Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1983 года по МПК H02M7/12 G05F1/46 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

В ПОСТОЯННОЕ

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям переменного напряжения в постоянное. Известен преобразователь, содержащи согласующий трансформатор, выпрямител ные диоды и дроссели насыщения. Регулирование величины выходного напряжения осуществляется подмагничнванием дросселей насыщения постоянным током С11 Недостатками данного преобразователя являются большая инерционность его в замкнутых системах, большая масса и габариты, обусловленные дросселями насьпденкя и Выходным сглаживакяцим фильтром. Известен управляемый выпрямитель, содержащий согласующий трансформатор, ключевые элементы, сглаживающий фильт и схему управления. Регулирование величины выходного напряжения осуществляется изменением угла регулирования тиристора Cs . Недостатками указанного устройства являются низкие коэффициент сдвига и коэффициент мощности, плохие массогабаритные и динамические характеристики, особенно при щироком диапазоне регулирования величины выходного напряжения. Наиболее близок к предлагаемому по технической сущности управляемый вып-. рямитель со ступенчатым регулированием выходного напряжения, содержащий согласующий трансформатор, вторичные обмотки которого имеют несколько промежуточных отводов, к которык подключены ключевые элементы, сглаживающий фильтр и схему управления. Минимальное выходное напряжение формируется при подключении только обмотки согласующего трансформатора с минимальным, количеством витков. Изменение угла регулирования ключевых элементов, подключающих согласукядего трансформатора с больщим количеством вит ков, позволяет регулировать величину.

выходного напряжения в заданном диапазоне Сз .

Такое построение управляемого вьшрямителя (когда регулируется только часть мощности) позволяет повысить его коэффициент искажения и мощности, однако не обеспечивает высокого качества элею трической энергии, особенно в динамических режимах. Объясняется это тем, что при необходимости регулирования величины выходного напряжения в широком диапазоне мощности масса и габариты выходного фильтра очень большие. Поэтому, например, при сбросе (набросе) нагрузки наблюдаются бопыиое перерегулирование (провал) напряжения. С уменьшением мощности выходного фильтра при больших углах регулирования наблюдается низкое качество выходного напряжения (большая переменная составляющая).

Цель изобретения - улучшение качест ва выходного напряжения, а также уменьшение массы габаритов.

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе переменного напряжения в постоянное, содержащем вьшрямительный мосп диагональ переменного тока каторго образует входные выводы, а в диагональ постоянного тока включен сглаживающий фильтр с несколькими параллельно в слюченными дросселями, а также схему управления, дроссели фильтра содержат средние точки, которые объединены и подключены к анодам вентилей выпрямительного моста, а свободные выводы дросселей через дополнительно введенные ключевые элементы с двусторонней проводимостью объединены и подключены, через дополнительно введенные диоды соответственно к катодам вентилей выпрямительного моста и отрицательному выходному вы,воду, при этом цепи управления ключевы элементов связаны с выходом схемы управления, обеспечивающей изменение частоты переключения ключевых элементов пропорционально модулю амплитуды входного нетряжения и сигнйлу рассогласования, вход которой подключен к входньпи выводам и задакдцему генератору.

При этом схема управления содержит задающий генератор и амплитудный компаратор, подключенные к сети переменного тока кольцевую пересчетную схему, вход которой соединен с задающим генератором, блок формирования импуттьсов управления, входы которого соединены с амплитудным компаратором

И кольцевой пересчетной схемой, при этом задающий генератор связан . выходными выводами выпрямителя через чик рассогласования.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя; на фиг. 2 - диаграммы напряжений, поясняющие управление преобразователем.

Преобразователь содержит вьшрямительный мост на вентилях 1 -- 4, к диагонали переменного тока которого подключена сеть переменного тока, а к диагонали постоянного тока - сглаживающий фильтр с несколькими параллельно включенными дросселями 5,1 - 5.М. Обмотки 6,1 - 6jM дросселей фильтра содержат средние точки которые объединены и подключены к анодам вентилей выпрямительного моста, а свободные котшы обмоток через дополнительно введенные ключевые элементы 7.1 - 7, М и 8,1 - 8.М с двусторонней проводимостью обьединенъ и подключены через дополнительные диоды 9.1 - 9.М к катодам вентилей вьшрямительного моста, а диоды 10.1 - 10, М-,- к клемме нагрузки 11. Схема управления содержит задакщий генератор 12 и амплитудный компаратор 13, подключенные к сети переменного тока, кольцевую пересчетную схему 14, вход которой соединен с задакщим генератором, а также блок 15 формирования импульсов управления, кокьГ которого соединены с амплитудным компаратором, кольцевой пересчетной схемой и датчиком 16 тока, включенным в цепь нагрузки, .при этом задающий генератор связан.с выходными выводами преобразователя через датчик 17 рассогласования На фиг. 2 представлены выпрямленное .. напряжение 18, форма импульсов 19 управления ключевыми элементами 7.1 и 8.1 (. игнз 20 на выходе амплитудного компаратора 13 (залформа импульсов 21 управления ключeвы ми элементами 7, 1 и 8.1 (иэад 2), а также сигнал 22 на выходе амплитудного компаратора ((-чпл 2) при U,, 2 УМ -, Эс(А

