СПОСОБ ИМПУЛЬСНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H02M3/335 H02M3/325 H02M3/337 

Изобретение относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике, в частности к преобразователям постоянного напряжения в переменное - инверторам и регуляторам напряжения, и предназначена для использования в автономных системах электропитания и в электроприводах перспективных авиакосмических летательных аппаратах с преимущественно или полностью электрифицированным приводным оборудованием.

Известен способ импульсного преобразования постоянного напряжения (аналог), при котором увеличение энергии дозирующего двухобмоточного дросселя производится на этапе замкнутого состояния регулирующего ключа от источника питания, а на этапе разомкнутого его состояния указанная энергия частично или полностью передается в нагрузку через обратно включенный выпрямительный диод [Поликарпов А.Г., Сергиенко Е.Ф. Однотактные преобразования напряжения в устройствах электропитания РЭА, - М.: Радио и связь, 1989 г., стр.61, 67, 68].

Недостатками данного способа (аналога) являются пониженная эффективность преобразования из-за значительных потерь в двухобмоточном дросселе, так как мощность преобразования обеспечивается только пульсацией электромагнитной энергии - этого основного компонента, и частотой преобразования, и большая величина напряжения на разомкнутом регулирующем ключе, превышающая напряжение питания, с дополнительным коммутационным выбросом из-за индуктивности рассеяния обмотки дозирующего дросселя и резким набросом тока в дополнительный диод, а также трудность обеспечения безопасной траектории коммутации транзисторного ключа. Это приводит к необходимости завышения установочной мощности силового ключа и дозирующего дросселя для получения необходимой надежности, что вызывает ухудшение энергетических, массогабаритных и экономических показателей преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемым являются способ импульсного преобразования постоянного напряжения и устройство для его реализации (прототип) [Патент на изобретение №2125334. Способ обратноходового импульсного преобразования постоянного напряжения, Кабелев Б.В., Бюл. №2 от 20.01.99 г.].

Недостатком указанных известных способа импульсного преобразования постоянного напряжения и устройства для его реализации (прототипа) являются его узкие функциональные возможности, а именно неспособность получения выходного напряжения с произвольно задаваемой периодически-непрерывной формой, в частности синусоидальной.

Техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей способа и устройства для его реализации, а именно получение выходного напряжения с произвольно задаваемой периодически-непрерывной формой, в частности синусоидальной.

Указанный технический результат обеспечиваются благодаря тому, что в способе импульсного преобразования постоянного напряжения, в соответствии с которьм энергию от источника питания постоянного тока непрерывно передают непосредственно подключенной к нему двухконденсаторной емкостной стойке, причем с помощью импульсного управления двумя регулируемыми ключами на первом этапе каждого периода высокочастотного периодического процесса дозирования осуществляют накопление энергии в дозирующем дросселе путем его подключения к одному из двух конденсаторов стойки через замкнутый один из двух регулирующих ключей при разомкнутом другом ключе, а на его втором этапе энергию, накопленную на первом этапе, передают в другой конденсатор стойки при разомкнутых состояниях обоих ключей от дозирующего дросселя через один из двух выпрямительных диодов, энергию, накапливаемую в конденсаторах стойки и в дозирующем дросселе, вместе с энергией источника питания непрерывно передают в нагрузку переменного тока по двунаправленной цепи между средними выводами источника питания и емкостной стойки, периодически изменяя величину и полярность напряжения нагрузки на чередующихся полупериодах низкочастотного периодического процесса, для чего на этапах длительности каждого его периода, при которых напряжение нагрузки нарастает, энергию, накопленную в первом конденсаторе емкостной стойки и из источника питания дозированно передают во второй конденсатор и в нагрузку, а на этапах длительности того же периода, при которых напряжение нагрузки спадает или остается неизменным, энергию из второго конденсатора стойки и из источника питания дозированно передают в первый конденсатор и в нагрузку, и БЛАГОДАРЯ тому, что с помощью блока управления сравнивают мгновенные значения сигнала датчика напряжения нагрузки с эталонным сигналом заданной низкочастотной периодической формы и формируют регулируемые высокочастотные периодические импульсы, управляя моментами коммутации регулирующих ключей с отрицательной обратной связью в зависимости от знака и величины разности мгновенных значений указанных сигналов, а также благодаря тому, что УСТРОЙСТВО для реализации предложенного способа, содержащее источник питания постоянного тока и подключенный к его разнополярным выводам полумостовой преобразователь, состоящий из параллельно между собой соединенных крайними выводами двухконденсаторной емкостной стойки и двухключевой электронной стойки, зашунтированной обратной двухдиодной выпрямительной стойкой, дозирующего дросселя, включенного между средними выводами емкостной и электронной стоек, и схемы управления, выходные выводы которой подключены к управляющим выводам регулирующих ключей электронной стойки, а цепь обратной связи подключена к сигнальному выводу датчика напряжения, установленного между выходными выводами устройства для подключения нагрузки, и, кроме того, благодаря тому, что источник питания выполнен со средним нейтральным выводом, который вместе со средним выводом емкостной стойки подключен к выходным выводам устройства для подключения нагрузки, а схема управления состоит из формирователя импульсов, узла сравнения и источника эталонного периодического сигнала, выход которого вместе с сигнальным выводом датчика напряжения подключен к входу узла сравнения, подключенного своим выходом через формирователь импульсов к выходным выводам схемы управления, и, наконец, благодаря тому, что устройство для реализации предложенного способа состоит из «m» вышеуказанных полумостовых преобразователей и общего источника питания, средний нейтральный вывод которого подключен к общему нулевому выводу «m»-фазной группы выходных выводов устройства для подключения «m»-фазной нагрузки.

