Преобразователь постоянного напряжения в переменное многоступенчатой формы Советский патент 1987 года по МПК H02M7/48 

. Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано при построении инверторов с промежуточным звеном высокой частоты, а также в усилителях звуковой частоты и в импульсных амплитудных модуляторах большой моищо- сти.

Цель изобретения - упрощение преобразователя и улучшение качества его выходного напряжения.

Цель достигается путем увеличения числа формируемых с одинаковым по амплитуде шагом квантования уровней напряжения в кривой выходного напряжения при ограниченном количестве, трансформаторных устройств и ключей переменного тока в выходных цепях преобразователя.

На фиг, 1 - 3 представлены оптимальные варианты схем предлагаемого преобразователя; на фиг, 4 - 6 - временные диаграммы, поясняющие алгоритмы переключения ключей и процесс формирования выходного напряжения соответственно для модификаций преобразователя по фиг. 1-3.Цредлагаемый преобразователь (фиг. 1) содержит инвертор, выполненный по схеме со средней точкой на ключах 1 и 2 и подключенный своим входом к источнику 3 питания, а выходом - к первичной обмотке 4 основного трансформатора 5, вспомогательные трансформаторы 6 и 7, коммутирующий узел, представляющий собой цепочку из последовательно соединенных вспомогательных ключей 8-10 переменного тока, а также основные управляемые ключи 11-15 переменного тока. Дополнительная обмотка 16 основного трансформатора 5 подключена к концам цепочки ключей 8-10, первые концы первичных обмоток 17 и 18 вспомогательных трансформаторов 6 и 7 соединены с нижним по схеме концом цепочки вспомогательных ключей, а вторые их концы подключены к точкам соединения соответственно ключей В и 9} 9 и 10. Вторичная обмотка основного трансформатора 5 разделена промежуточными отводами на секции 19-22. Вторичные обмотки 23-26 вспомогательных трансформаторов соединены согласно-последовательно и образуют вспомогательную вторичную обмотку, содержащую две полуобмотки, каждая из которых состоит соответственно из одноименных обмоток 23 и 25 и одноименных обмоток 24 и 26 различ Л Х вспомогательных трансформаторов. Точка соединения полуобмоток образует первый выходной вывод преобразователя,

Промежуточные отводы вторичной обмотки основного трансформатора через дополнительно введенные основные ключи 12-14 соединены с вторым

выходным выводом преобразователя, а разноименные концы указанной и вспомогательной вторичных обмоток соединены между собой через соответствующие основные ключи 11 и 15. К

выходным выводам преобразователя подключены приемники 27 электрической энергии (нагрузка) . Числа ВИТРСОВ в крайних секциях 19 и 22, в промежуточных секциях 20 и 21 вторичной

обмотки основного трансформатора, а также во вторичных обмотках 23 и 24, 25 и 26 вспомогательных трансформаторов соответственно равны между собой , т.е. ,,,, .д. Соотношение чисел витков во вторичных обмотках 23 (24) и 25 (26) соответствующих вспомогательных трансформаторов, в крайних 19 (22) и промежуточных 20 (21) секциях вторичной об

мотки основного трансформатора выбрано равным

W,3:W,,:W, W, W :W :W :W,, - ,

35 где К

. К.

соответственно отношения чисел витков У„,

первичных обмоток 17 и 18 вспомогательных трансформаторов к числу витков дополнительной обмотки 16 основного трансформатора J

N - количество трансформаторов преобразователя ().

