Однофазный двухполупериодный преобразователь переменного напряжения в постоянное Советский патент 1990 года по МПК H02M7/10 

10

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания. Цель изобретения - улучшение мас- согабаригных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов .

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу; на фиг.З - структурная схема блока управления; на фиг.4 - диаграммы, поясняющие его работу; на фиг.З - структурная схема синхронизатора.15

Преобразователь (фиг.1) содержит п цепочек, каждая из которых,, кроме первой и последней, состоит из конденсатора 1 и двух неуправляемых вентилей 2 и 3, а первая и последняя - 20 из конденсатора 1 и вентилей 3 и 2 соответственно, каждая предыдущая цепочка соединена с последующей через неуправляемый вентиль 4, неуправляемые вентили 5-10, управляемые ключи 25 11-13, конденсатор 14 и блок 15 управления.

Неуправляемые вентили 2 образуют катодную группу, выход (шина) 16 которой образован объединенными положи- 30 тельными входами и выходом цепочек, а вентили 3 образуют анодную группу, выход (шина) 17 которой образован объединенными отрицательными входом и выходом цепочек. Входная (фазная) шина (входной вывод) 18 преобразова- ,теля через вентиль 5 в обратном вклю- ,чении соединена с одним выводом управляемого ключа 11 и анодом вентиля 7 , катод которого соединен с като- ,JQ дом вентиля 9 и шиной 16, которая подключена через управляемый ключ 12 к положительной выходной шине (выходной вывод) 19 преобразователя. Кроме того, шина 18 через вентиль 6 в пря- 45 мом включении соединена с другим выводом ключа 11 и катодом вентиля 8, анод которого соединен с анодом вентиля 10 и шиной 17, которая через уп35

подключен к шинам 18 и 21, а выходы 23-25 - к соответствующим управляющим электродам управляемых ключей. Фазная шина источника переменного напряжения U, подключается к шине 18, а нейтрали - к шине 21. Нагрузка преобразователя одним выводом подключается к общей шине 22, а другим - к шине 19 или 20 в зависимости от требуемой полярности выходного напряжения. Кроме того, если требуется положительная полярность выходного напряжения, то

шина 20 должна быть соединена с шиной 22, а если требуется отрицательная полярность, то с шиной 22 должна быть соединена шина J 9.

Блок J5 управления Сфиг.З) содержит синхронизатор 26, генератор 27 тактовых импульсов (ГТИ), счетчик 28 четыре компаратора , комбинационный узел 33, два согласующих кас када 34 и 35, устройство 36 задержки триггер Шмитта 37, пусковой триггер 38 и источник 39 питания.

Выход 40 синхронизатора 26 соедит нен с R-входом счетчика 28, С-вход которого соединен с выходом ГТИ 27, а выход информационной шиной 41 соединен с каждым компаратором 29-32, на другие входы которых заведены опорны числа t,, t7, t3 и t4 соответственно Выходы 42-45 компараторов соединены шиной 46 с входами комбинационного узла 33, выходы 47 и 48 которого через соответствующие согласующие каскады 34 и 35 соединены с управляющими электродами управляемых ключей. Выход 49 устройства 36 задержки через триггер Шмитта 37 выходной тиной 50 соединен с входом 51 комбинационного узла 33 и с входом 52 пускового триггера 38. Кроме того, входы 53 и 54 пускового триггера соединены соответственно с выходами 40 и 55 синхронизатора и комбинационного узла, вход 56 которого соединен с выходом 57 пускового триггера.

Синхронизатор 26 (Фиг.5) содержит

равляемый ключ 13 соединена с отрица- 5Q Усилитель огРаничитель 58, два идентельной выходной шиной (с отрицательным выходным выводом) 20 преобразователя. Конденсатор 14 включен между шинами 19 и 20. Анод вентиля 9 и катод вентиля 10 объединены и соединены ее с общей шиной (общим выводом) преобразователя, образованной объединенными входным 21 и выходным 22 выводами (шинами). Вход блока 15 управления

тичных формирователя 59 и 60 импульсов, инвертор 61 и схему 62 совпадения. Выход 63 усилителя-ограничителя 58 через формирователь 59 импульсов соединен с одним входом схемы совпадения, а через последовательно соединенные инвертор 61 и формирователь 60 импульсов - с другим входом схемы 62 совпадения.

