой 6 - диод 8. В результате все ячейки включены последовательно, т.е. все составляющие работают в режиме сложения напряжения, на выходе - U_cyм=4U₂ и их соединение на схеме на фиг.2а. При изменении поступающего мгновенного абсолютного значения напряжения на аналоговый вход на выходе АЦП 30 формируется нормальный единичный код, и на первом младшем выходе АЦП сигнал появится, когда растущее напряжение на втором входе (U₂ фиг.1, 1б) будет соответствовать 3U₂sinwt=U₌ - (t₂), по этому сигналу ключ 10 закроется и начнется второй интервал - t₂. При закрывании ключа 10 ячейка 6 будет работать параллельно ячейке 12, т.к. диод 8 с ячейкой 12 образуют цепь, параллельно которой подключены ячейка 6 и диод 9. В этом случае получаем, что три ячейки 12, 19 и 25 включены последовательно, а ячейка 6 подключена параллельно ячейке 12, т.е. две составляющих работают в режиме сложения токов, а три в режиме сложения напряжения, и, следовательно, формируется напряжение U_cyм=3U₂ - их соединение на схеме фиг.2б. Когда напряжение на втором входе АЦП станет соответствовать 2U₂sinwt=U₌, то на втором выходе появится сигнал, по которому закроется ключ 17 и начнется третий интервал - t₃. В результате ячейка 19 подключится параллельно ячейкам 12 и 6, т.е. три составляющих работают в режиме сложения токов и одна в режиме сложения напряжения с тремя другими, и, следовательно, формируется напряжение U_сум=2U₂, и их соединение - схема на фиг.2г. Дальнейший рост напряжения на втором входе АЦП 30 приведет к появлению сигнала на третьем выходе АЦП (U₂sinwt=U₌) и ключ 24 закроется и тогда последняя ячейка 25 подключится параллельно к остальным. В этом случае напряжение с выхода ячейки 25 через цепь диодов 18, 11 и 8 поступает на выход устройства, а напряжение с выхода ячейки 19 - через цепь диодов 11 и 8 и через диод 23. Аналогично выходное напряжение с ячеек 12 и 6 поступает на выход соответственно через диоды 8, 16 и 23 и через диоды 9, 16 и 23. Таким образом, напряжение с выхода каждой ячейки поступает на выход через равное число диодов, и все они формируют одно напряжение, равное напряжению одной ячейки, одной составляющей и равно U_сум=U₂, т.е. все ячейки (составляющие) включены параллельно фиг.2д. Затем напряжение на втором входе АЦП 30 начнет уменьшаться и сигналы с выходов будут включать последовательно ключи в обратном порядке - ключ 24, 17 и затем 10, переключая ячейки поочередно в последовательный режим. С началом следующего полупериода процесс повторится. При n=4 и m>0 устройство работает в основном аналогично. Отличие в том, что U_cyм будет изменяется с шагом меньше U₂, например при m=1 шаг 0,5U₂, при m=2 шаг 0,25U₂ и т.д. Интервалов будет больше, чем число ключей (формул 3), и когда составляющая с амплитудой меньше U₂ будет подключатся параллельно к другой или ко всем остальным, у которых амплитуда U₂, то она будет отключаться, т.к. напряжение, поступающее по диодам последовательных цепей, будет больше, чем напряжение обмотки, и выпрямительный мост этой ячейки будет закрыт.

При увеличении мощности индуктивность трансформатора уменьшается, что может привести к искажениям формы тока. Для уменьшения искажений формы тока обмотки трансформатора 2, 14, 21 и 27 подключаются к мостовым выпрямителям соответственно 5, 13, 20 и 26 через обмотки 3, 15, 22 и 28 дросселя 4, т.к. это обмотки одного дросселя, то за счет магнитной свези между собой они выравнивают токи в обмотках трансформатора, а на границах интервалов уменьшают перепады тока, т.е. уменьшают искажения тока.