Вариант сггсемы преобразователя, представленный на фиг. 2, отличается от схемы на фиг, 1 тем, что в. нем каждая крайняя секция вторичной обмотки снабжена по крайней мере одним дополнительным отводом, соединенным через дополнительный ключ 28 (29) с соответствующим концом вспо- могательной вторичной обмотки. Чис- ла витков в дополнительно образованных при этом обмотках 30 и 31 равны между собой, т.е. W W,. Причем соотношение витков в обмотках 23(24),

25 (26), 30 (31), 19 (22) и 20 (21) вь брано равным

«73 « :W,, :W,, :W, - „,, К, :K :3:l:6,

W,4 а. :W,,

соответствующих вспомогательных трансформаторов, чисел витков в обмотках, заключенных между дополнительными отводами, а также дополнительными отводами и концами вторичной обмотки основного трансформатора, чисел витков в обмотках, заключенных между соседними дополнительным и промежуточным отводами, и чисел

Одна из возможных модификаций преобразователя представлена на фиг. 3, Этот вариант преобразователя дополнительно содержит третий вспомогательный трансформатор 32 с первичной 10 витков в секциях, заключенных между 33 и двумя вторичными 34 и 35 обмот- промежуточными отводами вторичной ками, четвертый ключ 36 в цепочке обмотки основного трансформатора, коммутирующего узла и четвертый про- выбрано равным K.:N:1:MN, где К. - межуточный отвод во вторичной обмот- отношение числа витков первичной об- ке основного трансформатора. При этом t5 мотки соответствующего i-ro вспомо- образованная указанным отводом про- гательного трансформатора к числу

межуточная секция 37 вторичной обмотки основного трансформатора связана с вторым выходным выводом преобразователя через дополнительно введенный основной ключ 38, Соотношение чисел витков в обмотках 23 (24) 25 (26), 34 (35), 30 (31), 19 (22) и 20 (21, 37) выбрано равным

W,3: W,s: W,9: ,: К,,: К 3:4: :1:8,

где K,W,,/W,,, K,W,g/W,, ,,.

- :U U r

26 34

Wi, W,,.

Причем W,, N5,, W ,

u w w w w

bo Ъ 19 22 20

,.J-,

в общем случае (для оптимальных схем) количество промежуточных отводов во вторичной обмотке основного трансформатора равно количеству N всех трансформаторов преобразователя Количество М-1 дополнительных отводов в каждой крайней секции вторичной обмотки может быть более одного а значение величины (числа) М выбирается из соотношения М - при N

« м N +1 .. четном либо М --- при N нечетном

Причем все обмотки, заключенные между дополнительными отводами, а такж дополнительными отводами и концами вторичной обмотки осно-вного трансфоматора, выполняются с одинаковым числом витков, Числа витков в обмот

ках, заключенных между соседними дополнительным и промежуточным отводами, также равны между собой. Одинаковое количество витков имеют секции образованные промежуточными отводами, а также вторичные обмотки в каж дом из вспомогательных трансформаторов. Для общего случая соотношение чисел витков во вторичных обмотках

.

соответствующих вспомогательных трансформаторов, чисел витков в обмотках, заключенных между дополнительными отводами, а также дополнительными отводами и концами вторичной обмотки основного трансформатора, чисел витков в обмотках, заключенных между соседними дополнительным и промежуточным отводами, и чисел

витков в секциях, заключенных между промежуточными отводами вторичной обмотки основного трансформатора, выбрано равным K.:N:1:MN, где К. - отношение числа витков первичной об- мотки соответствующего i-ro вспомо- гательного трансформатора к числу

,

. 35

витков дополнительной обмотки основного трансформатора (, 2,.,.,N-1), Нумерация диаграмм на фиг. 4-6

20 соответствует нумерации элементов схем преобразователей (фиг. 1-3), Диаграммы U5, U6, U7, U32 иллюстрируют форму и полярность напряжений на обмотках трансформаторов 5,6, 7

25 и 32 преобразователей (полярность по отношению к обозначеннь М точкой концам обмоток). Диаграмма U27 - напряжение, формируемое на нагрузке 27 (положительная полуволна - плюс

30 на правом по схеме конце нагрузки). Диаграммы U8-15, U28, U29 и U38 - импульсы управления (отпирающие), подаваемые на ключи 8-15, 28, 29 и 38 преобразователей.

