Однофазный двухполупериодный выпрямитель Российский патент 2024 года по МПК H02M7/06 

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания. Схема может использоваться для выпрямителей с различной частотой коммутации и формой питающего напряжения.

В настоящее время известно устройство «Преобразователь переменного напряжения в постоянное» (SU 1042144; опубл. 15.09.83), содержащее трансформатор, выводами вторичной обмотки подключенный ко входу выпрямителя, и дроссели фильтров, причем их основные обмотки включены последовательно с диодами выпрямителя, а один из выходных выводов выпрямителя образует первый выходной вывод преобразователя, а второй выходной вывод выпрямителя связан со вторым выходным выводом преобразователя, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей, дроссели фильтров выполнены с дополнительными обмотками, при этом второй выходной вывод выпрямителя подключен ко второму выходному выводу преобразователя через включенные последовательно-согласно дополнительные обмотки дросселей фильтров.

Недостатком этого выпрямителя является использование избыточного количества дросселей и обмоток, дополнительное перемагничивание дросселей током нагрузки, что увеличивает габариты изделия в целом, кроме того, работа преобразователя будет сильно зависеть от характера и тока нагрузки. Кроме того, образующийся в первой обмотке дросселя ток будет вызывать ЭДС во второй обмотке, которое имеет знак, противоположных нагрузке, значит, нагрузка недополучит энергию от выпрямителя.

Наиболее близким техническим решением является однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой (RU 2737191; опубл. 25.11.2020), содержащий трансформатор со вторичной обмоткой, состоящей из двух полуобмоток, два прямых диода, два обратных диода и два дросселя фильтра, аноды прямых диодов подключены к свободным выводам полуобмоток вторичной обмотки трансформатора, катоды прямых диодов подключены к нагрузке через собственный дроссель фильтра, катоды обратных диодов связаны с катодами прямых диодов, а аноды обратных диодов подключены к средней точке выпрямителя.

Недостатком этого выпрямителя является включение в схему двух обратных диодов и режим - работы дросселей фильтра: каждый обратный диод работает каждый раз на обратной полуволне напряжения трансформатора, перемагничивая дроссели, тем самым препятствуя протеканию тока в нагрузку - напряжение в нагрузке будет существенно ниже напряжения вторичной обмотки трансформатора и будет сильно зависеть от тока нагрузки. Кроме того, через каждый дроссель фильтра будет непрерывно протекать ток, величиной больше тока нагрузки (добавится ток коммутации). Все это приводит к снижению эффективности выпрямителя и его удельной габаритной мощности. Описанное преимущество - уменьшение амплитуды импульсов тока, протекающего через диоды и обмотки трансформатора происходит за счет снижения уровня поступающего в нагрузку выпрямленного напряжения, что также является недостатком.

Технический результат заключается в повышении эффективности выпрямителя и его удельной габаритной мощности.

Указанный технический результат достигается за счет того, что в однофазном двухполупериодном выпрямителе со средней точкой, содержащем трансформатор с двумя вторичными обмотками, включенными согласованно в средней точке, два диода и дроссель, аноды диодов соединены со свободными выводами вторичной обмотки трансформатора, катод первого диода соединен со свободным выводом дросселя, второй вывод которого предназначен для подключения к нагрузке, и средняя точка трансформатора предназначена для подключения к нагрузке, дроссель выполнен из двух обмоток на общем магнитопроводе, катод второго диода подключен к свободному выводу второй обмотки дросселя, а обмотки дросселя соединены в точке подключения к нагрузке согласованно.

В предлагаемом устройстве описанные выше недостатки исключаются за счет изменения схемы:

- использован один дроссель с двумя обмотками;

- нет дополнительного перемагничивания током нагрузки - ток нагрузки равен току дросселя;

- в момент прямой проводимости диода энергия полностью поступает в нагрузку, использование схемы максимально эффективно;

- согласованное включение обмоток дросселя кратно снижает время закрытия диодов без образования контура короткого замыкания;

- отсутствие обратных диодов исключает дополнительное перемагничивание дросселя (нагрузку на дроссель);

- исключен второй дроссель;

- амплитуда тока через обмотки трансформатор соответствует амплитуде тока нагрузки.

Сущность заявляемого технического решения поясняется следующими графическими материалами: на фиг. 1 представлена электрическая схема однофазного двухполупериодного выпрямителя со средней точкой; на фиг. 2 приведены временные диаграммы токов и напряжений выпрямителя, (а) - диаграмма входного напряжения, (б) - диаграмма прямого тока диода 2, (в) - диаграмма прямого напряжения диода 2, (г) - диаграмма прямого напряжения диода 3, (д) - диаграмма прямого тока диода 3, (е) - диаграмма напряжения на обмотке дросселя 4, (ж) - диаграмма выпрямленного (выходного) напряжения; на фиг. 3 приведен фрагменты временных диаграмм режима выпрямителя с учетом индуктивности источника, (а) - диаграмма напряжения вторичной обмотки трансформатора 1, (б) - диаграмма напряжения на обмотке дросселя 4.

