Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное Советский патент 1988 года по МПК H02M5/257 

М

Изобретение отно,сится к преобразовательной технике и может найти применение в системах электропитания аппаратуры средств связи, измерительной вычислительной техники. I Цель изобретения - повьшение КПД за счет рекуперации энергии намагничивания .

На фиг. 1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2,3 - пример выполнения блоков распределения импульсов; на фиг. 4 - пример выполнения блока контроля полярности; на фиг. 5 - временные диаграммы, пояс- някицие работу устройства в различных режимах, обусловленных изменением управляющего сигнала.

. Функциональная схема содержит вы- фильтр 1, две однотактные си- ловые ячейки 2,3, блок 4 управления, блок 5 контроля полярности, Т-триг- гер 6, блоки 7-10 распределения импульсов. Каждая силовая ячейка 2,3 включает высокочастотный трансформа- тор 11, выводы 12,13 первичной обмотки 14 которого присоединены ti выводу 15 входного фильтра, через ключ

16переменного тока, выполненный полностью управляемым и ключ 17 размаг- ничивания, а к выводу 18 (входного фильтра) через ключ 19 размагничивания и ключ 20 переменного тока ключи

17и 19 размагничивания включают транзисторы 21,22, каждый из которых за- шунтирован обратным диодом 23,24. Вторичная обмотка высокочастотного трансформатора 11, выполненная по схеме со средней точкой, крайними выводами через ключи 25,26 переменного тока, выполненные полностью управляе мыми, подключена к одному из вьшодов выходного фильтра 1, а средней точкой 27 - к выводу 15. Базы транзисторов 21 ключей 17,19 силовых ячеек

2,3 подключены к прямым выходам, а базы транзисторов 22 к инверсным в.ыходам соответственно блоков 7-10 распределения импульсов.

Блок 4 управления включает задаю- щий генератор 28 генератор пилообразного напряжения 29, амплитудный детектор 30, дифференциальный усилитель 31, два компаратора 32, 33 и логический элемент 2И-НЕ 34. Выход задающего генератора 28 соединен с входами Т-триггера 6 и генератора 29 пилообразного напряжения, к выходу которого подключены инвертирукиций вход

с.

с

ю |5

20 25 „

35

40

компаратора.32, неинвертирующий вход компаратора 33 и вход амплитудного детектора 30. Выход амплитудного детектора 30 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 31, неинвертирующий вход которого объединен с неинвертирующим входом компаратора 32 и образует управляющий вход 35 блока управления. Выход дифференциального усилителя 31 соединен с инвертирующим входом компаратора 33. Выход компаратора 32 подключен к первому информационному входу 36 блока 9 распределения импульсов, первому информационному входу 37 блока 10 распределения импульсов и к одному из входов элемента 2И-НЕ 34, другой вход которого подключен к соединенным между собой, выходу компаратора 33, информационному входу 38 блока 9 распределения импульсов и информационному входу 39 блока 10 распределения импульсов. Выход элемента 2И-НЕ 34 подключен к информационным входам 40,41 блоков 9 и 10 распределения импульсов. Синхронизирующие входы 42,43 блоков 9 и 10 распределения импуЛьсов подключены к прямому выходу Т-триггера 6. Синхронизирующие входы 44,45 блоков 9,8 распределения импульсов подключены к инверсному выходу Т-триггера 6. Информационные входы 46, 47 блоков 7,8 распределения импульсов соединены с прямым выходом блока 5 контроля пр- лярности, а информационные входы 48, 49 блоков 7 и 8 распределения импульсов соединены с инверсным выходом блока 5 контроля полярности. Входы блока 5 контроля полярности подключены к выходам 15,18. Выходы 50,51 блоков 9 и 10 распределения импульсов соединены с управляющими входами ключей 16,20, соответственно, одно- тактных силовых ячеек 2 и 3. Управляющий вход ключа 25 однотактных силовых ячеек 2,3 подключен к выходам 52,53 блоков 9 и 10 распределения, а управляющий вход ключа 26 однотактных силовых ячеек 2,3 подключен к выходам 54,55 блоков 9 и 10 распределения импульсов.

Блоки 7 и 8 распределения импульсов (фиг. 2) содержат два элемента 2И 56,57, первые входы которых объединены и, образуют синхронизирующие входы 42,45, а вторые входы являются информационными входами 46,48.