На фиг.4 представлена блок-схема второго устройства для осуществления способа. Устройство содержит силовой трансформатор 1, первичная обмотка которого включена в сеть. Вторичная обмотка 31 соединена с входами мостового выпрямителя 32, подключенного вторым выходом ко второму выходу выпрямительной ячейки 33, первому диоду 34 и второму полупроводниковому ключу 35, а первым - к первому ключу 36. Отвод от середины обмотки 31 через диод 37 соединен с первым выходом ячейки 33, со вторым выводом ключа 36, выходом устройства, конденсатором фильтра 7 и диодом 38. Второй вывод диода 38 соединен с вторым выводом ключа 35 и с первым выходом второй ячейки 39, выполненной на диоде 40, вторичной обмотке 41, ключе 42 и мостовом выпрямителе 43. Мост 43 вторым выходом соединен со вторым выходом ячейки 39, со вторым выводом диода 34 и общим проводом. Первый выход моста 43 соединен через ключ 42 с первым выходом ячейки 39 и диодом 40, который вторым выводом подключен к отводу обмотки 41 и к второму входу блока управления 29, первый вход которого соединен с выходом устройства и конденсатором 7, а выходы с управляющими входами ключей 35, 36 и 42. Блок управления 29 содержит параллельный АЦП 30, первый вход которого подключен к первому входу блока 29, второй - ко второму, а цифровые выходы к входам преобразователя кода 44, соединенного цифровыми выходами с выходами блока 29.

Работу этого устройства рассмотрим при условии, что две составляющие имеют амплитуды 0,5 остальных, т.е. обмотка 31 формирует напряжение U₂, обмотка 41 - 2U₂. Одна половина обмоток - одна составляющая напряжений. Включение ключей 35, 36 и 42, определяющих режим работы устройства, производится также сигналом с блока управления 29. Напряжение поступает с конденсатора 7 на первый вход АЦП 30 - вход эталонного напряжения. На второй вход АЦП 30 - вход аналогового сигнала - напряжение (U₂ фиг.1, 2б) поступает с отвода от середины обмотки 41 ячейки 39 фиг.4. Напряжение, поступающее на первый вход, преобразуется в набор эталонных напряжений в соответствии со значениями, полученными из формулы (4), при этом количество разрядов АЦП 30 будет - 4, пять интервалов и начало первого интервала - t₀. Однако 4>3, т.е. ключей меньше, чем разрядов. Во время первого интервала ключи 35, 36 и 42 открыты. Первые полупроводниковые ключи 36 и 42 переключают ячейки 33 и 39 из режима мостового выпрямления в режим двухполупериодный. Когда они открыты, напряжения с выхода моста 32 и 43 поступают на выходы ячеек 33 и 39 и закрывают соответственно диоды 37 и 40. В этом случае ячейки работают по схемам мостовых выпрямителей и на выходе ячейки 33 - U₂, а на выходе ячейки 39 - 2U₂. Когда ключ 35 открыт, напряжение с выхода ячейки 39 через ключ 35 поступает на второй выход ячейки 33 и на диод 34 и закрывает последний, а напряжение с выхода ячейки 33 закрывает диод 38. В результате ячейки включены последовательно, т.е. все составляющие в первом интервале работают в режиме сложения напряжения, на выходе - U_cум=3U₂ и их соединение на схеме на фиг.2а. Когда возрастающее напряжение на втором входе АЦП 30 достигает первого уровня, соответствующего условию 2,5U₂sinwt=U₌, то на первом выходе АЦП 30 появляется сигнал, по которому преобразователь кода 44 подает сигнал на ключ 36, который закрывает его. При закрывании ключа 36 мостовой выпрямитель 32 отключается от выхода ячейки 33, открывается диод 37 и ячейка 33 переходит в режим двухполупериодного выпрямления и на ее выходе напряжение 0,5U₂, а общее напряжение - U_сум=2,5U₂, т.е. две составляющие работают в режиме сложения токов (ячейка 33) и три - сложение напряжений фиг.2б. При дальнейшем увеличении напряжения на втором входе АЦП 30, когда 2U₂sinwt=U₌, и на втором выходе АЦП 30 появится сигнал, который поступит на второй вход преобразователя 44. По сигналам с первого и второго выходов АЦП 30 преобразователь 44 выдает сигнал для открывания ключа 36 и закрывания ключа 42. В результате ячейка 33 работает в режиме мостового выпрямителя, ее выходное напряжение - U₂, а ячейка 39 - двухполупериодный режим - ее выходное напряжение тоже U₂ и общее напряжение - U_cум=2U₂, т.е. составляющие по 0,5U₂ работают в режиме сложения напряжения, а составляющие по U₂ в режиме сложения токов между собой и в режиме сложения напряжения с остальными фиг.2е. Затем аналогично на третьем выходе АЦП 30 появиться сигнал, когда 1,5U₂sinwt=U₌. По сигналам с трех выходов АЦП 30 преобразователь 44 выключит ключ 36 и оставит ключ 42 в выключенном состоянии. Ячейка 33 перейдет в двухполупериодный режим - ее выходное напряжение - 0,5U₂, у ячейки 39 выходное напряжение останется U₂ и тогда общее - U_cyм=1,5U₂, т.е. по две составляющих напряжения работают в режиме сложения токов и напряжений, схема на фиг.2в. На четвертом выходе АЦП 30 появится сигнал, когда U₂sinwt=U₌, и наступит пятый интервал. По сигналам с четырех выходов АЦП 30 (напряжение на втором входе АЦП превышает все уровни) преобразователь 44 включит ключ 36, выходное напряжение ячейки 33 станет U₂, оставит в выключенном состоянии ключ 42 - выходное напряжение ячейки 39 - U₂ и выключит ключ 35. В результате этого выходное напряжение ячейки 33 через диод 34 поступит на выход устройства, а выходное напряжение ячейки 39 через диод 38 также поступит на выход устройства, т.е. выпрямительные ячейки работают параллельно, а составляющие по 0,5U₂ в режиме сложения напряжения между собой и в режиме сложения токов с остальными, и составляющие по U₂ в режиме сложения токов (фиг.2ж) и выходное напряжение U_cyм=U₂. В пятом интервале напряжение на втором входе АЦП 30 начинает уменьшаться и сигналы на его выходах исчезают в обратной последовательности и преобразователь 44 по этим сигналам переключает ключи для обеспечения требуемого суммарного выходного напряжения в каждом интервале. Когда число ключей не соответствует количеству разрядов в АЦП 30, преобразователь 44 преобразовывает нормальный единичный код с выхода АЦП 30 в управляющие сигналы для соответствующего количества ключей. В этом устройстве по сравнению с первым составляющие с амплитудой 0,5U₂ не отключаются при параллельном подключении к остальным фиг.2ж. Кроме этого общее число диодов меньше, чем в предыдущем, что увеличивает надежность устройства.

