Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в постоянное Советский патент 1992 года по МПК H02M5/45 

ю

с

Использование1 в электротехнике для преобразования постоянного напряжения в постоянное стабильной величины. Сущность изобретения: устройство содержит автономный инвертор на тиристорах 1 - 8 с выходным тр-ром 9, вторичная обмотка которого через выпрямитель на диодах 10-13 и емкостный фильтр 14 соединена с выходными выводами преобразователя. Каждый

VI

N

Оч

Ь. Ю О

диод выпрямителя зашунтирован соответствующим транзистором 15 - 18, Устр-во содержит также блок управления инвертором с формирователем 21 импульсов тока, к выходам которого через блок 22 гальванической развязки подключены управляющие входы тиристоров 1 - 6 инвертора, В преобИзобретение относится к области электротехники и предназначено для преобразования постоянного напряжения в постоянное стабильной величины.

Известны тиристорные преобразователи со стабилизацией напряжения на выходе, в которых стабильность напряжения на нагрузке обеспечивается автоматическим изменением частоты импульсов напряжения на выходе инвертора при изменении напряжения на входе или тока нагрузки. Такие преобразователи содержат автономный инвертор напряжения, выполненный по схеме со встречными диодами и самокоммутацией тока тиристоров исследова- тельным колебательным контуром, и неуправляемый выпрямитель. Для автоматического изменения частоты импульсов напряжения на выходе инвертора в системе управления предусмотрен операционный усилитель, источник опорного напряжения и регулятор частоты.

Однако такой преобразователь обладает существенным недостатком, заключающимся в том, что для обеспечения четкой коммутации тока тиристорами инвертора необходимо мощность колебательного контура коммутации определять по минимальному напряжению на входе преобразователя.

Мощность контура коммутации значительно сокращается при выполнении преобразователя напряжения, в котором выход инвертора соединен через конденсатор с входом выпрямителя, а для стабилизации напряжений на входе инвертора и выходе преобразователя в него введены тиристор- ный вольтодобавочный блок, вход которого через трансформатор связан с выходом инвертора, а выход - последовательно с источником питания в цепь входа инвертора. При этом управление ВДУ осуществляется дополнительным блоком управления с фазос- двигающим узлом, выходы которого соединены с управляющими переходами соответствующих тиристоров выпрямителя, а вход связан с выходом операционного

разователь введены коммутатор с блоком 25 гальванической развязки, дешифратор 26, аналого-цифровой преобразователь 27, операционный усилитель 28. демпфирующая RC-цепочка, включающая конденсатор 29. резистор 30 и импульсный трансформатор 31.3 ил.

усилителя, инвертирующий вход которого соединен .с выходом выпрямителя преобразователя, а неинвертирующий вход - с выходом источника опорного напряжения.

Наличие указанного конденсатора при определенном значении емкости обеспечивает синусоидальную форму импульсов тока нагрузки через вентили инвертора и благодаря этому позволяет значительно уменьшить мощность оборудования контура коммутации тока. При этом ВДУ обеспечивает стабилизацию напряжения на входе инвертора и выходе преобразователя и благодаря этому сохраняется заданная величина амплитуды импульса тока контура коммутации и обеспечивается стабильность напряжения на выходе и устойчивость работы инвертора.

Однако при установленной ГОСТ для

железнодорожного транспорта глубине изменения напряжения в тяговой сети установленная мощность оборудования контура коммутации в соответствии с выражением

25

SK уст РнО-Нмакс/ UIMHH - 1)

составляет 0,82 от номинальной мощности преобразователя и существенно ухудшает массогабаритные и экономические показатели преобразователя. Кроме того, в ВДУ такого преобразователя приходится вводить LC-фильтр переменной составляющей напряжения. Наличие ВДУ существенно усложняет схему.

Известны схемы преобразователей постоянного напряжения в постоянное, выполненные на основе автономного инвертора напряжения на тиристорах без встречных диодов, в которых диоды выходного выпрямителя зашунтированы транзисторами встречной по отношению к диодам проводимостью, базоэмиттерные переходы. которых подключены к выходу генератора прямоугольных импульсов тока, вход управления которого связан с фазосдвигающим устройством блока управления. При этом отпирание транзистора обеспечивает подачу запирающего импульса напряжения в цепь тиристора инвертора в момент времени, определяемый фазосдвигающим устройством. Однако такой инвертор не обеспечивает стабилизации напряжения, а введение в преобразователь вольтодоба- вочного устройства нарушает коммутацию тиристоров из-за появления дополнительной нагрузочной составляющей тока прямоугольной формы.

Цель изобретения - повышение КПД и стабилизация напряжения.