При этом выход 56 элемента 2И является прямым выходом блоков 7 и 8 распределения импульсов 7,8, а выход элемента 2 и 57 - инверсным выходом -g блоков 7 и 8 распределения импульсов.

Блоки 9 и 10 распределения импульсов 9,10 (фиг. 3) содержат два элемента 2И 56,57, первые входы которых ю объединены и образуют синхронизирующие 1зходы 42,45, а вторые входы являются информационными входами 46,48. При этом выход 56 элемента 2И являляющих входах ключей 16 и 20, напряжение 75 сети (переменное), напряжение 76 на прямом выходе блока 5 конт роля полярности, последовательность импульс ов 77 на базах транзисторов 22 ключей размагничивания 17 и 19 од нотактной силовой ячейки 2, последовательность импульсов 78 на базах транзисторов 21 ключей размагничивания 17 и 19 однотактной силовой ячей ки 2, огибающая напряжения повьшенно частоты 79 на высокочастотном трансформаторе 11 однотактной силовой

ется прямым выходом блоков 7 и 8 рас- 15 ячейки 2, напряжение 80 повышенной

20

30

ределения импульсов, а выход элемента 2 и 57 - инверсным выходом блоков 7 и 8 распределения импульсов.

Блоки 9 и 10 распределения импульсов (фиг. 3) содержат элементы 2И, 58,59,60, первые выходы которых объеинены и образуют синхронизирующие входы 44,43, а входы - 36-41 являются информационными.

Блок 5 контроля полярности (фиг. 4) 25 содержит согласующий -трансформатор 61, компаратор 62 и элемент НЕ 63. Выводы первичной обмотки трансформатора 61 являются входами блока 5 контроля полярности. Неинвертирующий выход компаратора 62 соединен с одним из выводов вторичной обмотки трансформатора 61. Другой вывод вторичной обмотки трансформатора 61 ц инвертирующий вход компаратора 62 соединены с общей шиной. Выход компаратора 62 соединен с входом элемента НЕ 63 и является .прямым -выходом блока 5 контроля полярности. Выход элемента НЕ 63 является инверсным выходом блока 5 контроля полярности 5.

На фиг. 5 изображено напряжение 64 на выходе задающего генератора 28, напряжение 65 генератора 29, напряжение 66 на управляющем входе 35 блока

35

45

управления 4, напряжение 66 на выходе дифференциального усилителя 31, последовательность импульсов 67 на выходе компаратора 32, последователь- но.сть импульсов 68 на выходе компаратора 33, последовательность импульсов 69 на выходе элемента 2И-НЕ 34, последовательность импульсов 70-71 на прямом и инверсном выходах Т-тригге- ра 6, напряжение 72 на управляющем входе ключа 25 однотактной силовой ячейки 2, напряжение 73 на .управляющем входе ключа 26 однотактной силовой ячейки 2, напряжение 74 на управляющих входах ключей 16 и 20, напряжение 75 сети (переменное), напряжение 76 на прямом выходе блока 5 контроля полярности, последовательность импульс ов 77 на базах транзисторов 22 ключей размагничивания 17 и 19 од- нотактной силовой ячейки 2, последовательность импульсов 78 на базах транзисторов 21 ключей размагничивания 17 и 19 однотактной силовой ячей- ки 2, огибающая напряжения повьшенной частоты 79 на высокочастотном трансформаторе 11 однотактной силовой

0

5

5

частоты на обмотках высокочастотного трансформатора 11, огибающая добавочного напряжения 81 на выходе однотактной силовой ячейки 2, выходное добавочное напряжение 82 однотактной силовой ячейки 2.

Устройство работает следующим образом.

Управление ключами устройства осуществляется при помощи блока 4 управления. Напряжение 64 с выхода задающего генератора 28 поступает на выходы Т-триггера 6 и генератора 29. Напряжение 65 (фиг. 5) сравнивается на компараторе 32 с напряжением 66, поступающим с управляющего входа 35 блока 4 управления. Если напряжение ниже напряжения 65 по уровню, то на выходе компаратора 32 О, если напряжение 66 выше пилообразного напряжения 65, то на выходе компаратора 32 формируется 1. Напряжение 65 также поступает на вход амплитудного детектора 30, где происходит выделение его амплитудного значения. Выходное напряжение амплитудного детектора 30, равное амплитуде напряжения 6-5 подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя 31, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение с управляющего входа 35 блока 4 управления. Разностный сигнал напряжения 66 с выхода дифференциального усилителя 31 поступает на инвертирующий вход компаратора 33 и сравнивается с напряжением 65. Если напряжение 66 ниже напряжения 65, на выходе компаратора 33 формируется 1, а если напряжение 66 больше напряжения 65, то на выходе компаратора 33 О. С выхода компаратора 32 последовательность ум- пульсов 67 поступает на информационный вход 36 блока 9 распределения импульсов, на информационный вход 37

