Статический преобразователь с @ -ступенчатой формой выходного напряжения (его варианты) Советский патент 1985 года по МПК H02M7/539 

сатора последней цепочки, причем второй вывод накопительного конденсатора каждой данной цепочки соединен с первым выводом накопительного конденсатора последующей цепочки.

4 Преобразователь по п.З , отличающийся тем, что ключевые элементы с двусторонней проводимостью выполнены на базе мостового выпрямителя, в диагональ постоянного тока которого включен транзистор.

1. Статический преобразователь с Л/ступенчатой формой выходного напряжения, содержащий цепочку из последовательно соединенных ключевых элементов с односторонней проводимостью, одни силовые электроды которых объединены, и накопительных конденсаторов, постовой инвертор, диагональ переменного тока которого подключена к выходным выводам преобразователя, а диагональ постоянного тока - к положительному входному выводу преобразователя и первому выводу накопительного конденсатора первой цепочки, соединенному с отрицательным входным выводом преобразователя, и блок управления, отличающийся тем, что, с целью обеспечения работы на нагрузку с любым коэффициентом мощности и повышения надежности, в него дополнительно введены дроссель, обмотка которого включена между положительным входным выводом преобразователя и объединенными силовыми электродами зарядных ключевых элементов, /V-2 цепочки, состоящие из согласно последовательно соединенных разрядных ключевых элементов с односторонней проводимостью и диодов и включенные между отрицательным входным выводом преобразователя и первыми выводами накопительных конденсаторов, ключевой элемент с двусторонней проводимостью, соединенный с вторым выводом накопительного конденсатора последней цепочки и отрицательным входным выводом преобразователя, причем объединенные катоды обратных диодов мостового инвертора соединены через дополнительные диоды с объединенными силовыми электродами зарядных ключевых элементов и положительным входным выводом преобразователя, а второй вывод накопительного конденсатора каждой данной цепочки соединен с первым выводом накопительного конденсатора последующей цепочки. 2.Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что ключевые элементы с двусторонней проводимостью выполнены на базе тового выпрямителя, в диагональ постоянно(Л го тока которого включен транзистор. 3.Статический преобразователь с /V-ступенчатой формой выходного напряжения, содержащий цепочку из последовательно соединенных зарядных ключевых элементов с односторонней проводимостью, одни силовые электроды которых объединены и накопительных конденсаторов, мостовой инвертор, диагональ переменного тока которого подключена к выходным выводам преобразователя, а диагональ постоянного тока - к положительному входному выво, .у со 4;; преобразователя и первому выводу накопительного конденсатора первой цепочки, и блок управления, отличающийся тем, что, с целью обеспечения работы на нагрузку с любым коэффициентом мощности и повышения надежности, в него дополнительно введены дроссель, обмотка которого включена между положительным входным выводом преобразователя и объединенными силовыми электродами зарядных ключевых элементов, N ключевых элементов с двусторонней проводимостью, включенных между отрицательным входным выводом преобразователя и первыми выводами накопительных конденсаторов всех цепочек соответственно и вторым выводом накопительного конден

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания и электропривода для преобразования постоянного напряжения в переменное напряжение с формой кривой, близкой к синусоидальной. .

Цель изобретения - обеспечение работы на нагрузку с любым коэффициентом мощности и повыщение надежности.

На фиг. 1 и 2 представлены соответственно первый и второй варианты предлагаемого статического преобразователя; на фиг. 3 и 4 - диаграммы напряжений на отдельных элементах схем.

Статический преобразователь с N-ступенчатой формой выходного напряжения по первому варианту содержит N-1 цепочку (для примера на фиг. 1 показано ), состоящую из последовательно соединенных зарядных ключевых элементов 1-3 с односторонней проводимостью, одни силовые электроды которых объединены, и накопительных конденсаторов 4-6. Мостовой и вертор 7 выполнен на транзисторах 8-11 и обратных диодах 12-15. Диагональ переменного тока инвертора подключена к нагрузке 16, а диагональ постоянного тока - к положительному входному выводу для подключения источника 17 питания и отрицательному выводу конденсатора 4 первой цепочки, соединенному через диод 18 с отрицательным входным выводом для подключения первичного источника 17 питания. Блок 19 управления соединен с управляющими электродами всех ключевых элементов преобразователя.