На фиг.5 приведена блок-схема третьего устройства для осуществления способа. Устройство содержит силовой трансформатор 1, первичная обмотка которого включена в сеть. Вторичная обмотка 31 соединена с входами мостового выпрямителя 32, подключенного одним выходом к первому ключу 36, а другим - ко второму выходу ячейки 33, диоду 34, конденсатору фильтра 7, к выходу устройства и первому входу блока 29 и АЦП 30. Отвод от середины обмотки 31 через диод 38 соединен с общим проводом, а через второй ключ 35 подключен к ключу 36, первому выходу ячейки 33, ко второму выводу диода 34 и к первому выходу ячейки 39 - к точке соединения диода 40 с первым ключем 42. Ячейка 39 выполнена на обмотке 41, диоде 40, ключе 42 и мостовом выпрямителе 43. Обмотка 41 подключена к мосту 43, второй выход которого соединен со вторым выходом ячейки 39 и общим проводом, а первый через последовательно соединенные ключ 42 и диод 40 с отводом от середины обмотки 41, который подключен ко второму входу блока 29 и АЦП 30. Цифровые выходы АЦП 30 подключены к цифровым входам преобразователя 44, а младший разряд подключен к счетному входу двоичного счетчика 45, цифровые входы которого подключены к первой части дополнительных цифровых входов преобразователя 44, вторая часть которых подключена к дополнительным управляющим входам блока 29.