5

0

5

блока 10 распределения импульсов и на один из входов элемента 2И-НЕ 34, Последовательность импульсов 68 компаратора 33 поступает на другой вход элемента 2И-НЕ 34, на информационный вход 38 блока 9 распределения импульсов и на ит формационный вход 39 блока 10 распределения импульсов. Сформированная на выходе элемента 2И-НЕ 34 последовательность импульсов 69 поступает на информационные входы 40,41, соответственно, блоков 9 и 10 распределения импульсо1в. Блоки 9 и 10 распределения импульсов осуществляют передачу последовательностей импульсов 67-69 с информационных входов 36-41 на выходы 50-55 в соответствии с пунктирными линиями, проведенными внутри блоков 9 и 10 распределения импульсов и с учетом последовательностей импульсов 70,71, поступающих с выходов Т-триггера 6 на синхронизирующие входы 43,44. Таким образом, на нечетных тактах задающего генератора 28 в соответствии с последовательностью импульсов 70 работает од- нотактная силовая ячейка 2, а на четных, в соответствии с последовательностью импульсов 71 - работает одно- тактная силовая ячейка 3. Другими словами однотактные силовые ячейки 2,3 работает по очереди, при этом нечетным тактам задающего генератора 28 соответствуют периоды задающего генератора 28 на фиг. 5 с номерами |1,3,5... (отсчет периодов начинается fc первого по диаграмме периода), а четным тактам - периоды с номерами 2,4,6... Блоки 7 и 8 распределения Импульсов осуществляют передачу последовательности импульсов 70,71 с выходов Т-триггера 6 на управляющие цепи транзисторов 21,22 ключей 1размагничивания 17,19 в соответствии с сигналом блока 5 контроля поляр- ности. При положительной полярности напряжения 75 включаются транзисторы 22 ключей размагничивания 17,19 Причем на четных тактах задающего генератора 28 включаются транзисторы 22 однотактной силовой ячейкой 2, а на нечетных - транзисторы 22 однотактной СИ.ПОВОЙ ячейки 33. При отрицательной полярности напряжения 75

10

15

20

25

30

35

40

45

50

ячейки 2, а на нечетных транзисторы 21 однотактной силовой ячейки 3.

Режим работь однотактных силовых явеек 2,3 определяется величиной напряжения 66 на управляющем входе 35 блока 4 управления. Рабочая зона изменения напряжения 66 лежит в предем лах от О до удвоенной амрлитуды напряжения 65. При этом в зависимости от величины напряжения 66 наблюдает ся следующие характерные режимы работы: режим максимальной отбавки соответствует величине управляющего Uj, напряжения 66 Uy 6 О. На фиг. 5 этот режим наблюдается по времени от нуля до tj, причем он характеризуется тем, что одновременно включены ключи 26, 16 и 20 однотактной силовой ячейки 2, как это следует из диаграммы 73,74 фиг. 5. При этом, из напряжения 75 вычитается выходное добавочное напряжение 82, определяемое соответствующим коэффициентом трансформации. I

При изменении управляющего сигнала в пределах О 4 Uy i U , где и„ - амплитуда пилообразного напряжения, что на фиг. 5 соответствует интервалу времени ,, наблюдается режим регулируемой вольтоотбавки. В этом случае одновременно замкнутое состояние ключей 26, 16, 20 чередуется с состоянием одновременно замкнутых ключей 26,25, как это следует из диаграмм 72,73,74. При этом одновременно замкнутое состояние ключей 25, 26 при разомкнутых ключах 16,20 соот ветствует закороченному режиму работы высокочастотного трансформатора 11. К выходному фильтру прикладьта- ется напряжение, равное напряжению 75 сети. Таким образом, на выходе преобразователя этот режим характеризуется чередованием напряжений двух уровней, а именно, уровнем напряжения, равным напряжению 75 сети и уровнем напряжения, равным разности между напряжением 75 сети и выходным добавочным напряжением 82 вторичной полуобмотки трансформатора 11. В зависимости от величины управляющего сигнала изменяется длительность импульса соответствующего разностному уровню выходного напрявключаются транзисторы 21 однотактных 5 сения. При этом, при увеличении сигсиловьк ячеек 2,3 опять же по очереди так, что на четных тактах включены транзисторы 21 однотактной силовой

нала управления длительность замкнутого состояния ключей 25,26 возрастает и при Uy и на выходе преобра

5

0

5

0

5

0

5

0

ячейки 2, а на нечетных транзисторы 21 однотактной силовой ячейки 3.