Преобразователь, выполненный по схеме фиг. 1, работает следующим образом (фиг. 4).

В обмотках 19 и 22 основного трансформатора и (при задействова40 НИИ вспомогательных трансформаторов) в каждой из обмоток 23-26 индуктируются одинаковые напряжения, равные по величине амплитуде U, первой ступеньки выходного напряжения

45 преобразователя. В обмо,тках 20 и 21 в соответствии с выбранным соотноше- нием витков индуктируются напряжения в три раза большие, т.е. U U, 3U .

В интервалах времени 0-t

, 50

55

f

t -t (фиг. 4) вспомогательные трансформаторы 6 и 7 не задействованы, так как их первичные обмотки 17 и 18 зашунтированы ключами 8 и 9 (диаграммы U8-10), и, следовательно, напряжения на вторичных обмотках 23- 26 этих трансформаторов равны нулю (диаграммы U6, U7), В указанных интервалах времени путем коммутации

ключей 11-15 на нагрузке 27 формируются соответственно напряжение первой ступеньки U,U,g, напряжение четвертой ступеньки U U +1) Зи +U, 4U , напряжение седьмой ступеньки ,+изд+Цд 20, + +Ua2 7U (диаграммы U5, U11-15, U27 и. фиг. 1). При этом алгоритм работы ключей 11-15 обеспечивает формирование на нагрузке одно- полярного напряжения независимо от полярности напряжения инвертора (диаграммы U5 и U27).

В интервалах времени ,, t.t в работу вступает вспомогательный трансформатор 7, так как его первичная обмотка 18 подключается ключом 10 к дополнительной обмотке 1 основного трансформатора 5, а ключ 9 размыкается (диаграммы U10 и U9), При этом напряжение на нагрузке уие,- личивается на величину 11 ,

X

напряжения вторичных обмоток 25 вспомогательного трансформатора 7 (диаграммы U7, U27), т.е. при аналогичных коммутациях ключей 11-15 на нагрузке формируются соответственно напряжения второй ,, пятой 5U и восьмой , .ступенек

В интервалах t -t , t задействованы оба вспомогательных трансформатора 6 и 7 диаграммы U8 10, иб, U7) путем подключения их первичных обмоток 17 и 18 через ключи 9 и 10 к дополнительной обмотке 16 основного трансформатора 5. При этом третья ступенька в кривой выходного напряжения формируется из напряжений обмоток 19, 23 и 25 либо 22 24 и 26, т.е. и Цд+и„+и W.e , 3и,, шестая ступенька - из напряжений обмоток 20, 198 23 и 25 либо 21, 22, 24 и 26, т.е. U Ц. .. , + и, W,

и.. и

и 26

5

ч-%

би.

а девятая ступенька - из напряжений обмоток 21, 20, 19, 23 и ,25 либо 20, 21, 22, 24 и 26, т.е. Ug U,,н-U,+U,,-fU,,+U,, +3у,+и,+и,+U 9U, .

. В общем случае последовательность формирования ступенек может быть любой, а их количество в кривой выходного напряжения определяется диапазоном регулирования (стабилизации)

аы.Алгоритм работы модификации преобразователя по фиг. 2, представленный на фиг. 5, аналогичен указанно,

13024046

му. Дополнительные отводы в крайних секциях вторичной обмотки основного трансформатора, соединенные через дополнительно введенные основные 5 ключи 28 и 29 (фиг. 1), позволили увеличить число ступенек в кривой выходного напряжения преобразователя в два раза. Дополнительно образованные при этом секции 30 и 31 вторичной обмотки рассчитаны на на10

