Импульсный преобразователь постоянного напряжения Советский патент 1983 года по МПК H02M3/135 

Изобретение относится к преобразовательной электротехнике, в частноети и импульсным преобразователям постоянного напряжения, и может найти применение в системах электропривда, электроснабжения и электротехнологии.

Известны импульсные преобразователи постоянного напряжения, которые содержат источник питания, силовые вентили и нагрузку, а в коммутирую-, щее устройство помимо коммутирующих вентилей и LC-цепи входят токоогра,ничиваю1ций реактор с основной и дополнител1)Ными обмотками и рекуперицующим вентилем fl3 и 2j.

Если соотношение витков основной W и дополнительной.Wjобмоток реактора W- /Wj 1, то интервал размагничива-; ния магнитопровода сокращается, но при этом напряжение на выходе коммутирующего устройства превышает напряжение источника питания на величину напряжения на обмотке . Если нагруака некритична к этому, то для надежной работы преобразователя необходимо применять коммутирующие и силовые вентили с увеличенным классом по напряжению, что повышает их установленную мощность, ,

Если соотношение витков W /W2«1 то указанные недостатки уменьшаются. Однако при подключении нагрузки и в коммутационном интервале накопление энергии в магнитопроводе токоограничивающего реактора происходит при напряжении на дополнительной обмотке, значительно превышающем напряжение источника. Это напряжение прикладывается в обратном направлении к вентилю, посредством которого происходит рекуперация энергии, накопленной в магнитопроводе. В указанных устройствах этот вентиль имее высокий класс по напряжению/ либо заменяется последовательным соединением вентилей с устройствами деления напряжения в статическом и динамическом режимах. Потери в делителе напряжения снижают КПД преобразователя. Обмотки токоограничивающего реактора должны иметь высокий класс изоляции, что увеличивает габариты этого реактора.

Наиболее близким к предлагаемому является импульсный преобразрЙатель постоянного напряжения, содержащий источник питания, силовые вентили, коммутирующий ключевой элемент, .включающий коммутирующую LC-цепь и коммутирующий вентиль, то-коограничийющий реактор с основной и дополнительной обмотками и рекуперирующий диод СЗ,

Heдocтaткa tи известного устройства являются уменьшенная надежность работы вентилей, сниженный КПЦ преобразователя и ухудшение массогабаритных показателей токоограничивающего реактора из-за перенапряжений, возникающих при работе устройства.

Цель изобретения - повышение КПД и надежности, а также улучшенное массогабаритных показателей импульсного преобразователя постоянного напряжения Стокоограничивающим реактором

Поставленная цель достигается тем, что в импульсном преобразователе постоянного напряжения, содержащем источник питания, токоограничивающий реактор, основная обмотка которого включена последовательно с силовым вентилем, а дополнительнаяс рекуперируннцим диодом, коммутирую щий ключевой элемент и выводы для подключения нагрузки, введены включенный между положительным и отрицательным полюсами источника питания емкостной делитель напряжения с числом последовательно соединенных конденсаторов, равным N,. где N 2,3,. . ,и N:-l соединенных указанным образом аналогичных дополнитель:ных обмоток токоограничивающего реактора и рекуперирующих диодов, причем начало основной и конец первой дополнительной обмоток подключены к положительному полюсу источника питания, а начало первой дополнительной обмотки подключено через первый рекуперирующий диод в обратном направлении к общей точке соединения первого и последующего конденсаторов делителя напряжения, а также конца последующей дололнительной обмотки, конец последней дополнительной обмотки подсоединен к общей точке предпоследнего и последнего конденсаторов делителя, а начало этой обмотки через последний рекуперирующий диод в обратном направлении подсоединено к отрицательному полюсу источника питания.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого преобразователя на фиг. 2 временные диаграмма токов и напряжений, возникающих при работе устройства.

Импульсный преобразователь постоянного напряжения содержит источник 1 питания, емкостной делитель 2 напряжения, состоящий из последовательно соединенных конденсаторов 3-5; токоограничивающий реактор 6 с основной 7 и дополнительными обмотками 8-10, рекуперирующие диоды 11-13, коммутирующий, ключевой элемент 14, блок 15 силовых вентилей и нагрузку 16.

К положительному полюсу источники 1 питания подключено начало основной обмотки 7 токоограничивающего реактора 6, конец обмотки 7 соединен с общей точкой подключения коммутирующего ключевого элемента 14 и блока 15 силовых вентилей, соединеного по схеме реверсивного или обратимого преобразователя с нагрузкой 16. К второй общей точке элемента 14 и блока 15 подсоединен отрицательный полюс источника 1. Между положительным и отриц-ательным полюсакш источника 1 подключен емкостной делитель 2 напряжения. Количество конденсаторов делителя 2 определяется KJiac сом по напряжению рекуперирующих диодов . Конец первой из дополнительних обмоток 8 реактора 6 подключен к положительному полюсу ис точвика 1 питания/г а начало обмотки 8 подс:оединено к катоду первого рекуперирующего диода 11 (при этом число рекуперирующих диодов и число дополнительных обмоток реактора. 6. равно числу последовательно соединенных конденсаторов делителя 2). Анод диода 11 подключен к общей точке софяинення конденсаторов З.и 4 делитекпя 2 и прследунэщей дополнительной ;обмотки 9. Начало обмотки 9 подсоединено к катоду прсшедующего рекуперирующего диода 12, а анод диода 12 подключен к общей точке соединения конденсаторов 4 и 5 р конца до полнительной обмотки Ю. Начало обмоки 10 подсоединено к катоду рекуперирующего диода 13, а анод диода 13 подсоединяется к общей точке соединения последующих конденсаторов емкостного делителя 2 и конца последующей дополнительной обмотки 6. Анод последнего рекуперирующего диод ,совпад-ающего с числом конденсаторов делителя 2, подклк чен к отрицатеяь.ному полюсу источника 1 питания.