Устройство на фиг.5 работает следующим образом. Блок управления 29 формирует сигналы для ключей так же, как и в первых устройствах. Наличие счетчика 45 позволяет при работе использовать все варианты соединения составляющих. Например, напряжение U_сум=2U₂ можно получить, соединив составляющие по схемам фиг.2 в, г, и, а U_сум=3U₂ по схемам фиг.2 б, з и е. Использование одного варианта приводит к неравномерному нагреву трансформатора, что ухудшает его работу. Счетчик 45 изменяет свое состояние по сигналу младшего разряда с выхода АЦП 30 в каждом полупериоде, что позволяет использовать любое сочетание вариантов соединения составляющих. Код с выходов счетчика 45 поступает на дополнительные входы преобразователя 44 (например, адресные) и изменяет этим выходные сигналы преобразователя 44, при тех же входных. В первом интервале блок управления 29 удерживает в открытом состоянии ключи 36 и 42. Когда ключ 42 открыт, ячейка 39 работает в режиме мостового выпрямления, на выходе ячейки 39 - 2U₂, и напряжение с выхода ячейки 39 через ключ 36, один из открытых соответствующих диодов моста 32 и половины обмотки 31 поступает на диод 38 и закрывает его. При открытом ключе 36 ячейка 33 работает в режиме мостового выпрямления и напряжение с ее выхода поступает на диод 34 и закрывает его и в результате ячейки 33 и 39 включаются последовательно и на выходе устройства формируется U_сум=4U₂. Во втором интервале (t₂-t₃) блок управления 29 закрывает ключ 42 и ячейка 39 переходит в режим двухполупериодного выпрямления, ее напряжение U₂, а на выходе - U_сум=3U₂. В третьем интервале (t₃-t₄) блок 29 закрывает ключ 36, открывает ключ 35 и удерживает ключ 42 закрытым. В результате ячейка 33 переходит в режим двухполупериодного выпрямления, а напряжение с выхода ячейки 39 через ключ 35 поступает на диод 38 и закрывает его и получаем: ячейка 33 - U₂, ячейка 39 - U₂ и U_сум=2U₂. В четвертом интервале (t₄-t₅) закрыты все ключи и напряжение - U₂ с ячейки 39 через открытый диод 34 поступает на выход, а напряжение - U₂ с выхода ячейки 33 через диод 38 также поступает на выход, т.е. ячейки работают параллельно и на выходе U_сум=U₂. В четвертом интервале напряжение на втором входе АЦП 30 начинает уменьшаться и до окончания полупериода блок управления будет переключать ключи, т.е. режимы работы, в обратной последовательности. Дополнительные управляющие входы блока 29 позволяют управлять режимом работы устройства, например устанавливать выходное напряжение, соответствующее как U₂, 2U₂ или 3U₂, получать на выходе выпрямителя несколько напряжений при соответствующем общем n, сохраняя характеристику потребляемого тока при всех выходных напряжениях, т.е. дополнительные входы расширяют функциональные возможности устройства.

В предлагаемом способе и устройствах используется один трансформатор с n или n/2 вторичными обмотками, которые в процессе работы не отключаются, а переключаются из последовательного режима работы в параллельный. Разделение на интервалы производится во вторичной цепи, что позволяет использовать для этих целей обычные микросхемы. Начало первого интервала в момент t₀ и действует t₀-t₂, а вторая часть этого интервала заканчивается с окончанием полупериода (каждый интервал состоит из двух участков), то это позволяет уменьшить число разрядов в АЦП 30, т.к. не нужно определять t₁ в АЦП. Полупроводниковые ключи находятся во вторичных цепях трансформатора и под напряжением U₂ или 2U₂. Все это упрощает устройство и снижает требования к полупроводниковым элементам. Включение обмоток дросселя в цепь переменного тока уменьшает его размеры из-за отсутствия постоянной составляющей в нем и от того, что он рассчитывается на частоту в 2n или 4n-4 раз больше, чем сетевая, и снижает выбросы тока во вторичных обмотках при работе полупроводниковых ключей, а следовательно, и в первичной цепи трансформатора, что дополнительно уменьшает искажения потребляемого тока. Когда через мосты и диоды проходит максимальный ток, все обмотки включены параллельно, т.е. ключи выключены и через них не проходит максимальный ток, а ток через обмотки будет I_мак./n.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в качестве вторичного источника электропитания различного назначения. Сущность способа сводится к разбиению каждого полупериода сетевого напряжения на n-временных интервалов. Деление исходного напряжения на n равных составляющих напряжений с изменением значений составляющих в определенное число раз. Выделение абсолютных значений составляющих и изменение в каждом интервале мгновенных абсолютных значений напряжений, путем сложения мгновенных абсолютных значений составляющих напряжений и токов, обусловленных абсолютными значениями составляющих напряжений. Кроме этого у m или 2m составляющих амплитуды могут быть 1/2^m от остальных. Начало каждого из n интервалов и их количество определяют из соответствующих формул. Способ реализуется устройством, содержащим сетевой трансформатор с n или n/2 вторичными обмотками, подключенными соответственно к n или n/2 выпрямительным ячейкам. Первые и вторые выходы ячеек соединены двумя последовательными цепями из n-1 или (n/2)-1 диодов и каждый второй выход ячейки соединен с первым выходом следующей через n-1 или (n/2)-1 полупроводниковый ключ. Управляющие входы ключей подключены к блоку управления. Сигналы с блока управления включают ячейки в последовательный и/или параллельный режим работы в каждом интервале полупериода. Это уменьшает искажения формы потребляемого тока и увеличивает функциональные возможности, что является техническим результатом. 6 с. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Способ преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение, включающий операции разбиения каждого полупериода напряжения на n временных интервалов, при этом каждый временной интервал состоит из двух участков, расположенных симметрично относительно амплитудных значений переменного напряжения, выделения абсолютных значений составляющих напряжений и сложения токов, обусловленных выделенными абсолютными значениями составляющих, отличающийся тем, что вначале производят деление переменного напряжения на n равных составляющих напряжений с изменением значений составляющих напряжения в определенное число раз, затем производят выделения абсолютных значений измененных составляющих напряжений, после этого в каждом временном интервале производят изменения общего мгновенного абсолютного значения напряжения путем сложения мгновенных абсолютных значений составляющих напряжений и токов, обусловленных абсолютными значениями составляющих напряжений, и начало (t_i) каждого из n временных интервалов, кроме первого, определяют из формул