5

0

5

0

5

0

5

0

5

пряжение Uj U, 3U , а секции 20 и 2 - на напряжение U U. 6U, (согласно предложенному соотношению чисел витков в обмотках). Первая, четвертая, седьмая, десятая, тринадцатая и шестнадцатая ступеньки в кривой выходного напряжения формируются с помощью коммутации секций 19- 22, 30 и 31 вторичной обмотки основного трансформатора при незадействованных в работу вспомогательных трансформаторах (диаграммы на фиг. 5). Так, например, первая ступенька формируется из напряжения U U обмотки 19, четвертая - из напряжений Ц. Зи, 4U, обмоток 19 и 30, седьмая - из напряжений U,, 6U + +U, 7U, обмоток 21 и 22, десятая - из напряжений 6U,+U,-t-ЗЦ 10-и, обмоток 20, 19 и 30 и т.п. (диаграммы U11-15, U28, U29, U27 на фиг. 5), Включение в работу (задействование) вспомогательного трансформатора 7 либо одновременно двух трансформаторов 6 и 7 позволяет сформировать недостающие ступеньки: соответственно 2-, 5-J 8-, 11-| 14- и 17-ю либо 3-, 6-, 9- 12-, 15- и 18-ю.

Алгоритм работы модификации преобразователя по фиг. 3 отличается большим числом коммутаций и приведен на фиг. 6 только для четверти периода выходного напряжения. Вместе с тем, принцип формирования многоступенчатой кривой выходного напряжения сохраняется прежним. Предложенное, соотношение чисел витков обеспечивает следующие напряжения соответствующих секций вторичных обмоток:

и,,и,з и,,и,,и,,и и и,,

и, 4o UarU3i 8U,

иЛ, Вспомогательные

трансформаторы 6, 7 и 32 выполняют, как и в предаодущих схемах, функции вольтодобавочных трансформаторов. Причем в формировании ступенек с номерами (41+1), где , 1, 2,..., вспомогательные трансформаторы не

участвуют, в формировании ступенек с номерами (41+2) участвует вспомогательный трансформатор 32, в формировании ступенек с номерами (41+3) одновременно вспомогательные трансформаторы 7 и 32, в формировании ступенек с номерами (41+4) - все вспомогательные трансформаторы 6, 7 и 32.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного напряжения в переменное многоступенчатой формы, содержащий инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке основного трансформатора, вспомогательные трансформаторы, первичные обмотки которых через коммутирующий узел связаны с дополнительной обмоткой основного трансформатора, выходную цепь, образованную вторичными обмотками трансформаторов, соединенными между собой через основные управляемые ключи переменного тока, а так же блок управления, причем коммутирующий узел выполнен в виде цепочки из последовательно соединенных вспомогательных управляемых ключей переменного тока, количество ключей в цепочке равно числу трансформаторов преобразователя, дополнительная обмотка основного трансформатора подключена к концам указанной цепочки ключей, первичные обмотки вспомогательных трансформаторов первыми концами соединены с одним концом цепочки ключей, а вторыми концами подключены к соответствующим точкам соединения ключей указанной цепочки, вторичная обмотка основного трансформатора разделена на секции промежуточными отводами, вторичные обмотки вспомогательных трансформаторов, соединенные между собой согласно-после довательно, образуют вспомогательную вторичную обмотку, разделенную на две полуобмотки, каждая из полуобмоток состоит из одноименных вторичных обмоток вспомогательных трансформаторов, а точка соединения полуобмоток подключена к первому выходному вьгооду преобразователя, отличающийся тем, что, с целью упрощения и улучшения качества йы- ходного напряжения, разноименные концы вторичной обмотки основного трансформатора и вспомогательной

вторичной обмотки соединены между собой через соответствующие основные ключи переменного тока, а промежуточные отводы вторичной обмотки основного трансформатора соединены через дополнительно введенные основные ключи переменного тока с вторым выходным выводом преобразователя, причем соотношение чисел витков во вторичных обмотках соответствующих вспомогательных трансформаторов-, чисел витков в крайних секциях и чисел витков в секциях, заключенных между промежуточными отводами вторичной

обмотки основного трансформатора, выбрано равным K.:1:N, где К- - отношение числа витков первичной обмотки соответствующего i-ro вспомогательного трансформатора к чиСлу

витков дополнительной обмотки основного трансформатора, N - количество трансформаторов в преобразователе.