-заА--.

Устройство работает следующим образом.

В нормальном режиме переменное напряжение сети преобразуется вьшрямительным мостом в пульсирукялее 18. Дроссели 5,1 - 5.М, которые включены последовательно с нагрузкой и индуктивное сопротивление которых изменяется в течение полупериода напряжения сети переменного тока , осуществляют регуяирование величины напряжения на нагрузке путем изменения частоты коммутации дополнительных ключевых элементов 7.1 - 7.М и 84 - 8,М. При этом час тота коммутации указанных ключевых элементов во много раз превышает частоту входного напряжения. Управление дополнительными ключевыми элементами 7.1 - 7.М и 8.1 - 8.М. осуществляется от блока 15 формирования импульсов управления, куда поступают сигналы с кол цевой пересчетной схемы 14 и амплитуд ного компара ора 13. На .вход амплитуд ного компаратора 13 поступает переме ное напряжение, которое затем выпрямляется и сравнивается с задакшим напряжением. На Выходе амплитудного ком.паратора 13 формируются сигналы 20 ( ) ,,..-| -первые интервалы, tQ-t вторые интервалы) 1фторые определяют интервалы начала коммутации дополнительных ключевьгх элементов 7.1 - 7.М и 8.1 - 8.М. Такое выделение интервалов, в которых изменяется закон управления ключевых элементов 7.1 - 8.1, позволяет подключать нагрузку непосредственно через сглаживакщий фильтр к неуправляемому выпрямителю при малых величинах акт- литуды вьшрямленного напряжения и вводить в цепь нагрузки регулируемое сопротивление при больптйх амплитудах вьш рямленного напряжения (соответственно интервалы времени ,,.. и txj 2 ) Ь з 4-- позволит сократить до минимума мощность сглаживаю щего фильтра. Кольцевая пересчетная сх ма 14 формирует m -фазную систему пр моугольных импульсов 19, сдвинутых друг относительно друга на длительность одного тактового интервала задаюдего генератора (длительность между тактовыми импульсами). Частоту выходных импульсов кольцевой пересчетной схемы 14 определяет задающий генератор 12, рабочая частота тактовых импульсов которого изменяется пропорционально модулю амплитуды входного напряжения и напряжению рассогласования, поступакь щему с датчика 17 рассогласования. Дат чйк рассогласования осуществляет формирование сигнала рассогласования (, виде сигнала постоянного тока поступает в задакяций генераггор 12. В задающем генераторе полученный сигнал йум иируется с модулем вьтрямленного входного напряжения K.Ug и полученная величина и форма напряжения определяет частоту тактовых импульсов задающего генератора, которые- поступают на кольцевую пересчетную схему 14. Бпок 15 формирования импульсов управления обеспечивает усиление по мощности выходных импульсов кольцевой пересчетной схемы в интервалах времени подачу постоянного напряжения на ключевые элементы (7.1 - 7.М) в интервале времени -t --b,.tr,--t,,..,. Согласно импульсам 19 в интервале времени 4.--Ь коммутация ключевых элементов 7.1 и 8.1 не осуществляется (включены 7.1 - 7.М) и структура преобразователя состоит из о&лчного фильтра с дросселями 5.1 5.М. В момент времени i. выключается ключевой элемент 7.1 и включается. 8.1, что приводит к перекачке реактивной мощности, запасенной в дросселе 5.1, в нагрузку и дроссели 5,2, 5..М по цепи: полуобмотка дросселя 5.1 - ключевой элемент 8.1 - дополнительный диод 9.1 - нагрузка 11 - дроссели 5.2 - 5.М - полуобмотка дросселя 5.1. В таком режиме диод 10.1 закрыт ) а все остальные диоды 10.2 10.М пропускают ток нагрузки. При снижении тока указанной цепи до нуля включается диод 10.1 и выключается диод 9.1. Ток через дроссель начинает увеличиваться до величины, определяемой параметрами нагрузки. Затем переключаются ключевые элементы 7-2 и 8.2 и т.