Дроссель 20 включен между положительным выводом для подключения первичного источника 17 питания и объединенными электродами зарядных ключевых элементов 1-3. Разрядные ключевые элементы с односторонней проводимостью 21 и 22 (для примера показаны транзисторы) и диоды 23 и 24 образуют цепочки, включенные между выводом первичного источника 17 питания и отрицательными выводами накопительных конденсаторов 5 и 6. Ключевой элемент 25 с двусторонней проводимостью, выполненной на диодах 26-29 и транзисторе 30, включен между положительной обкладкой накопительного конденсатора с последней цепочки выводом первичного источника 17 питания. Объединенные катоды обратных диодов 4 и 15 мостового инвертора 7 соединены через дополнительные диоды 31 и 32 с объединенными силовыми электродами зарядных ключевых элементов 1-3 и положительным выводом первичного источника 17 питания. Положительный вывод накопительного конденсатора каждой данной цепочки соединен с отрицательным выводом накопительного конденсатора последующей цепочки. На фиг. 3 представлено напряжение 33 на нагрузке 16, напряжения 34 и 35 управления, поступающие соответственно на цепи управления транзисторов 8, 11 и 9, 10 мостового инвертора 7, напряжения 36-38 управления, поступающие соответственно на цепи управления ключевых элементов, выполненных на транзисторах 21, 22 и 30, напряжения 39-41 управления, поступающие на цепи управления зарядных ключевь х элементов 1-3.

Статический преобразователь с Л-ступенчатой формой выходного напряжения по второму варианту (фиг. 2) содержит N-1 цепочку (для примера на фиг. 2, показано ), состоящую из последовательно соединенных зарядных ключевых элементов 42-44 с односторонней проводимостью, одни силовые электроды которых объединены, и накопительных конденсаторов 45-47. Мостовой инвертор 48 выполнен на транзисторах 49-52 и обратных диодах 53-56. Диагональ переменного тока инвертора подключена к нагрузке 57, а диагональ постоянного тока - к положительному входному выводу для подключения первичного источника 58 питания и отрицательному выводу накопительного конденсатора 45 первой цепочки. Блок 59 управления соединен с управляющими электродами всех ключей преобразователя. Дроссель 60 включен между выводом первичного источника 58 питания и объединенными силовыми электродами зарядных ключевых элементов 42-44. Л-ключевых элемента 61-64, выполненных с двусторонней проводимостью включены между отрицательными выводом первичного источника питания 58 и отрицательными выводами всех накопительных конденсаторов 45-47

и положительным выводом накопительного конденсатора 47 последней цепочки. Каждый из этих элементов содержит выпрямительные мосты на диодах 65-68, 69-72, 73-76, 77-80, в диагональ постоянного тока которых включены соответственно транзисторы 81-84. Положительный вывод накопительного конденсатора каждой данной цепочки соединен с отрицательным выводом накопительного конденсатора последующей цепочки. На фиг. 4 представлено напряжение 85 на нагрузке 57, напряжения 86 и 87 управления, поступающие соответственно на цепи управления транзисторов 49, 52 и 50, 51 мостового инвертора 48, напряжения 88- 91 управления, поступающие соответственно на цепи разрядных ключевых элементов 61- 64 и 81-84, напряжения 92-94 управления, поступающие соответственно на цепи управления зарядных ключевых элементов 42-44.

Принцип работы статического преобразователя со ступенчатой формой выходного напряжения по первому варианту (фиг. 1) поясняется диаграммами (фиг. 3).

Формирование первой ступени напряжения происходит путем подключения нагрузки 16 к первичному источнику 17 питания через открытые транзисторы 11, 8 и диод 18. Во время формирования первой ступени выходного напряжения происходит заряд накопительного конденсатора 4 через дроссель 20, зарядный транзистор 1, диод 18 до напряжения первичного источника 17 питания. При работе статического преобразователя на нагрузку с индуктивным характером рекуперация реактивной мощности происходит в накопительный конденсатор 4 через диоды 12, 15 и 32 и зарядный транзистор 1. Формирование второй ступени выходного напряжения начинается с момента выключения зарядного ключевого элемента (транзистора) 1 и включения зарядного ключевого элемента (транзистора) 2 и ключевого разрядного элемента (транзистора) 21, при этом диод 18 запирается напряжением накопительного конденсатора 4, а нагрузка 16 подключается к последовательно включенным первичному источнику 17 питания и накопительному конденсатору 4 через транзисторы 11 и 8, ключевой разрядный элемент 21 и диод 23. Во время формирования второй ступени напряжения происходит заряд накопительного конденсатора 5 через дроссель 20, ключевой зарядный элемент 2, ключевой разрядный элемент 21 и диод 23 до напряжения первичного источника 17 питания. Рекуперация реактивной мощности нагрузки происходит в последовательно включенные конденсаторы 4 и 5 через диоды 12, 15 и 32 и ключевой зарядный элемент 2. Формирование третьей ступени выходного напряжения происходит аналогично формированию второй и поясняется диаграммами (фиг. 3). Формирование четвертой ступени выходного напряжения начинается с момента выключения зарядного ключевого элемента 3, разрядного ключевого элемента 22 и включения разрядного ключевого элемента 25 (транзистора 30). При этом нагрузка 16 подключается к последовательно включенным первичному источнику питания и накопительным конденсаторам 4-6 через транзисторы 1 1 и 8, диоды 29 и 26 и транзистор 30 при работе статического преобразователя на активную нагрузку и через диоды 12, 15 и 31, транзистор 30 и диодьи27 и 28 при работе на нагрузку индуктивного характера. Формирование напряжения в последующие тактовые интервалы осуществляется согласно фиг. 2 включением транзисторов 3, 22, 2, 21 и 1. Формирование второго полупериода ступенчатого напряжения осуществляется путем выключения транзисторов 8 и 11 и включением транзисторов 9 и 10 с сохранением закона коммутации транзисторов 1-3, 21, 22 и 30. Управление транзисторами 21 и 22 можно несколько изменить (на диаграммах 36 и 37 показано пунктирными линиями), не выключая, например, транзистор 21 при формировании второй, третьей и четвертой ступени выходного напряжения, а транзистор 22 при формировании третьей и четвертой ступени выходного напряжения.

