Преобразователь напряжения Советский патент 1991 года по МПК H02M3/335 

Os

ю

00 CS

VI

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания. Целью изобретений является улучшение массогабаритных характеристик и динамических свойств в широком диапазоне изменения пстоянного тока на выходе путем обеспечения работы в режиме непрерывных токов. Преобразователь содержит-многообмоточные дроссели 1.1-1.N, силовой коммутатор 2, конденсаторы 3.1-3. М, при этом одноименные обмотки дросселей соединены последовательно и согласно. При работе преобразователя ток нагрузки является током подмагничивания последовательно соединенных дросселей 1.1-1.N, выполненных таким образом, что ток намагничивания, при котором наступает насыщение магнитопровода каждого последующего дросселя, меньше предыдущего. Это позволяет при снижении тока нагрузки увеличивать суммарную индуктивность дросселей, что обеспечивает работу преобразователя в режиме непрерывных токов. 1 ил. fe

It J-Z

-W

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Цель изобретения - улучшение массога- баритных характеристик и динамических свойств устройства в широком диапазоне изменения постоянного тока на выходе путем обеспечения работы устройства в режиме непрерывных токов.

На чертеже представлена обобщенная схема преобразователя напряжения.

Устройство содержит многообмоточные дроссели 1.1-1.N, силовой коммутатор 2, конденсаторы 3.1-З.М, одноименные обмотки дросселей соединены последовательно и согласно. Источник питания подключается к выводам 4.1 и 4.2, промежуточные выводы 5.1-5.К используются при необходимости в схеме преобразователя, выводы 6.1 и 6.2 являются выходными и используются для подключения нагрузки 7.

Устройство работает следующим образом.

Индуктивность первого дросселя 1.1 выбрана таким образом, что при максимальном токе нагрузки и в некотором диапазоне около этого значения его магнитный поток непрерывен. При этом магнитопровод первого дросселя ненасыщен, а магнитопрово- ды остальных дросселей насыщены. Поэтому индуктивность намагничивания определяется магнитным элементом 1.1.

При уменьшении тока нагрузки происходит уменьшение тока подмагничивания. При определенном значении тока подмагничивания магнитопровод дросселя 1.2 выходит из насыщения. Таким образом, магнитопроводы дросселей 1.1 и 1.2 оказываются ненасыщенными, а остальных дросселей - насыщенными. При этом индуктивность намагничивания определяется суммой индуктивностей намагничивания дросселей 1.1 и 1.2, т.е. происходит ее возрастание. Это позволяет обеспечить режим непрерывного тока намагничивания при меньшем токе нагрузки за счет автоматического возрастания индуктивности. При дальнейшем уменьшении тока нагрузки происходит также уменьшение тока намагничивания и выход из насыщения магнито- провода следующего дросселя и его индуктивность намагничивания добавляется к индуктивности намагничивания уже вышедших из насыщения магнитопроводов. Так как каждый следующий дроссель работает при меньшем токе подмагничивания, то появляется возможность значительного увеличения его индуктивности намагничивания. Таким образом суммарная индуктивность намагничивания оказывается при

большом числе дросселей обратно пропорциональной току намагничивания, т.е. току нагрузки, что позволяет иметь для каждого значения тока нагрузки минимально необходимую величину индуктивности для обеспечения непрерывности тока, а следовательно, улучшить динамические свойства преобразователя.

Допустим, преобразователь напряжения содержит два дросселя.

При использовании в известных устройствах одного дросселя максимальную индукцию в его магнитопроводе выбирают несколько меньшей, чем индукция насыщения Bs, исходя из обеспечения безопасной работы силового коммутатора, так как при достижении Bs ток через обмотки дросселя начинает быстро возрастать. При использовании предлагаемого устройства максимальную индукцию первого дросселя выбирают из тех же соображений. Однако для дополнительных дросселей можно принять максимальную индукцию в магнитопроводе равной Bs. Допустим, что объем магнитопровода

дросселя связан с током нагрузки следующим соотношением:

V A Ы2н.маКс.(1)

где А - некоторая постоянная; L - индуктивность дросселя;

(н.макс максимальный ток нагрузки;

что все элементы преобразователя напряжения идеальны;

что пульсации напряжения на конденсаторах и тока намагничивания малы;

что критическая индуктивность для обеспечения режима непрерывного тока обратно пропорциональна току нагрузки и определяется для каждой конкретной схемы преобразователя.