Указанная цель достигается тем, что стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий подключенный к входным выводам через LC-фильтр автономный тиристорный инвертор, выполненный однотактным или мостовым, с выходным трансформатором, вторичная обмотка которого через выпрямитель, выполненный в виде одного диода или диодного моста, и емкостный фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, причем каждый диод выпрямителя зашунтирован соответствующим транзистором, базоэмиттерный переход которого подключен к генератору прямоуголь- ных импульсов тока, а также блок управления инвертором, включающий в себя формирователь импульсов тока, дополнен коммутатором с блоком гальванической развязки, дешифратором, аналого-цифровым преобразователем, операционным усилителем, демпфирующей RC-цепью и импульсным трансформатором, первичная обмотка которого соединена последовательно с указанной RC-цепью и подключена совместно с ней параллельно одному диоду выпрямителя или в диагональ переменного тока диодного моста, а вторичная обмотка соединена с входом запуска генератора прямоугольных импульсов тока и в нем параллельно одному тиристору однотактного инвертора или паре тиристоров инвертора подключено п параллельных цепей, состоящих каждая из одного или соответственно двух введенных дополнительных тиристоров, соединенных с отпайками первичной обмотки выходного трансформатора, а управляющие переходы основных и дополнительных тиристоров соединены с выходами формирователя импульсов тока через блок гальванической развязки и коммутатор, управляющие входы которого соединены с выходами дешифратора, подключенного информационными входами к выходам аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, подключенного инвертирующим входом через введенный делитель напряжения к выходным выводам преобразователя, 50 а неинвертирующим входом - к выходу источника опорного напряжения.

На фиг. 1 и 2 приведены мостовой двухтактный и однотактный варианты выполнения стабилизированного преобразователя 5 постоянного напряжения в постоянное; на фиг. 3 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу преобразователя.

Двухтактный вариант стабилизированного преобразователя постоянного напряжения в постоянное (фиг. 1) содержит автономный тиристорный инвертор, выполненный по мостовой схеме на тиристорах 1 - 8 с выходным трансформатором 9, вторичная обмотка которого через выпрямитель, 5 выполненный в виде диодного моста на диодах 10- 13 и емкостный фильтр 14 соединена с выходными выводами преобразователя. При этом каждый диод выпрямителя зашунтирован соответствующим транзи- 0 стором 15 - 18, базоэмиттерный переход каждого из которых подключен к выходу генератора 19 прямоугольных импульсов тока через блок 20 гальванической развязки. Преобразователь содержит также блок уп5 равления инвертором с формирователем 21 импульсов тока, к выходам которого через блок 22 гальванической развязки подключены управляющие подходы тиристоров 1 - 6 автономного инвертора. Входные выводы

0 автономного тиристорного инвертора через LC-фильтры 23 и 24 подключены к входным выводам преобразователя.

Для повышения КПД и стабилизации на- пряжения в состав преобразователя введе5 ны коммутатор с блоком 25 гальванической развязки, дешифратор 26, аналого-цифровой преобразователь 27, операционный усилитель 28, демпфирующая RC-цепочка, включающая конденсатор 29 и резистор 30,

0 и импульсный трансформатор 31, первичная обмотка которого соединена последовательно с указанной RC-цепочкой и подклю- чена в диагональ переменного тока диодного моста выпрямителя, а вторичная

5 обмотка импульсного трансформатора соединена с входом запуска генератора 19 прямоугольных импульсов тока.

Параллельно паре тиристоров 2 и 3 мостового автономного инвертора подключе0 но п параллельных цепей, состоящих, каждая из двух из введенных дополнительно тиристоров 32 - 35, соединенных с отпайками первичной обмотки выходного трансформатора 9, а управляющие переходы

5 основных тиристоров 7 и 8 и дополнительных 32 - 35 соединены с выходами формирователя 21 импульсов тока блока управления через блок 25 гальванической

развязки и коммутатор, управляющие входы которого соединены с выходами дешифратора 26, подключенного информационными входами к выходам аналого-цифрового преобразователя 27, вход которого соединен с выходом операционного усилителя 28, подключенного инвертирующим входом через делитель 36 к выходным выводам преобразователя, а неин ертирующим входом - к выходу источника 37 опорного напряжения.

Однотактный вариант выполнения стабилизированного преобразователя постоянного напряжения а постоянное (фиг. 2) содержит автономный тиристорный инвертор на тиристорах 1 - 4 с выходным трансформатором 9, вторичная обмотка которого через выпрямитель на диоде 10 и емкостный фильтр 14 соединена с выходными выводами преобразователя. При этом диод выпрямителя зашунтирован транзистором 15, базоэмиттерный переход которого подключен к выходу генератора 19 прямоугольных импульсов тока через блок 20 гальванической развязки. Преобразователь содержит также блок управления инвертором, включающий формирователь 21 импульсов тока, к выходам которого через блок 22 гальванической развязки подключены управляющие переходы тиристоров 1-3 автономного инвертора. Входные выводы автономного ти- ристорного инвертора через LC-фильтры 23 и 24 подключены к входным выводам преобразователя.

Для повышения КПД и стабилизации напряжения на выходе в состав преобразователя введены коммутатор с блоком 25 гальванической развязки, дешифратор 26, аналого-цифровой преобразователь 27, операционный усилитель 28, демпфирующая RC-цепочка, имеющая конденсатор 29 и резистор 30, и импульсный трансформатор 31, первичная обмотка которого соединена последовательно с указанной RC-цепочкой и подключена к диоду 10 выпрямителя, а вторичная обмотка трансформатора 31 соединена с входом запуска генератора 19 прямоугольных импульсов тока.