0 5

0 Q 5

5

подключен к шинам 18 и 21, а выходы 23-25 - к соответствующим управляющим электродам управляемых ключей. Фазная шина источника переменного напряжения U, подключается к шине 18, а нейтрали - к шине 21. Нагрузка преобразователя одним выводом подключается к общей шине 22, а другим - к шине 19 или 20 в зависимости от требуемой полярности выходного напряжения. Кроме того, если требуется положительная полярность выходного напряжения, то

шина 20 должна быть соединена с шиной 22, а если требуется отрицательная полярность, то с шиной 22 должна быть соединена шина J 9.

Блок J5 управления Сфиг.З) содержит синхронизатор 26, генератор 27 тактовых импульсов (ГТИ), счетчик 28, четыре компаратора , комбинационный узел 33, два согласующих каскада 34 и 35, устройство 36 задержки, триггер Шмитта 37, пусковой триггер 38 и источник 39 питания.

Выход 40 синхронизатора 26 соедит нен с R-входом счетчика 28, С-вход которого соединен с выходом ГТИ 27, а выход информационной шиной 41 соединен с каждым компаратором 29-32, на другие входы которых заведены опорные числа t,, t7, t3 и t4 соответственно. Выходы 42-45 компараторов соединены шиной 46 с входами комбинационного узла 33, выходы 47 и 48 которого через соответствующие согласующие каскады 34 и 35 соединены с управляющими электродами управляемых ключей. Выход 49 устройства 36 задержки через триггер Шмитта 37 выходной тиной 50 соединен с входом 51 комбинационного узла 33 и с входом 52 пускового триггера 38. Кроме того, входы 53 и 54 пускового триггера соединены соответственно с выходами 40 и 55 синхронизатора и комбинационного узла, вход 56 которого соединен с выходом 57 пускового триггера.

Синхронизатор 26 (Фиг.5) содержит

Усилитель огРаничитель 58, два идентичных формирователя 59 и 60 импульсов, инвертор 61 и схему 62 совпадения. Выход 63 усилителя-ограничителя 58 через формирователь 59 импульсов соединен с одним входом схемы совпадения, а через последовательно соединенные инвертор 61 и формирователь 60 импульсов - с другим входом схемы 62 совпадения.

Ключи 11-13 управляются в соответствии с диаграммами, показанными на фиг.2 и 4, где Uf и U - преобразуемое напряжение и его амплитудное значение; Un и U0 - напряжение на нагрузке и его среднее значение; i. - ток заряда конденсаторов 1 (ток, потребляемый от первичного источника); t, и t p - время заряда и разряда конденсаторов 1; Т - период преобразуемого напряжения.

Управляемые ключи 11-13 (Лиг.1), усилитель-ограничитель 58 (фиг.5.) , согласующие каскады 34 и 35, источник 39 питания, комбинационный узел 38, генератор тактовых импульсов 27, триггер Шмитта 37 и пусковой триггер 38 (фиг.З) могут быть выполнены по известным схемам на цифровых элементах.

Преобразователь работает следующим образом.

Фаза источника переменного напряжения подключается к шине 18 (фиг.1), а нейтраль - к шине 21. Пусть на нагрузке требуется напряжение положительной полярности относительно нейтрали. Тогда нагрузка подключается к шинам 19 и 22, а шина 20 должна быть соединена с шиной 22 (если на нагрузке требуется напряжение отрицательной полярности относительно нейтрали, то она должна подключаться к шинам . 20 и 22, а шина 19 должна быть соединена с шиной 22). В установившемся режиме на конденсаторах 1 и 14 имеется напряжение Сг полярность которого указана на фиг.1, а форма - на (Ьиг.2 и 4.