Режим работь однотактных силовых явеек 2,3 определяется величиной напряжения 66 на управляющем входе 35 блока 4 управления. Рабочая зона изменения напряжения 66 лежит в предем лах от О до удвоенной амрлитуды напряжения 65. При этом в зависимости от величины напряжения 66 наблюдается следующие характерные режимы работы: режим максимальной отбавки соответствует величине управляющего Uj, напряжения 66 Uy 6 О. На фиг. 5 этот режим наблюдается по времени от нуля до tj, причем он характеризуется тем, что одновременно включены ключи 26, 16 и 20 однотактной силовой ячейки 2, как это следует из диаграммы 73,74 фиг. 5. При этом, из напряжения 75 вычитается выходное добавочное напряжение 82, определяемое соответствующим коэффициентом трансформации. I

При изменении управляющего сигнала в пределах О 4 Uy i U , где и„ - / амплитуда пилообразного напряжения, что на фиг. 5 соответствует интервалу времени ,, наблюдается режим регулируемой вольтоотбавки. В этом случае одновременно замкнутое состояние ключей 26, 16, 20 чередуется с состоянием одновременно замкнутых ключей 26,25, как это следует из диаграмм 72,73,74. При этом одновременно замкнутое состояние ключей 25, 26 при разомкнутых ключах 16,20 соответствует закороченному режиму работы высокочастотного трансформатора 11. К выходному фильтру прикладьта- ется напряжение, равное напряжению 75 сети. Таким образом, на выходе преобразователя этот режим характеризуется чередованием напряжений двух уровней, а именно, уровнем напряжения, равным напряжению 75 сети и уровнем напряжения, равным разности между напряжением 75 сети и выходным добавочным напряжением 82 вторичной полуобмотки трансформатора 11. В зависимости от величины управляющего сигнала изменяется длительность импульса соответствующего разностному уровню выходного напря5 сения. При этом, при увеличении сигнала управления длительность замкну того состояния ключей 25,26 возрастает и при Uy и на выходе преобразователя действует неискаженное напряжение, равное напряжению сети. Такой режим работы называется режимо неискаженной передачи напряжения се- ти на нагрузку. При дальнейшем увеличении напряжения 66 управления в пределах и и у 2Uj, что по фиг. 5 соответствует интервалу времени tj-t, алгоритм замыкания ключей од- нотактных силовых ячеек изменяется в соответствии с диаграммами 72,73, 74 так, что одновременно замкнутое состояние ключей 16,20,25 чередуется с одновременно замкнутым состояни ем ключей 25,26. При этом выходное напряжение преобразователя изменяется с частотой задающего генератора 28 между двумя уровнями - уровнем напряжения 75 сети и уровнем, равном сумме напряжения 75 и выходным добавочным напряжением 82 на вторичной полуобмотке трансформатора 11. Такой режим работы называется режимом регулируемой вольтодобавки, причем при увеличении напряжения 66 управления увеличивается длительность одновременного замкнутого состояния ключей 6,20,25 так, что при U у , это состояние занимает по времени весь по- лупериод повьшенной-частоты и такой режим называется режимом максимальной вольтодобавки. Таким образом, при изменении напряжения 66 в пределах О Uy : 2и„ выходное напряжение преобразователя будет изменяться в

пределах (U. - U ) вых Uc +Uca где U(. - напряжение сети Uc - напряжение на вторичной полуобмотке высокочастотного трансформатора 11, Ug - выходное напряжение преобразователя за счет широтно-импульсного регулирования вольтодобавочного напряжения, которое еще и реверсируется относи- .т ёльно напряжения сети, вычитаясь или суммируясь с последним. Магнитный режим работы сердечников высокочастотного трансформатора 11 опреде- ляется напряжением 80. За счет того, что однотактные силовые ячейки 2,3 работают по очереди, на одном полу- периоде повьпиенной частоты происходит намагничивание сердечника, а на следующем полупериоде происходит его размагничивание. При этом, максимальные зремена -.намагничивания и размагничивания равны полупериоду повышенной частоты, В процессе регулирования выходного напряжения время на.-