Лабораторные испытания устройства для реализации заявляемого способа и исследования на компьютерной модели показали их работоспособность и пригодность для широкого применения в промышленности.

Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена структурно-принципиальная схема устройства, представляющего одну из возможностей реализации предложенного способа импульсного преобразования постоянного напряжения с однофазным выходом.

На фиг.2 приведена аналогичная схема устройства с «m»-фазным выходом.

Предложенный способ реализован в устройстве, представленном на фиг.1. Устройство содержит источник 1 питания постоянного тока и подключенный к его разнополярным выводам 2, 3 полумостовой преобразователь 4 (по схеме инвертора), состоящий из параллельно между собой соединенных крайними выводами двухконденсаторной емкостной стойки 5-6 и двухключевой электронной стойки 7-8, зашунтированной обратной двухдиодной выпрямительной стойкой 9-10, дозирующего дросселя 11, включенного между средними выводами емкостной и электронной стоек, и схемы управления 12. Датчик напряжения 13 в цепи обратной связи схемы управления включен между выводами 14, 15 устройства для подключения нагрузки.

Источник питания выполнен со средним нейтральным выводом 16. Схема управления состоит из формирователя 17 импульсов, узла 18 сравнения, источника 19 эталонного периодического сигнала и выходных выводов 20 и 21. Выходные выводы для подключения «m»-фазной нагрузки содержат нулевой вывод 22 их «m»-фазной группы 23.

Выходные выводы 20, 21 схемы управления 12 подключены к управляющим выводам регулирующих ключей электронной стойки 7-8, а ее цепь обратной связи подключена к сигнальному выводу датчика напряжения 13, установленного между выходными выводами 14, 15 устройства. Выход источника 19 эталонного периодического сигнала вместе с сигнальным выводом датчика напряжения 13 подключены к входу узла сравнения 18, подключенного своим выходом через формирователь импульсов 17 к входным выводам 20, 21 схемы управления.

Устройство для реализации предложенного способа применительно к «m»-фазной нагрузке переменного тока (см. фиг.2) состоит из «m» вышеуказанных полумостовых преобразователей 4 и общего источника питания 1, средний нейтральный вывод 16 которого подключен к общему нулевому выводу 22 «m» фазной группы 23 выходных выводов устройства.

Устройство для реализации предложенного способа импульсного преобразования постоянного напряжения (см. фиг.1) работает следующим образом.

На разнополярных выводах 2 и 3 источника питания с постоянным напряжением U_2,3=2V имеются положительный и отрицательный потенциалы +V и -V относительно нейтрального среднего вывода 16 с нулевым потенциалом vq. При выключенных ключах 7 и 8 и при подключенной к выходным выводам 14, 15 устройства активной или активно-индуктивной нагрузке устойчивым состоянием емкостной стойки 5-6 с равными по электроемкости конденсаторами будет равенство напряжений на конденсаторах и нулевой потенциал выходного вывода 15 относительно заземленного выходного вывода 14.