Принцип работы статического преобразователя со ступенчатой формой выходного напряжения по второму варианту (фиг. 2) поясняется диаграммами (фиг. 4). От предыдущего варианта он отличается тем, что все разрядные ключевые элементы 61-64 имеют двустороннюю проводимость и в формировании каждой ступени напряжения участвуют первичный источник 58 питания и последовательно включенные накопительные конденсаторы 45-47. При этом обмен электрической энергией между нагрузкой 57 при работе статического преобразователя на нагрузку с низким коэффициентом мощности и последовательно включенными первичными источником 58 питания и накопительными конденсаторами 45-47 проходит через обратные диоды 53-56 мостового инвертора, ключевые элементы 61-64.

Схема работает следующим образом.

Формирование первой ступени напряжения начинается с момента включения зарядного ключевого элемента 42 и разрядного ключевого элемента 61, при этом нагрузка 57 подключается к первичному источнику 58 питания через транзисторы 52 и 49, диоды 68 и 65 и транзистор 81. Во время формирования первой ступени напряжения происходит заряд накопительного конденсатора 45 через дроссель 60, ключевой зарядный элемент 42 и ключевой разрядный элемент 61 до напряжения источника 58 питания, а рекуперация реактивной мощности при работе статического преобразователя на нагрузку с индуктивным характером происходит в первичный источник питания через диоды 53 56, 66 и 67 и транзистор 81. Формирование второй ступени напряжения начинается с момента выключения зарядного ключевого элемента 42, разрядного ключевого элемента 61 и включения зарядного ключевого элемента 43 и разрядного ключевого элеме та 62 (транзистора 82). При этом нагрузка 57 подключается к последовательно включенным первичному источнику питания и накопительному конденсатору 45 через транзисторы 52, 49, диоды 72 и 69 и транзистор 82. Во время формирования второй ступени напряжения происходит заряд накопительного конденсатора 46 через дроссель 60, ключевой зарядный элемент 43 и ключевой разрядный элемент 62 до напряжения первич- ,Q ного источника 58 питания. Рекуперация реактивной мощности при работе статического преобразователя на нагрузку с индуктивным характером происходит в последовательно включенные первичный источник 58 питания и накопительный конденсатор 45 )5 через диоды 53, 56, 70 и 71 и транзистор 82. Формирование третьей ступени выходного напряжения происходит аналогично формированию второй и наглядно поясняется диаграммами (фиг. 4). Формирование четвертой ступени выходного напряжения начинает- 20 ся с момента выключения ключевого зарядного элемента 44 и ключевого разрядного элемента 63 и включения ключевого разрядного элемента 64. При этом нагрузка 57 подключается к последовательно включенным первичному источнику 58 питания и накопительным конденсаторам 45-47 через транзисторы 52 и 49, диоды 80 и 77 и транзистор 84 при работе статического преобразователя на активную нагрузку и через диоды 56 и 53, транзистор 84 и диоды 78 и 79 о при работе на нагрузку с индуктивным характером. Формирование ступеней спадаю5щего участка выходного напряжения отличается от формирования ступеней поднимающегося участка выходного напряжения тем, что ключевые зарядные элементы 42-44 закрыты и заряд накопительных конденсаторов 45-47 не происходит. При этом реактивная мощность нагрузки (с емкостным характером) поступает в последовательно включенные первичный источник и соответствующие данной ступени числа накопительные конденсаторы 45-47. Формирование отрицательного полупериода выходного напряжения проходит аналогично формированию положительного и наглядно пояснено диаграммами на фиг. 4. В первом и втором вариантах статическоО преобразователя со ступенчатой формой выходного напряжения ключевые разрядные элементы с двусторонней проводимостью 25 и 61-64 выполнены на базе мостового выпрямителя, в диагональ постоянного тока которого включен транзистор, что обеспечивает выключение транзистора при наличии коллекторного тока независимо от характера нагрузки. Таким образом, предлагаемые варианты статического преобразователя со ступенчатой формой выходного напряжения позволяет получить на выходе переменное напряжение близкое по форме к синусоидальному. без искажений формы при работе на нагрузку с любым коэффициентом мощности. Предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность статических преобразователей за счет облегчения режимов работы зарядных ключевых элементов и диодов.

vt. f

Cvi

85

86 87

n

гп

Фаг. 4