С момента t, (фиг.2) до момента tz управляемый ключ II (фиг.1) открыт, а ключи 12 и 13 закрыты. Во время заряда t , конденсаторы J подзаряжаются током i по цепи: шина 18 - вентиль 6 - ключ 11 - вентиль 7 - последовательно включенные через вентили 4 конденсаторы 1 - шина 17 - вентиль 10 - шина 21, а напряжение UHна нагрузке поддерживается конденсатором 14, разряжающимся по цепи: конденсатор 14 - шина 19 - нагрузка - соединенные шины 22 и 20 - конденсатор 14. С момента t г после задержки для полного закрывания ключа 11 (фиг.4) открываются ключи 12 и 13, и все конденсаторы 1 параллельно и одновременно (каждый через свои разрядные вентили 2 и 3) разряжаются на параллельно соединенные конденсатор 14 и нагрузку по цепи: конденсатор 1 - вентиль 2 - ключ 12, шина 19, конденсатор 14 и нагрузка - шина 22 и соединенная с ней пгина 20 - ключ 13 - вентиль 3 - конденсатор 1, в течение времени разряда tp. При этом форма напряжения на подзаряжающемся конО денсаторе 14 и на нагрузке будет такой, как указано на фиг.2 и 4. С учетом времени задержки t 5вд для полного закрывания ключей 12 и 13 длительность этого первого цикла (такта) за-

5 ряд-разряд от момента t, до момента t3 равна t y+ t3elA + tp + t ЗЧА - Т/4. С момента t3 и до момента tj (фиг.2) в этот же положительный полупериод преобразуемого напряжения

0 осуществляется второй цикл работы аналогично первому. В отрицательный полупериод преобразуемого напряжения также будет два цикла заряда - разряда конденсаторов 1. Работа преобра5 зователя отличается только цепью прохождения тока заряда i , конденсаторов 1. В третьем (от t sдо t) и четвертом (от t T до tg) циклах в течение t3. конденсаторы J подзаряжаются током

0 i j по цепи: шина 21 - вентиль 9 - последовательно включенные через вентили 4 конденсаторы 1 - вентиль 8 - ключ 11 - вентиль 5 - шина 18. Таким образом, с помощью одного управляемо5 го ключа 11 и шести неуправляемых вентилей 5-10 обеспечивается двухпо- луперйодное преобразование рода тока с общей для входа и выхода преобразователя шиной 21-22. Кроме того, за

0 период преобразуемого напряжения осуществляется четыре цикла (такта) заряда - разряда, конденсаторов реактивной части преобразователя. Длительность одного цикла равна Т/4, т.е.

5 частота преобразования в четыре раза выше частоты преобразуемого напряжения. Такой режим работы преобразователя обеспечивается блоком управления.

о Блок 15 управления (фиг.З) работает следующим образом.

В установившемся режиме синхронизатор 26 в моменты перехода напряжения сети U1 (фиг.4) через нуль выра5 батывает синхроимпульсы, которые поступают на вход установки нуля счетчика 28 и каждый полупериод сети сбрасывают счетчик. На его счетный вход поступают импульсы с выхода ГТИ

27. С выходов счетчика текущее значение счета A t, ...,А 4 по информационной тине 41 поступает на входы цифро- вых компараторов 29-32, на другие

входы которых заведены опорные числа В.,,..., В4, определяющие моменты (t и t,t и t4 на фиг. 1) начала и конца заряда конденсаторов 1 (фиг.) по уровню 0,7 и,„. В момент равенства числа им- пульсов, поступающих от ГТИ 27 через счетчик 28, и опорного числа (А., В,; А2 В,; Аэ В, и А4 В«) каядый компаратор вырабатьгоает синхроимпульс (t1f t0 , t3 и t4 на фиг.4) Эти импульсы поступают на комбинационный узел 33, который формирует управляющие импульсы заряда, разряда и задержки (фиг.4) соответствующей длительности. Эти импульсы через сог- ласующие каскады 34 и 35 управляют работой ключей H-I3 (фиг . I ) .

В установившемся режиме конденсатор устройства 36 задержки заряжен до напряжения Un источника 39 пита- ния и на выходе триггера Шмитта 37 будет низкий уровень напряжения (Лог. О), который разрешает комбинационному узлу 33 управлять ключами Л-13 и удерживает пусковой триггер 38 в ус- тойчивом состоянии.