Схема однофазного двухполупериодного выпрямителя (фиг.1) содержит трансформатор 1 с первичной и двумя вторичными обмотками, соединенными согласованно, со средней точкой, к которой подключается нагрузка (-), два прямых диода 2, 3 и дроссель 4 с двумя обмотками, соединенными согласованно в точке подключения нагрузки (+). Аноды диодов 2 и 3 подключены к свободным выводам вторичных обмоток трансформатора 1, катоды прямых диодов 2 и 3 подключены к свободным выводам обмоток дросселя 4.

На фиг. 2 временные диаграммы показывают принцип работы выпрямителя: при подаче напряжения сети или инвертора (Uвх) на первичную обмотку трансформатора, на вторичных обмотках формируется ЭДС и напряжение (а - фиг. 2). При положительном полупериоде напряжения на верхней вторичной обмотке диод 2 открывается (в - фиг. 2), ток поступает в нагрузку через первую обмотку дросселя 4 (б - фиг. 2), напряжение подается на нагрузку (ж - фиг. 2), дроссель при этом намагничивается и ЭДС второй обмотки дросселя (е - фиг. 2) держит диод 3 в закрытом состоянии (г - фиг. 2), тока в диоде 3 нет (д - фиг. 2).

При пропадании положительного полупериода напряжения (снижении напряжения), ток через диод 2 продолжает поступать до тех пор, пока либо не упадет до ноля, либо пока не начнется отрицательный полупериод напряжения. При этом ЭДС второй обмотки дросселя 4 меняет знак на противоположный, открывая второй диод 3, то есть часть тока нагрузки течет через второй диод 3 и вторую обмотку дросселя 4. Ток в обмотках дросселя 4 в этот момент делится примерно поровну.

При появлении второй полуволны (положительной для диода 3) ток диода 3 увеличивается до значения тока нагрузки, дроссель 4 активно перемагничивается, ЭДС первой обмотки дросселя 4 меняет знак, запирая диод 2. Ток в нагрузку поступает только через диод 3. Тока в диоде 2 нет.

При пропадании положительного полупериода напряжения для диода 3, ток через диод 3 продолжает поступать до тех пор, пока либо не упадет до ноля, либо пока не начнется отрицательный полупериод напряжения. При этом ЭДС первой обмотки дросселя 4 меняет знак на противоположный, открывая первый диод 2, то есть часть тока нагрузки течет через первый диод 2 и первую обмотку дросселя 4. Ток в обмотках дросселя 4 в этот момент делится примерно поровну.

На следующем периоде напряжения питания картина повторяется.

При использовании питающего напряжения с резкой скоростью спада в обмотках трансформатора 1 возникают резкие скачки ЭДС (а - фиг. 3), вызванные индуктивностью источника (трансформатора 1). В этом случае, все всплески ЭДС прикладываются к обмоткам дросселя 4 (б - фиг. 3), диоды 2 и 3 выпрямителя не сопротивляются быстрому изменению потенциалов, продолжают пропускать ток, находясь в открытом состоянии. То есть дроссель 4 шунтирует обмотки трансформатора 1, поглощая энергию всплеска, и импульсы не распространяются на остальные элементы схемы.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель относится к области электротехники, в частности преобразовательной техники, и может быть использовано при проектировании вторичных источников электропитания. Устройство может использоваться для выпрямителей с различной частотой коммутации и формой питающего напряжения. Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, содержащий трансформатор с двумя вторичными обмотками, включенными согласованно в средней точке, два диода и дроссель, аноды диодов соединены со свободными выводами вторичной обмотки трансформатора, катод первого диода соединен со свободным выводом дросселя, второй вывод которого предназначен для подключения к нагрузке, и средняя точка трансформатора предназначена для подключения к нагрузке, отличающийся тем, что дроссель выполнен из двух обмоток на общем магнитопроводе, катод второго диода подключен к свободному выводу второй обмотки дросселя, а обмотки дросселя соединены в точке подключения к нагрузке согласованно. 3 ил.

Однофазный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, содержащий трансформатор с двумя вторичными обмотками, включенными согласно в средней точке, два диода и дроссель, аноды диодов соединены со свободными выводами вторичной обмотки трансформатора, катод первого диода соединен со свободным выводом дросселя, второй вывод которого предназначен для подключения к нагрузке, и средняя точка трансформатора предназначена для подключения к нагрузке, отличающийся тем, что дроссель выполнен из двух обмоток на общем магнитопроводе, катод второго диода подключен к свободному выводу второй обмотки дросселя, а обмотки дросселя соединены в точке подключения к нагрузке согласно.