Минимальный ток нагрузки 1н.мин. при котором наступает режим прерывистого тока исходя из заданного суммарного объема магнитопроводов V2 обоих дросселей, с

учетом того, что магнитопровод второго дросселя выходит из насыщения при токе

НагруЗКИ н.мин;

к.мин 1н.минр I н.макс.(2)

Индуктивность первого магнитного элементаLi Up 1н.макс/1н.мин0 .(3)

где Цр - критическая индуктивность для обеспечения режима непрерывного тока при максимальном токе нагрузки (н.макс, так как он должен обеспечить режим непрерыв- ного тока при токе нагрузки от 1нмин0 до (н.макс

Исходя из (1) и с учетом (3) для объема магнитолровода первого дросселя можно записать:

/. A.I . i2 д i |2 f JHMaitc V1 A Li-I н.макс - А I н.накс( i )

н мин

(4) При этом критический объем

(5) (6)

о VHP A н.макс,

тогда

„ -1н.макс .. Vi -:-Укр,

Ы.МИНо

Обозначим 1нмакс

1нМИН0

Выразим индуктивность второго дросселя через объем его магнитопровода с учетом того, что он работает при меньшем токе намагничивания и с большей максимальной индукцией, чем первый дроссель

L2 Li-V2/Vi-FD.(8)

где D - величина, равная квадрату отношения максимальной индукции второго дросселя к максимальной индукции первого дросселя.

Определим минимальный ток нагрузки в предложенном устройстве, при котором наступает режим прерывистого тока

IH.MHH - 1нмин0 Ll/Li+L2.(9)

Объем магнитопровода второго дросселя V2- V2 -Vi(10)

Подставляя в (9) выражения (3) и (8), а затем (10). (6) и (7), получают

1«мин 1нмакс /Н-ИЭ V2VKp P F ) (11) Величина F может быть переменной, так как IH. определен.

Преобразуем (11) к виду . /. .Vz-F-VKp-F1

1нмакс/ нмин -

кр

(12)

Определим экстремум выражения по переменной F

(

IHM8KC

(нмин нмакс

F 1+v7::(v2:-2-V.cP-F);

кр

(ма«)р 20. «нмин

Выражение (14) всегда отрицательно, следовательно, (12) имеет максимум, который находят, приравняв (13) к нулю. Таким образом получают оптимальное значение переменной

FonT V2/2VKP+1/2D.(15)

Подставляя (15) в (11) и преобразуя, получают

2 нмин ннакс/Ропт О .(16)

При использовании в устройстве одного дросселя с объемом магнитопровода V Јминимальный ток нагрузки при переходе от непрерывного тока к прерывистому определяется как

1нмин(1нмзксУ,ф)Л/2;.(17)

Определим из (16), (17) и (15) отношение

минимального тока устройства с одним дросселем к минимальному току предложенного устройства

1нмин(У. ЕР+Укр)2 IHMHH

0

5

5

(18)

4-У,фЧ5Л/2:

Проведем конкретный численный расчет по формуле (18). Пусть имеется в распоряжении общий объем магнитопроводов 5 VЈ 10 VKp. Допустим, что D 1 (т.е. не используется возможность увеличения допустимой индукции so втором дросселе). Тогда имеем

о

0 IHMHH (10-Wp-1 tVypf 121Л/кРгеЧ 1имин 4У,ф--МО-Чф2 J

Р (19)

Отсюда видно, что минимальный ток нас ГРУЗКИ. Д° которого в предложенном устройстве обеспечивается режим непрерывного тока, примерно в 3 раза меньше, чем в устройстве с одним дросселем.

Решим обратную задачу, т.е. определим л для заданного перепада тока нагрузки объем магнитопровода в устройстве с одним дросселем и суммарный объем в предложенном устройстве

нмакс

U

Пусть , нмин

тогда из (17) имеем

v z 10VKp. (20)

С другой стороны, для предложенного устройства из (16) с учетом D - 1 имеем 0Р0пт «3,16,(21)

Используя (15), находим объем магнитопровода в предложенном устройстве V2 (Fonr-1/2D) ,pFonTA/KP/D«

«5,3VKP(22)

Сравнивая (20) и f22)} получают, что общий объем магнитопроводов в изобретении меньше, чем в устройстве с одним дросселем примерно в 2 раза при одинаковом (десятикратном) диапазоне изменения тока нагрузки. Отсюда можно сделать вывод об улучшении масоогабаритных показателей преобразователя о целом,

При использовании нескольких дросселей, соединенных последовательно, и с раз- ными токами насыщения возможно получение большего выигрыша, но это может быть технологически нецелесообразно. Величина тока, при котором наступает на7 16281678

сыщение магнитопровода, может устанав-массогабаритных характеристик и динамиливаться величиной немагнитного зазора вческих свойств устройства в широком диамагнитопроводе и/или числом витков обмо-пазоне изменения постоянного тока на

ток. при этом коэффициенты трансформациивыходе путем обеспечения работы устройодноименных обмоток разных дросселей,5 ства в режиме непрерывных токов, одновключенных последовательно, должны бытьименные обмотки всех дросселей

одинаковы для всех дросселей.соединены последовательно и согласно,

причем дроссели выполнены таким обраФормула изобретенияэом, что ток намагничивания, при котором

Преобразователь напряжения, содер-10 наступает насыщение магнитопровода кажжащий магнитный элемент, выполненный вдого последующего дросселя, меньше, /г

виде по крайней мере одного многообмоточ-чем предыдущего, а при максимальном токе

ного дросселя с соответствующими конден нагрузки магнитолровод первого дросселя

саторами, и силовой коммутатор, о т л и ч а-не насыщен,

ю щ и и с я тем, что, с целью улучшения15