В переходном режиме при включении преобразователя в сеть пусковой триггер 38 совместно с триггером Шмитта 37 и устройством 36 задержки обеспечивает заряд конденсаторов J (фиг.1) один раз каждый полупериод напряжения сети, начиная с момента перехода его через нуль. Количество полупериодов сети для выхода преоб- разователя на установившийся режим работы определяется постоянной време™ ни RC-цепи устройства 36 задержки. Во время переходного процесса нарастает напряжение питания Un и с запаздыва- нием нарастает напряжение на конденсаторе устройства 36 задержки. На выходе 50 триггера Шмитта имеет место высокий уровень напряжения (Лог.1). Эта единица по входу 51 запрещает

комбинационному узлу 33 управлять ключами 11-13, снимая с них управляющие сигналы, и разрешает по входу 52 работу пускового триггера 38, который сигналом с синхронизатора 26 по входу 53 переводится в единичное состояние, а сигналом с выхода 43 компаратора 30 через комбинационный узел 33 (выход 55) по 54 переводит

5 0

5 0

- 0 5 0

5

ся в нулевое состояние. Этот импульс через комбинационный узел и согласующий каскад 34 передается на управляемый ключ 11 и тем самым обеспечивается плавное нарастание тока, потребляемого от сети, т.е. мягкий запуск преобразователя.

Синхронизатор 26 (Лиг.5) работает следующим образом.

На вход 18 усилителя-ограничителя 58 поступает переменное напряжение сети. С его выхода 63 прямоугольное напряжение передается на (Ьормирова- тель 59 коротких импульсов, вырабатывающий сигнал по положительному перепаду напряжения один раз за период сети. Инвертированное с помощью инвертора 61 прямоугольное напряжение передается на другой формирователь 60. Сигнал на его выходе соответствует по времени отрицательному перепаду прямоугольного напряжения, снимаемого с усилителя-ограничителя. Оба коротких импульса объединяются схемой 62 совпадения, выход 39 которой является и выходом синхронизатора. Выходные синхроимпульсы (фиг.1) соответствуют переходу напряжения сети через ноль.

Таким образом, предлагаемый преобразователь является двухполупериодным четырехтактным. Его частота преобразования в два раза выше,чем у известного, а время разряда конденсаторов в два раза меньше. Поэтому при одинаковых выходных параметрах суммарная емкость реактивной части предлагаемого преобразователя по сравнению с известным в два раза деньте и, следовательно, меньше масса и объем реактивной части и преобразователя в целом,

Кроме улучшения массогабаритных показателей предлагаемый преобразователь обладает высокой надежностью, так как уменьшено количество управляемых элементов в силовой части и обеспечен мягкий запуск при включении преобразователя в сеть. Частота пульсации выходного напряжения по первой гармонике равна 4f сети. Поэтому при дальнейшем сглаживании пульсации дополнительное фильтрующее устройство имеет меньшие массу и объем.

Формула изобретения

1. Однофазный двухполуперйодный преобразователь переменного напряже

у1 5

ния в постоянное, содержащий первые входной и выходной и вторые входной и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, блок деления напряжения, сое- тоящий из последовательных цепочек, каждая из которых, кроме первой и последней, состоит из последовательно соединенных первого неуправляемого вентиля, конденсатора и второго неуправляемого вентиля, а первая и последняя цепочки состоят соответственно из последовательно соединенных конденсатора с вторым неуправляемым вентилем и конденсатора с первым неуправляемым вентилем, причем разноименные обкладки конденсаторов смежных цепочек соединены через третий неуправляемый вентиль, катоды первых вентилей указанных иепочек объединены в общую точку, подключенную через первый управляемый ключ к первому выходному выводу, аноды вторых вентилей указанных цепочек объединены в общую точку, подключенную через второй управляемый ключ к второму выходному выводу, а также выходной конденсатор, включенный между выходными выводами, один из которых объединен с вторым входным выводом, образуя общий вывод, четвертый неуправляемый вентиль, катодом соединенный с общим выводом, третий управляемый ключ и блок управления управляемыми ключами, выполненный обеспечивающим в течение каждого периода питающего напряжения поочередное переключение управляемых ключей в соответствии с циклами заряда-разряда конденсаторов блока деления напряжения, отличающи й- с я тем, что, с целью улучшения мас- согабаритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов , вывод свободной обкладки конденсатора первой цепочки блока деления напряжения подключен к общей точке соединения катодов указанных первых неуправляемых вентилей, вывод свободной обкладки конденсатора последней цепочки подключен к общей точке соединения анодов указанных вторых неуп-- равляемых вентилей и дополнительно введены пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый неуправляемые вентили, причем катод пятого вентиля соединен с первым входным выводом и с анодом шестого вентиля, катод которого соединен с катодом восьмого вентиля и с