25

2. Преобразователь по п. 1, о т личающийся тем, что каждая крайняя секция вторичной обмотки основного трансформатора снаб- жена М-1 дополнительными отводами, соединенными с соответствующими кон цами вспомогательной вторичной обмотки через введенные дополнительные управляемые ключи переменного тока, количество промежуточных отводов вторичной обмотки основного

35 трансформатора равно количеству N трансформаторов преобразователя, а количество М-1 дополнительных отводов в каждой из крайних секций указанной обмотхи выбрано из соотноше40 N

НИН М - при N четном,

М Ч

либо

ir- при N нечетном, причем соотношение чисел витков во вторичных

обмотках соответствующих вспомога7 тельных трансформаторов, чисел витков в обмотках, заключенных между дополнительными отводами, а также дополнительными отводами и концами

50 вторичной обмотки основного трансформатора, чисел витков в обмотках, заключенных между соседними дополнительными и промежуточными отводами, и чисел витков в секциях, за55 ключенных между промежуточными отводами, вторичной обмотки основного трансформатора выбрано соответственно равным К; :N:,1 :M N,

и

а

VutJ

% в

9 10

б

U

lлллJ Jm №ЯfШflIШ Ш

г

г-1 гrh :

01 Ги -RJlffflJ V-t

iJlJ JUJ LTLRJlFUirmj qP IP

ii

vf

1 П|П

rUTLELn П П П П П П П П П П

г-1

e/,

w

№U

.niELELCirLn П П JILn.

П П

-UJ

W

У4

П П П h П hri П П П П П

Л.

t/.

45

П niH П П П П П П П П П П П П П Гя

(

i/ i tj t ty tj t7 fgt

.4

П П

Л.

Ur

ЬРЬЕи 1Жи1 1ШШЛ1ШШШ1Г

inri г-1 |-1 г-I

пп гп |-I I-I г

ППГП г

U U U

и

TJ

и.

тл

Oi J Oj ЛЛЛЛР Oj J TJ

ц

1i

п п пп п п п п п

ц

f

п п

ппппппппп

%

1

ц

ц

пл

ппппппппп

(У25рDL

Иd

п п п п п пQJHП

и

п п

и.

Чд

п п п п п

г-1 ГП Г-1П1 f

:I II-i I-I ппг- t

гп -1 гппп

iftftf

п

п п п

TJ

jn.

IL

п п

JH

1

i/21

fPuz.S

Составитель Б. Жпдак Редактор В. Данко , Техред А.КравчукКорректор А. Обручар

..-----.-.--

Заказ 1222/54 Тираж 661Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

--.--------

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород ул. Проектная, 4

Ш2.6

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б. использовано при построении инверторов с промежуточным звеном высокой частоты, а также в усилителях класса D и в им М у и ЬЧ 1 пульсных модуляторах большой мощности. Целью является упрощение и улучшение качества выходного напряжения. Устр-во содержит инвертор с основным тр-ром 5 и вспомогательными тр-рами 6,7. Дополнительная обмотка 16 тр-ра 5 через вспомогательные ключи 8-10 переменного тока соединена с первичными обмотками 17,18 тр-ров 6,7. Секции 19-22 вторичной обмотки тр-ра 5 через основные ключи 11-15 переменного тока подключены к вторичным обмоткам 23,24 тр-ра 6 и к нагрузке 27. Алгоритм работы ключей 11-15 обеспечивает формирование на наг)узке одно- полярного напряжения независимо от полярности напряжения инвертора. 1 з.п. ф-лы. 6 ил. а 9 (Л .J 11 иляяятг ймин Л а1./ о. С