Если первый конденсатор 5 плавно-дозированно полностью разрядить, а второй 6 -зарядить до напряжения 2V, то потенциал вывода 15 плавно (например, по синусоиде) возрастет до величины +V. Если после этого второй конденсатор 6 также плавно-дозированно полностью разрядить, а первый 5 - зарядить до напряжения 2V, то потенциал вывода 15 упадет до величины -V. Далее указанные процессы периодически повторяются, что приведет к колебанию потенциала 15, а следовательно, и напряжения нагрузки по синусоидальному закону с относительно низкой частотой.

Процесс дозирования производится периодически высокочастотно с помощью электронной стойки 7-8, диодной стойки 9-10 и дозирующего дросселя 11, образующих вместе обратимый (двунаправленный) инвертирующий конвертор повышающе-понижающего типа. В этом процессе энергию от источника питания постоянного тока 1 непрерывно передают емкостной стойке 5-6, а через нее - нагрузке. При этом с помощью импульсного управления ключами 7, 8 на первом этапе каждого периода высокочастотного процесса дозирования осуществляют накопление энергии в дозирующем дросселе 11 путем его подключения к одному конденсатору стойки (например, 5) через замкнутый один регулирующий ключ (например, 7) при разомкнутом другом ключе (8), а на втором этапе передают в другой конденсатор (6) стойки при разомкнутых состояниях обоих ключей от дозирующего дросселя 11 через один из выпрямительных диодов (9). Указанный процесс циклически повторяется, передавая энергию в нагрузки при том или ином направлении тока в ней. Так, например, можно обеспечить пилообразное напряжение нагрузки и другое периодически-непрерывное.

Таким образом, энергию, накапливаемую в конденсаторах стойки и в дозирующем дросселе, вместе с энергией источника питания непрерывно передают в нагрузку переменного тока по двунаправленной цепи между средними выводами 16 (14) и 15 источника питания 1 и емкостной стойки 5-6, периодически изменяя величину и полярность напряжения (и тока) нагрузки на чередующихся полупериодах низкочастотного периодического (синусоидального) процесса. Для этого на этапах длительности каждого его периода, при которых напряжение нагрузки (U=V₁₅-V₁₄) нарастает, энергию, накопленную в первом конденсаторе 5 емкостной стойки и из источника питания 1, дозированно передают во второй конденсатор 6 и в нагрузку. На этапах длительности того же периода, при которых напряжение нагрузки U спадает или остается неизменным (стремясь спадать) энергию из второго конденсатора 6 стойки и из источника питания 1 дозированно передают в первый конденсатор 5 и в нагрузку.

Регулирование (в частности обеспечение синусоидальной формы и стабилизация амплитуды) напряжения нагрузки производят с помощью схемы управления, для чего с помощью блока управления 12, а именно в блоке сравнения 18, сравнивают мгновенные значения сигнала датчика напряжения 13 с эталонным сигналом его источника 19 заданной низкочастотной периодической (например, синусоидальной) формы и формируют формирователем 17 регулируемые высокочастотные периодические импульсы, управляя моментами коммутации регулирующих ключей 7, 8. Процессы регулирования и стабилизации производятся с отрицательной обратной связью в зависимости от знака и величины разности мгновенных значений указанных сравниваемых сигналов. Аналогично производится регулирование и стабилизация каждого из фазных напряжений «m»-фазной нагрузки, подключенной к «m»-фазной группе выходных выводов 23 (на фиг.2).