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

32Ю

одним из выводов третьего управляемого ключа, другой вывод которого соединен с анодами пятого и седьмого вентилей., катод последнего из которых соединен с катодом девятого вентиля и с обг. ей точкой соединения катодов указанных первых вентилей, анод девятого вентиля соединен с катодом четвертого вентиля, анод которого соединен с анодом восьмого вентиля и с общей точкой соединения анодов указанных вторых вентилей, а блок управления выполнен обеспечивающим в течение каждого периода четырехтактное переключение управляемых ключей.

2,Преобразователь по п., отличающийся тем, что б-лок управления содержит синхронизатор, генератор тактовых импзйпьсов, счетчик, четыре компаратора, комбинационный узел, два согласующих каскада, устройство задержки, триггер Шмитта, пусковой триггер и источник питания, причем вход синхронизатора соединен

с второй входной шиной преобразователя, а выход - с Р.-входом счетчика, С-вход которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход счетчика соединен информационной шиной с каждым компаратором, другие входы которых соединены с источником опорных чисел, при этом выходы всех компараторов соединены с соответствующими входами комбинационного узла, выходы которого через согласующие каскады соединены с управляющими электродами соответствующих управляемых ключей, выход источника питания соединен с входом устройства задержки, выход которого через триггер Шмитта соединен с одним из входов пускового триггера и одним из входов комбинационного узла, один из выходов комбинационного узла соединен с другим входом пускового триггера, выход которого соединен с другим входом комбинационного узла, а выход синхронизатора соединен с третьим входом пуского триггера.

3.Преобразователь по п.2, отличающийся тем, что синхронизатор содержит усилитель-ограничитель, два идентичных йюрмирователя , импульсов, инвертор и схему совпадения, причем вход усилителя-ограничителя образует вход синхронизатора, а выход через первый формирователь импульсов соединен с одним входом схемы

1 154173212

совпадения, выход которой образует второй формирователь импзшьсов - с выход синхронизатора, и через после- другим входом указанной схемы совпа- дователъно соединенные инвертор и дения.

М

f

т

т

W , L tp J

и

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания. Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов. Устройство состоит из параллельно соединенных цепочек, каждая из которых, кроме первой и последней, выполнена в виде последовательно соединенных неуправляемого вентиля 2, конденсатора 1 и неуправляемого вентиля 3. Первая цепочка состоит из конденсатора 1 и вентиля 3, а последняя - из конденсатора 1 и вентиля 2. Катоды вентилей 2 через управляемый ключ 12 подключены к выходному выводу 19. Аноды вентилей 3 через управляемый ключ 13 подключены к выходному выводу 20. Параллельно первой цепочке включена цепь из последовательно соединенных вентилей 9, 10, катод первого из которых через встречно включенные вентили 5, 7 и анод второго через вентили 6, 8, включенные в обратном направлении по отношению к вентилям 5, 7, соединены с входным выводом 18. Анод вентиля 9 соединен с общим выводом 22. Блок 15 управления обеспечивает четырехтактное переключение ключей 11, 12, 13 в течение периода питающего напряжения. Ключ 11 своими выводами включен между анодом вентиля 7 и катодом вентиля 8. Устройство позволяет в каждый полупериод дважды заряжать конденсаторы от сети и разряжать их на нагрузку. При этом время их разряда меньше четверти периода. Частота пульсации выходного напряжения равна 4F сети. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

Фиг. 2

гз

II f

i -it-tir-ti-ilf-itiiii ,

11 и и и jи IN;

ft ,ba ,tt tfh q t ЦйЙ-У i п п

Пг4пПг Пг- Пг-iflr

II

11

11

ттттт

М II Ц К II I i

IIIIhI IIIII

11

11

тт

Фиг. ь