Преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1985 года по МПК H02M7/12 

Изобретение относится к нреобразовательной технике, в частности к бестрансформаторным преобразователям переменного напряжения в постоянное.

Целью изобретения является повышение качества электрической энергии путем уменьшения пульсаций выходного напряжения и путем уменьшения времени разряда конденсаторов на нагрузку.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 - схема управления ключевыми элементами; на фиг. 3 - диаграммы напряжений на отдельных элементах схемы.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит две ячейки с п последовательно соединенными через разделительные диоды 1.1-9.1 (1.2-9.2) запоминающими конденсаторами 10.1 -19.1 (10.2- 19.2), обкладки-которых через разрядные диоды 20.1-37.1 (20.2-37.2), зарядные 38.1 (38.2) и разрядные 39.1 (39.2) ключевые элементы (транзисторы) соединены соответственно с выходом силового выпрямителя 40 и выходными выводами 41, 42, и схему 43 управления (фиг. 2), тиристоры 44.1-61.1 (44.2-61.2), включенные встречно-параллельно разрядным диодам 20.1-37.1 (20.2- 37.2), узел 62 сравнения с опорой (фиг. 2), связанный с запоминаюш.ими конденсаторами 10.1 и 10.2 различных ячеек, узел 63 включения, соединенный,с узлом 62 сравнения и сетью переменного тока, узел 64 слежения, соединенный с сетью переменного тока и узлом 63 включения, узел 65 совпадения, подключенный к узлу 62 сравнения с опорой, узлу 63 включения и узлу 64 слежения, при этом цепи управления зарядных ключевых элементов 38.1 и 38.2 соединены с узлом 63 включения и узлом 65 совпадения, цепи управления разрядных ключевых элементов 39.1 и 39.2 - с узлом 65 совпадения, а цепи управления тиристоров 44.1 - 61.1 (.44.2-62.2) - с узлом слежения. При этом узел 62 сравнения с опорой содержит генератор 66 опорного сигнала и амплитудные компараторы 67 и 68, связанные через модуляторы 69 и 70 с запоминаюш.ими конденсаторами 10.1 и 10.2 различных ячеек и указанным генераторам 66. Узел 63 включения содержит формирователь 71 прямоугольного напряжения и реле 72 времени, связанные с входными клеммами, инвертор (логическая схема НЕ) 73, подключенный к реле 72 времени, и конъюнкторы (логические схемы И) 74 и 75, соединенные с инвертором 73, соответствующими выходами формирователя 71 прямоугольного напряжения и амплитудными компараторами 67 и 68. Узел 64 слежения содержит последовательно соединенные умножитель 76 частоты, связанный с входными клеммами, и кольцевую пересчетную схему 77, делитель 78 частоты, подключенный к умножителю 76 частоты, конъюнкторы 79.1-79.т, соединенные с соответствующими ячейками кольцевой пересчетг ной схемы 77 и реле 72 времени, узел 65 совпадения - четыре конъюнктора 80-83, два из которых 80 и 81 соединены с реле 72 времени и делителем 78 частоты, а другие 82 и 83 - дополнительно к амплитудным компараторам 67 и 68. На фиг. 3 представлено напряжение 84 на выходе выпрямителя 40, импульсы 85-102 управления, поступающие соответственно на тиристоры 44.1-61.1 (зачерченные импульсы) и 44.2-61.2 (пунктирные импульсы), напряжение 103, поступающее в противофазе на цепи управления разрядных ключевых элементов 39.1 и 39.2, и напряжение 104, поступающее в противофазе на цепи управления разрядных ключевых элементов 38.1 и 38.2.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное работает следующим образом.