Из вышеизложенного следует, что в предлагаемой полезной модели обеспечивается заявленный технический результат: расширение функциональных возможностей способа и устройства для его реализации, а именно получение выходного напряжения с произвольно задаваемой периодически-непрерывной формой, в частности - синусоидального.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в преобразователях постоянного напряжения в переменное - инвертора-хм и регулятора-хм напряжения автономных систем электропитания и электроприводов перспективных авиакосмических летательных аппаратов с преимущественно или полностью электрифицированным приводным оборудованием. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей - получение выходного напряжения с произвольно задаваемой периодически-непрерывной формой, в частности синусоидального. В способе импульсного преобразования постоянного напряжения энергию от источника питания постоянного тока непрерывно передают непосредственно подключенной к нему двухконденсаторной емкостной стойке. Путем импульсного управления двумя регулируемыми ключами на первом этапе каждого периода высокочастотного периодического процесса дозирования осуществляют накопление энергии в дозирующем дросселе, подключая его к одному из двух конденсаторов стойки через замкнутый один из двух регулирующих ключей при разомкнутом другом ключе. На втором этапе энергию, накопленную на первом этапе, передают в другой конденсатор стойки при разомкнутых состояниях обоих ключей от дозирующего дросселя через один из двух выпрямительных диодов. Энергию, накапливаемую в конденсаторах стойки и в дозирующем дросселе, и энергию источника питания непрерывно передают в нагрузку переменного тока по двунаправленной цепи между средними выводами источника питания и емкостной стойки, периодически изменяя величину и полярность напряжения нагрузки на чередующихся полупериодах низкочастотного периодического процесса. На этапах длительности каждого его периода при нарастании напряжения нагрузки энергию, накопленную в первом конденсаторе емкостной стойки и источника питания, дозированно передают во второй конденсатор и в нагрузку. На этапах длительности того же периода при спадании напряжения нагрузки или при его неизменности энергию из второго конденсатора стойки и источника питания дозированно передают в первый конденсатор и в нагрузку.2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Способ импульсного преобразования постоянного напряжения, в соответствии с которым энергию от источника питания постоянного тока непрерывно передают непосредственно подключенной к нему двухконденсаторной емкостной стойке, причем с помощью импульсного управления двумя регулируемыми ключами на первом этапе каждого периода высокочастотного периодического процесса дозирования осуществляют накопление энергии в дозирующем дросселе путем его подключения к одному из двух конденсаторов стойки через замкнутый один из двух регулирующих ключей при разомкнутом другом ключе, а на его втором этапе энергию, накопленную на первом этапе, передают в другой конденсатор стойки при разомкнутых состояниях обоих ключей от дозирующего дросселя через один из двух выпрямительных диодов, отличающийся тем, что энергию, накапливаемую в конденсаторах стойки и в дозирующем дросселе, вместе с энергией источника питания непрерывно передают в нагрузку переменного тока по двунаправленной цепи между средними выводами источника питания и емкостной стойки, периодически изменяя величину и полярность напряжения нагрузки на чередующихся полупериодах низкочастотного периодического процесса, для чего на этапах длительности каждого его периода, при которых напряжение нагрузки нарастает, энергию, накопленную в первом конденсаторе емкостной стойки и из источника питания дозированно передают во второй конденсатор и в нагрузку, а на этапах длительности того же периода, при которых напряжение нагрузки спадает или остается неизменным, энергию из второго конденсатора стойки и из источника питания дозированно передают в первый конденсатор и в нагрузку.

2. Способ импульсного преобразования постоянного напряжения по п.1, отличающийся тем, что с помощью блока управления сравнивают мгновенные значения сигнала датчика напряжения нагрузки с эталонным сигналом заданной низкочастотной периодической формы и формируют регулируемые высокочастотные периодические импульсы, управляя моментами коммутации регулирующих ключей с отрицательной обратной связью в зависимости от знака и величины разности мгновенных значений указанных сигналов.

3. Устройство для импульсного преобразования постоянного напряжения, содержащее источник питания постоянного тока и подключенный к его разнополярным выводам полумостовой преобразователь, состоящий из параллельно между собой соединенных двухконденсаторной емкостной стойки и двухключевой электронной стойки, зашунтированной обратной двухдиодной выпрямительной стойкой, дозирующего дросселя, включенного между средними выводами указанных стоек, и схемы управления, выходные выводы которой подключены к управляющим выводам регулирующих ключей электронной стойки, а цепь обратной связи подключена к сигнальному выводу датчика напряжения, установленного между выходными выводами устройства для подключения нагрузки, отличающееся тем, что источник питания выполнен со средним нейтральным выводом, который вместе со средним выводом емкостной стойки подключен к выходным выводам устройства для подключения нагрузки, а схема управления состоит из формирователя импульсов, узла сравнения и источника эталонного периодического сигнала, выход которого вместе с сигнальным выводом датчика напряжения подключен к входу узла сравнения, подключенного своим выходом через формирователь импульсов к выходным выводам схемы управления.

4. Устройство для импульсного преобразования постоянного напряжения по п.3, отличающееся тем, что состоит из «m» вышеуказанных полумостовых преобразователей и общего источника питания, средний нейтральный вывод которого подключен к общему нулевому выводу «m»-фазной группы выходных выводов устройства для подключения «m»-фазной нагрузки.