д. Очевидно, что увеличение параллельно включенных дросселей приводит к уменьщению переключаемого тока и уменьщению путЕьсаций напряженуш. С изменением задающего напряжения (сигнал 22 меньше, чем сигнал 20) изменяется и момент начала отсчета -t (коммутации первой пары дополнительных ключевых элементов 7.1,8.1). Резкое уменьшение нагрузки приводит. к увеличению напряжения на выходе за счет дросселей с регулируемым индуктивным сопротивлением. Б таком режиме на выходе датчика рассогласования появляется сигнал К.. ищ,.,-)),. который, суммируясь с сигналом K.,|UQ-,, обеспечивает резкое увеличение рабочей частоты тактовых импуттьсов задающего генератора 12 (в нормальном режиме сигнал f -jUai v), что приводит практически к мгновенной коммутации ключевых элементов нескольких ячеек и снижению напряженян на нагрузке. В обшем случае дополнитеш но может быть введен датчик 16 тока, включенный в цепь нагрузки, который определяет мо менг резкого изменения тока нагрузки (di /dt ) и выдает дополнительна Сйг нал в блок 15 формирования имп 71ьсов управления на повьпление чостоты выходных сигналов управления. При резком увеличении нагрузки напряжение на нагрузке уменьшается и сигнал на выходе датчика рассогласования еыХ 2-заА имеет отрицательный знак, который, вычитаясь из сигнала Ка Ugj( I , обеспеч1тает резкое уменъ шенне рабочей частоты тактовых и лпуль .сов задакжцего генератора 12, тто приВодит практически к исключению очередных (по отношению к статическому режиму) коммутаций ключевых элементов ячеек. Такое управлечгае ключевыми элементами ячеек позволяет получить минимально возможные длительносгти пров ла напряжения, на на,грузке. Таким образом, предлагаемый преобр зователь имеет меньшую массу и габа. риты сглаживающего фильтра, по сравнению с известным ,так как фильтр в прототипе определяется в режиме максимал ного угла регулирования, а для предлагаемого преофазователя максимальная, величина сглаживающего фильтра (его масса и габариты) определяется при максимальном задающем угле, что соответствует нулевому углу регулирования в прототип.е. Причем с увеличением диапазона регупирования выходного напряжения эффективность устройства повышается. Меньшая мощность сглаживающего фильтра обеспечивает и лучшие динамические характеристики устройства в целом. Кроме того, преобразователь во всем диапазоне регулирования напряжения имеет коэффициент мощности 3.0. - . Формуда изоб.ре тения 1. Преобразователь перетленного напр жения в постоянное, содержащий вьтрям тельный мост, диагональ переменного тока которого о(%1азует входные вьтоды, а в диагональ постоянного тока включен сглаживающий фильтр с несколькими параллельно Включенными дросселями, а также схему управления, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения, а также уменьшения массы и габаритов, дроссели фильтра содержат средние точки, которые обьединень и подключены к анодам Ве1ггилей выпрямительного моста, а свободные выводы дросселей через дополнительно введенные ключевые элементы с двусторонней проводимостью объединены и подключены через дополнительно введенные диоды соответственно к катодам вентилей выпрямительного моста и отрицательному выходному выводу, при этом цепи управления ключевых элементов связаны с выходом схемы управления, обеспе тавающей изменение частоты переключения ключевьк элементов пропорционально модулю амплитуды входного напряжения и сигналу рассогласования, вход которой подключен к входньшг вьшодам и задающему генератору. 2. Преобразователь по п. 1, о т -. ли чающийся тем, что схема управления содержит задающий генератор и амплитудный компаратор, подключенные к сети переменного тока, кольцевую пересчетную схему, вход которой соединен с задающим генератором, блок( формирования импульсов управления, входы которого соединены с амплитудным компаратором и кольцевой пересчетной схемой, при этом задающий генератор связан с выходными выводами вьшрямителя через датчик рассогласования. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Чиженко И. М. , Руденко В. С., Сенько В. И. Основы преобразовательной техники. М., Высшая школа, 1977, с. 110. 2.Руденко В. С., Сенько В. И. Чиженко И. М, Основы преобразовательной техники. М., Ъысшая школа. 1980, с. 42. 3.Там же, сгр. 90.

к

п

W

V3o

т

зоЛ

:/i

jtjL

15

ITTt

a

18

ь

го

гг

f/

фиг.г

J