При подключении преобразователя к сети переменного тока узел 63 включения обеспечивает побчередное включение на время -Т/2, где Т - период напряжения сети, зарядных ключевых элементов 38.1 и 38.2 и заряд последовательно соединенных запоминающих конденсаторов 10.1 -19.1 и 10.2-19.2. Заряд запоминающих конденсаторов начинается в момент перехода входного напряжения сети через нуль, чем ограничивается амплитуда зарядного тока. Момент выключения зарядных ключевых элементов 38.1 и 38.2 определяет узел 62 сравнения с опорой, который связан функционально с узлом включения и который осуществляет сравнение напряжений на запоминающих конденсаторах ячеек с напряжением генератора 66 опорного напряжения. После заряда запоминающих конденсаторов до напряжений, соответствующих напряжению генератора опорного напряжения, происходит выключение зарядных ключевых элементов 38.1 и 38.2. После интервала времени tiCi2T цепи управления зарядных ключевых элементов 38.1 и 38.2 переключаются к узлу 65 совпадения, а узел 64 слежения обеспечивает управление тиристорами 44.1 - 61.1 и 44.2-61.2 согласно диаграмм 85-102. Так как амплитуда выпрямленного напряжения 84 изменяется в течение полупериода входного напряжения, то за счет тиристоров 44.1-61.1 и 44.2-61.2, управляемых от узла слежения, осуществляется включение различного количества последовательно соединенных конденсаторов при их подзарядке. Так, при десяти последовательно соединенных конденсаторах () 10.1 -19.1 и 10.2-19.2 в моменты (6°), 1з Т/20 (18°), (30°), t7 7T/60 (42°), t9 3T/20 (54°), IT/60 (66°), t,3 13T/60 (78°), (90°) амплитуды модуля входного напряжения равны соответственно 0,1045; 0,3090; 0,5000; 0,6691; 0,8090; 0,9136; 0,978 и 1,000 амплитуды входного напряжения. Если выходное напряжение стабилизируется на уровне 0,1 Uim (где UiOT - максимальная амплитуда входного напряжения), то в интервале времени to-ti, когда заряжаются конденсаторы первой ячейки (10.1 - 19.1), необходимо подключить все конденсаторы параллельно. Достигается это за счет подачи импульсов управления длительностью to-ti на все тиристоры первой ячейки (заштрихованные импульсы) и включить зарядный транзистор 38.1. В это время нагрузка получает питание от параллельно соединенных конденсаторов 10.2- 19.2 второй ячейки. При достижении напряжения на конденсаторе 10.1 максимально допустимой величины 0,1 Uim управление с транзистора 38.1 снимается (104), т. е. существует время, в течение которого ячейка отключена от выпрямителя и от нагрузки. В момент времени ti напряжение управления 103 снимается с разрядного транзистора 39.2 и подается (104) на включение зарядного транзистора 38.2. В это время нагрузка подключается через разрядный транзистор 39.1 и к первой ячейке. Так как к времени is мгновенное значение входного напряжения достигает величины 0,3090 Ui, то необходимо управление подать на тиристоры 55.2 (96 в интервале времени ti-ts пунктирный импульс), 46.2 (87), 58.2 (99), 49.2 (90) и 61.2 (102), что обеспечивает подключение к выпрямителю трех цепей из трех последовательно соединенных конденсаторов (10.2 11.2, 12.2, 13.2,14.2, 15.2, 16.2, 17.2 и 18.2)1 и зарядку каждого конденсатора до величины 0,1. При достижении напряжения на конденсаторе 10.2 максимально допустимой величины 0,1 Uim зарядный транзистор 38.2 выключается. Последовательность поступления импульсов управления на тиристоры 44.1-61-1 представлены соответственно 85- 102 заштрихованными импульсами, а на тиристоры 44.2--61.2 и 85- 102 - пунктирными линиями. При этом выключение тиристоров осуществляется без дополнительных коммутирующих контуров за счет подключения указанной ячейки к нагрузке. Схе.