мг 10 -}52025 jn

. . 50

55

магничивания сердечника трансформатора уменьшается до нуля, при этом величина размагничивающих вольтсе- кунд автоматически регулируется так, что намагничивающие и размагничиваю- ние вольтсекундные площади остаются равными в пределах каждого периода повышенной частоты. Это достигается тем, что применены ключи 17,19 размагничивания, состоящие из двух встречно включенных транзисторов 21, 22, зашунтированных обратными диодами 23,24, а транзисторы 21,22 включаются по очереди в соответствии с напряжениями 78-76. При этом автоматическое регулирование размагничивающих вольсекунд достигается за счет выключения обратных диодов 23,24 при переходе тока намагничивания через нуль. Контур намагничивания включает вывод 15, ключ 16, первичную обмотку 15 с выводами 12,13, ключ 20, вывод 18. Контур размагничивания при положительной полярности напряжения - вывод 13 обмотки 14, транзистор 22, обратный диод 23, выводы 15,18 транзистор 22, обратньй диод 23 ключа 19 размагничивания, вывод 12 обмотки 14. При отрицательной полярности напряж е- ния контур намагничивания остается таким же, а контур размагничивания является следующим: вывод 12 обмотки 14, транзистор 21, обратный ключа размагничивания 19 выводы 18,15, транзистор 21, обратный диод 24 ключа размагничивания 17, вывод 13 обмотки 14. Указанные контуры намагничивания и размагничивания обеспечивают одинагковые величины напряжений намагничивания и размагничивания, равные примерно напряжению 75 сети. Равенство вольтсекундных площадей будет сохраняться и в динамике, т.е. при -любой скорости изменения управляющего, сигнала, что будет исключать режим намагничивания сердечника трансформатора.

Формула изобретения

I

1. Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное по авт.ев, 1372539, отличаю-. щ и и с я тем, что, с целью повышения КПД за счет рекуперации энергии намагничивания, в каждую однотактную силовуя ячейку введен дополнительный . включенный мезкду первым вьгоодом входного фильтра и началом пер- вичной обмотки высокочастотного трансформатора, управляющий вход которого объединен с управляющим входом пер- вого ключа, узел размагничивания содержит два ключа размагничивания, каждый из которых выполнен в виде ;. двух встре;чно включенных транзисторов, зашунтированных обратными диода- ми, при этом первый ключ размагничивания, выводы входного фильтра,второй ключ размагничивания формируют последовательную цепь, а свободные выводы ключей размагничивания формируют вы- ходные выводы узла размагничивания, кроме того, выводы управляющих цепей однонапраззленных транзисторов попарно объединены и подключены к разноименным ходам введенного дополнительно го распределителя импульсов,информационные входы которого подключены к выходам введенного блока контроля

полярности,. а синхронизирующие - к соответствующему выходу Т-триггера блока управления, при этом вход блока контроля полярности соединен с выводами входного фильтра.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что блок контроля полярности выполнен в виде компаратора напряжения, инвертирующий вход которого подключен к общему выводу, неинвертирующий вход подключен к первому выводу вторичной обмотки согласующего трансформатора, второй вывод которой соединен с общим выводом, а выводы первичной обмотки подключены к входным выводам, при этом выход компаратора присоединен к входу элемента НЕ, причем выход компаратора является прямым выходом блока контроля полярности, а выход элемента НЕ - инверсньм выходом блока контроля полярности.

Изобретение относится к преобразовательной- технике. Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия за счет рекуперации энергии намагничивания. Регулирование напряжения на выходе осуществляют изменением относительности времени и направления включения вольто- добавочной обмотки высокочастотного трансформатора 11 между выводами 15,18 и выходным фильтром 1. Преобразователь содержит две одинаковые однотактные силовые ячейки (ОСЯ) 2,3. ОСЯ 2,3 работают поочередно.Во время работы одной из ОСЯ высокочастотный -. трансформатор 11 другой ОСЯ размагничивается. Размагничивание высокочастотного трансформатора 11 осуществляется путем отдачи накопленной энергии в сеть через ключи размагничивания 17,19, за счет чего достигается поставленная цель. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. с (g (Л

Шверсиьш вшо

д,9

us.2

Фиг. Ъ

Закаэ 3493/55

Тираж 665

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

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

ФиеЛ

Подписное