Преобразователь работает следующи

образомПРИ подаче напряжения питания U (момейт времени t;0 на фиг. 2) на каяодрм из ri конденсаторов делителя 2 устанавливается разность потенциалов Для каадого из рекуперирукяцих диодов llrl 3 ато напряжение .прикладывается в обратном направлении.

Для реверсивного преобразователя изменения направления тока в нагрузке 16 происходит при изменении полярности выходного напряжения , преобразователя . Для обратимого преобразователя изменение направления тока от источника 1 к нагрузке 16 и от иагрузки 16 к источнику 1 происходит при неизменной полярное,ти выходного напряжения U-jj Указанные операции зависят от схемы соединений и последовательности вклю- ченйй ёентилей блока 15.

Рассмотрим прямое преобразование напряжения источника 1 в напряжение на йагрузке 16, В интервале Ц-Ц (фиг. 2) в цепи через обмотку 7, вентили блока 15 и нагрузку 16 начинает протекать ток 4 К каждому из

рекуперирующих дирдов 11-13 прикладывается обратное напряжение , состоящее из напряжения на одной из дополнительных обмоток реактора 6 и напряжения на одном из крнденсато ров делителя 2 (U 4 величина ..

где W и W2 - число витков, соответственно, основной 7 и суммарного количества дополнительных обмоток 8 - 10 реактора 6.

Интервал (фиг. 2) соответ ствует замкнутому срстоянию элемента 14 . Выходное напряжение преобразователя и равно нулю, так как напряжение источника 1 приложено к обмотке 7. На каждом из рекуперирующих диодов 11-13 возникает перекапряжение, его величина равна UoSpДлительность коммутационного интервала выбирается достаточйой для восстано.влений запирающих свойств 6JloKa 15. Приращение тока обмртке 7 обусловлено приращением «намагничивсисщего тока реа ктора 6 и (Определяется индуктйвйостью этого реактора.

После размлкания -ключевого элемента 14 в момент в интервал д - t5пpoиcxpдит рекуперация энергии , накопленной в магнйтопроводе реактора 6. Напряжение на обмотках 7-10 изменяет знак, рекуперирующие I диодйл 11-13 откр 1ваются. Суммарное напряжение на дополнительных обмотках 8-10 равно 0, а на каждой из обмоток 8 10 равно Ц/и. Ток рекуперации протекает в источник 1 по цепи, состоящей из последовательно соединенных обмоток 8 - 10, и диОдрв 11-13. С момента времени Ч; процессы в преобразователе повторяются

При об-ратной передаче энергий от нагрузки 16 в источник1 изменяется временная диаграмма тока в обмотке 7, а процессы комьцгтации происходят аналогично.

В схеме прототипа к рекуперирующему диоду в интервалах t - tj tj - ij| прикладвлвается обратное напряжение величиной

Поскольку в рассмг&риваемых преобразователях принято соотнсяаение Щ /W. , то величина U,5p UiW2/nNM а Чбр-«1 2 следователь о Это допускает снижение в предлагаейой схеме по сравнению с схемрй прототипа класса рекуперирующих диодов по напряжению примерно в п раз, при этом установленная мощност этих диодов не возрастает, а надежИость работы преобразов 1теля повышается.

В схеме прототипа на дополнительной обмотке Wg действуют перенапряжния UVW-U Wi/W , определяющие

класс

изоляц 1И. При равенстве суммарного изоляции. 1ФИ равенстве суммар числа БИТКОВ дополнительных обмоток Wg-Wj и исходном условии 2/W 1 класс изоляции обмоток реактора в предлагаемой схеме определяется перенапряжениями, действующими только на одной из дополнительных обмоток, так как эти обмотки разделены закрытыми рекуперирующими диодами. Снижение допустимого класса изоляции обмоток ведет к уменьшению габаритов токоограничивающего реактора.

Исключение цепей выравнивания обратных токов последовательно соединенных рекуперирующих диодов схемы прототипа снижает потери энергии и повышает, тем самым КПД предл гаемой схемы.

Кроме того, при помощи нагрузки 10-50 кВт и частоте коммутации 250 Гц в предлагаемом устройстве в сравнении со схемой прототипа габариты токоограничивающего реактора меньше примерно в 1,1 раза, а КПД выше примерно в 1,05 раза.

ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий источник питания, токоограничивающий реактор, основная обмотка которого. включена последовательно с силовым вентилем, а дополнительная - с рекуперирующим диодом, коммутирующий ключевой элемент и выводы для подключения нагрузки,, о т л и ч а ю щи и с я тем,.что, с целью повышения КПД и надежности, а также улучшения массогабаритных показателей, введены включенный между положительным и отрицательным полюсами источника питания емкостной делитель напряжения с числом последовательно соединенных конденсаторов, равным N, где N 2, 3 ..., и (N-I) соединенных указанным образом аналогичных дополнительных обмоток токоограничивающего реактора и рекуперирующих диодов, причем начало основной и конец первой дополнительной обмотки подключены к положительному полюсу источника питания, а начало первой дополнительной обмотки подключено через первый рекуперирующий диод в обратном направлении,к общей точке соединения первого и последующего конденсаторов делителя напря- § жения, а также конца последующей (Л дополнительной обмотки, конец последней дополнительной обмотки подс: соединен к общей точке предпоследнего, и последнего конденсаторов делителя, а начало этой обмотки через последний рекуперирующий диод в обратном направлении подсоединено к отрицательному полюсу источНика питания. 01 4 СП s

±0 i/ 2 3 4

5 6 7 % ff