ма управления, обеспечивающая управление силовой частью преобразователя (фиг. 2), включает узел 62 сравнения с опорой, узел 63 включения, узел 64 слежения и узел 65 совпадения. Узел сравнения имеет два выхода и обеспечивает формирование «1 на соответствующем выходе, когда напряжение на конденсаторах 10.1 или 10.2 соответствует (меньше) напряжению генератора 66 опорного напряжения. В узел сравнения введены в общем случае модуляторы 69 и 70, которые обеспечивают через высокочастотный согласующий трансформатор гальваническую развязку силовых цепей и цепей управления и приведение в соответствие (обычно уменьшение) напряжений конденсаторов .и напряжения (опорное напряжение). Амплитудные компараторы 67 и 68, которые являются выводными элементами узла 62 сравнения с опорой, формируют «1 на выходе, когда напряжение Uon больп1е выходного напряжения модуляторов 69 и 70, величины которых пропорциональны напряжению соответствующих конденсаторов 10.1 и 10.2. При достижении напряжений на указанных запоминающих конденсаторах заданной величины на выходе соответствующего амплитудного компаратора формируется-«О, что обеспечивает в конечном итоге выключение зарядного ключевого элемента 38.1 или 37.2. Узел включения имеет два выхода, которые подключены к цепям управления зарядных ключевых элементов 38.1 и 38.2 и обеспечива ет управление зарядными ключевыми элемен тами 38.1 и 38.2 при включении преобразователя. В общем случае эти выходы могут быть подключены к сумматору (логической схеме ИЛИ), куда дополнительно подключены вы.ходы узла 65 совпадения. При включении преобразователя переменное напряжение подается на формирователь 71 прямоугольного напряжения и на выходе в момент перехода входного напряжения через «О начинает формироваться напряжение прямоугольной фор.мы с частотой напряжения входной сети и совпадающее с ним по фазе. Переменное напряжение подается и на реле 72 времени, на выходе которого формируется «О в течение времени 2Т после подачи на него напряжения (включения преобразователя). В остальное время на выходе реле 72 времени формируется «1. На выходе инвертора 73 «1 формируется только в то время, когда на выходе реле 73 времени формируется «О. Выходные сигналы (импульсы напряжения) формирователя 71 прямоугольного напряжения и инвертора 73 поступают на конъюнкторы 74 и 75. Дополнительно на указанные конъюнкторы поступают сигналы («I и «О), с амплитудных компараторов 67 и 68. При включении преобразователя на выходах амплитудных компараторов 67 и 68 формируются «1. Такое построение схемы управления обеспечивает при включении преобразователя подачу сигналов управления (импульсы напряжения) с выхода формирователя 71 на цепи управления зарядных ключевых элементов 38.1 и 38.2 в момент перехода переменного напряжения через «О, т. е. в течение одного полупериода переменного напряжения заряжаются конденсаторы 10.1 -19.1 первой ячейки, а в течение второго полупериода заряжаются конденсаторы 10.2-19.2 второй ячейки. При достижении на конденсаторах 10.1 и 10.2 требуемых напряжений на выходах амплитудных компараторов 67 и 68 в соответствующие моменты времени формируется «О и управление с зарядных ключевых элементов (транзисторов) снимается. Предлагаемое включение преобразователя исключает большие зарядные токи через зарядные ключевые элементы. Узел слежения имеет m выходов, которые подключены к цепям управления тиристоров 44.1-61.1 и