t_i=arcsin{U=/(B_iU₂}, и/или

t_i=аrcsin[{(r_вн.(i-1)-К_пir_вн.i)U=}/{(r_вн.(i-1)В_i-K_пir_вн.iB_(i-1))U₂}],

где n>i>1, B_i=(n-i+1), B_(i-1)=(n-i+2); U₌ - постоянное выходное напряжение; U₂ - максимальное значение составляющей напряжения; r_вн.i и r_вн.(i-1) - суммарное внутреннее сопротивление всех составляющих соответственно в i-ом и (i-1) временных интервалах; K_пi - коэффициент перехода, определяемый отношением тока в начале i-того временного интервала I_(i).н к току в конце предыдущего I_(i-1).к.

t_i=arcsin{U=/(B_iU₂)}, и/или

t_i=аrcsin[{r_вн.(i-1)-К_пir_вн.i)U=}/{(r_вн.(i-1)B_i-K_пir_вн.iB_(i-1))U₂}],

где h>i>1; n>m; B_i=(n+1-m-i/2^m); В_(i-1)=(n+1+1/2^m-m-i/2^m); U₌ - постоянное выходное напряжение, U₂ - максимальное значение составляющей напряжения, r_вн.i и r_вн.(i-1) - суммарное внутреннее сопротивление всех составляющих соответственно в i-ом и (i-1) временных интервалах; К_пi - коэффициент перехода, определяемый отношением тока в начале i-того временного интервала I_(i).н к току в конце предыдущего I_(i-1).к.

h=(n-2m+1)2_m-1,

а начало (t_i) каждого из временного интервалов, кроме первого, определяют из формул

t_i=arcsin{U₌/(B_iU₂)}, и/или

t_i=аrcsin[{(r_вн.(i-1)-К_пir_вн.i)U₌}/{(r_вн.(i-1)B_i-K_пir_вн.iB_(i-1))U₂}],

где h>i>1; n>2m; U₌ - постоянное выходное напряжение, U₂ - максимальное значение составляющей напряжения; r_вн.i и r_вн.(i-1) - суммарное внутреннее сопротивление всех составляющих соответственно в i-ом и (i-1) временных интервалах; К_пi - коэффициент перехода, определяемый отношением тока в начале i-того временного интервала I_(i).н к току в конце предыдущего I_(i-1)· _к, и при m=1 В_i=(n-0,5-i/2), B_(i-1)=(n-i/2), а при m>1 В_i=(n-2^m-1-1/2^m-i/2^m), В_(i-1)=(n-2^m-1-i/2^m).