44.2-61.2. Напряжение сети переменного тока подается на умножитель 76 частоты, где оно преобразуется в импульсы напряжения, частота которых превышает частоту входной сети в несколько раз в зависимости от соотношения амплитуд входного и выходного напряж- ний, жестко засинхронизированные с фазой входной сети. Полученные импульсы в момент t|, t2, ta и т. д. поступают на кольцевую пересчетную схему (регистр сдвига) 77, которая обеспечивает формирование на выходе импульсов напряжения, распределенных во времени, длительностью to-ti, ti-12, t-ta и т. д. Из указанных импульсов напряжений получают необходимые импульсы 85-102 управления тиристорами 44.Г-61.1 и 44.2-61.2, которые поступают через конъюнкторы 79.1-79. На эти конъюнкторы подают, кроме того, сигналы (импульсы напряжения) от реле 72 времени, которые исключают подачу импульсов управления на тиристоры при включении преобразователя. На выходе делителя 73 частоты формируются прямоугольные напряжения 103, частотой в два раза ниже частоты выходных сигналов умножителя частоты, т. е.

положительное напряжение (прямоугольной формы) формируется в интервале времени 1з-ts, , tn-ti.3 ..., a отрицательные - в интервале времени ti-1з, ts-ty, tg-tu и т. д. Узел совпадения состоит из конъюнкторов 80-83 и обеспечивает формирование импульсов управления для зарядных 39.1 и 39.2 ключевых элементов в нормальном режиме, напряжения с выхода делителя частоты поступают на цепи управления разрядных ключевых элементов (например, транзисторы) 39.1 и 39.2 через конъюнкторы 80 и 81, на которые дополнительно поступает сигнал от реле времени, включающий подачу сигналов управления на разрядные транзисторы в интервале времени ti-2Т после включения преобразователя. На конъюнкторы 82 и 83 поступают также сигналы от делителя 78 частоты и реле 72 времени. Дополнительно на эти конъюнкторы поступают сигналы от амплитудных компараторов 67 и 68, которые обеспечивают включение соответствующих зарядных транзисторов при достижении напряжений на конденсаторах заданной величины.

1. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий ячейку с п последовательно соединенными через разделительные диоды запоминающими конденсаторами, первый и второй промежуточные выводы каждого из которых через соответствующие разрядные диоды, а первый и второй крайние выводы непосредственно соединены соответственно с общей точкой зарядного и разрядного ключевых элементов и с первым выводом силового выпрямителя и с первым выходным выводом, при этом другой выходной вывод соединен со свободным выводом разрядного ключевого элемента, а свободный вывод зарядного ключевого элемента соединен с вторым выводом силового выпрямителя, отличающийся тем, что, с целью повыщения качества электрической энергии путем уменьшения пульсаций входного напряжения, в него введена вторая ячейка и в каждую ячейку введены тиристоры по числу разрядных диодов, включенные встречно-параллельно разрядным диодам, кроме того, в преобразователь введен узел сравнения с опорой, связанный входами с первыми запоминающими конденсаторами различных ячеек, узел включения входами соединенный с двумя выходами узла сравнения и входными выводами, узел слежения, входами соединенный с входными выводами и выходом узла включения, узел совпадения, подключенный входами к выходам узлов сравнения, включения и слежения, при этом цепи управления зарядных ключевых элементов соединены с выходом узлов включения и совпадения, цепи управления разрядных ключевых элементов- с выходами узла совпадения, а цепи управления тиристоров - с выходом узла слежения. 2 Преобразователь по п. 1, отличающийся в тем, что узел сравнения с опорой содержит (Л генератор опорного сигнала и амплитудные компараторы, связанные через модуляторы с первыми запоминающими конденсаторами различных ячеек и указанным генератором, узел включения - формирователь прямоугольного напряжения и реле времени, связанные с входными выводами, инвертор, подключенный к реле времени, и конъюнкторы, соединенные с инвертором, соответствующими выходами формирователя прямоугольных импульсов и амплитудными компараторами, узел слежения - последовательно соединенные умножитель частоты, связанный со со го с входными выводами, и кольцевую пересчетную схему, делитель частоты, подключенный к умножителю частоты, конъюнкторы, соединенные с соответствующими ячейками кольцевой пересчетной схемы и реле времени, узел совпадения - четыре конъюнктора, два из которых подключены к реле времени И делителю частоты, а другие дополнительно - к амплитудным компараторам.

.г аЛ5Лг/Л йЛ22....гТг«..