Параллельно тиристору 4 автономного инвертора подключено п параллельных цепей, состоя щих каждая из тиристора, введенных дополнительно группы тиристоров 32 - 35, соединенных с отпайками первичной обмотки выходного трансформатора 9, а управляющие переходы тиристора 4 и дополнительных тиристоров 32 - 35 соединены с выходом формирователя 21 импульсов тока блока управления через блок 25 гальванической развязки и коммутатор, управляющие входы которого соединены с выходами дешифратора 26, подключенного информационными входами к выходам аналого-цифрового преобразователя 27, вход которого

соединен с выходом операционного усилителя 28, подключенного инвертирующим входом через делитель 36 к выходным выводам преобразователя, а неинвертирующим входом - к выходу источника 37 опорного

напряжения.

Преобразователь, выполненный по мостовой схеме, работает следующим образом.

В исходном состоянии тиристоры 1 - 8

автономного инвертора, дополнительные тиристоры 32 - 35 и транзисторы 15-18 находятся в запертом состоянии. Конденсатор заряжен до напряжения источника питания.

В момент времени ti импульс тока 1У1

(фиг. 3) с выхода формирователя 21 блока управления поступает в цепи управляющих переходов тиристоров 1, 2 и 7, 8 инвертора. Отпирание указанных тиристоров обеспечивает подключение первичной обмотки выходного трансформатора 9 к конденсатору фильтра 24. При этом в контуре, образованном вторичной обмоткой трансформатора 9, диодами 10 и 11 выпрямителя и конденсатором. протекает импульс тока 2 формой, близкой синусоидальной. В результате этого произойдет подзаряд конденсатора и напряжение на нем Uc2 увеличится на величину AU2. При этом максимальное значение напряжения на первичной обмотке трансформатора 9 становится большим напряжения на конденсаторе. В момент времени tz ток становится равным 0 и происходит выключение тиристоров 1, 2, 7,

В момент t4 на выходе формирователя 21 блока управления появляется импульс тока 1У2. При этом отпираются тиристоры 3, 4 и 5, б автономного инвертора и первичная обмотка выходного трансформатора 9 со сменой полярности подключается к конденсатору фильтра 24. Электромагнитные процессы при этом повторяются.

Формирование следующих импульсов тока lyi, ,1У2 обеспечивает поочередное отпи- рание тиристоров автономного инвертора В установившемся режиме работы автономного инвертора обеспечивается преобразование постоянного напряжения в переменное формой, близкой прямоуголь- ной. Выпрямитель на диодах 10- 13 обеспечивает получение на выходе преобразователя постоянного напряжения U0.

В случае изменения напряжения на выходе преобразователя увеличивается раз- ность напряжений на входах операционного усилителя 28. При этом происходит увеличение напряжения на выхо де усилителя и входе аналого-цифрового преобразователя 27 и на его выходах появляется сочетание информационных сигналов, поступающих на информационные входы дешифратора 26. В результате этого на одном из выходов дешифратора, соответствующем величине напряжения на входе анало- го-цифрового преобразователя 27, появляется сигнал Лог. 1, который поступает на вход коммутатора 25 и обеспечивает подачу импульса тока управления iyi, iy в цепь управляющих переходов одной из пар дополнительных тиристоров, подключение соответствующей отпайки первичной обмотки выходного трансформатора 9 и изменение его коэффициента трансформации и благодаря этому восстановление напряже- ния на выходе преобразователя на заданном уровне.

Поскольку изменение сочетания информационных сигналов на входе дешифратора 26 наиболее вероятно в паузах между им- пульсами тока управления iyi, iya на выходах формирователя 21 блока управления, длительность которых составляет 3 - 5% от периода формируемых инвертором импульсов напряжения на выходе, то отпирание допол- нительных тиристоров и переключение отпаек первичной обмотки выходного трансформатора с большей вероятностью происходит в бестоковую паузу.

Формула изобретения Стабилизированный преобразователь постоянного напряжения в постоянное, содержащий подключенный к входным выводам чеоез LC-фильтр автономный тиристорный инвертор, выполненный одно- тактным или мостовым, с выходным трансформатором, вторичная обмотка которого через выпрямитель, выполненный в виде одного диода или диодного моста, и емкостный фильтр соединена с выходными выводами преобразователя, причем каждый диод выпрямителя зашунтирован соответствующим транзистором, базоэмиттерный переход которого подключен к генератору прямоугольных импульсов тока, а также блок управления инвертором, включающий в себя формирователь импульсов тока, отличающийся тем, что, с целью повышения КПД и стабилизации выходного напряжения, введены коммутатор с блоком гальванической развязки, дешифратор, аналого-цифровой преобразователь, операционный усилитель, демпфирующая RC-цепь и импульсный трансформатор, первичная обмотка которого соединена последовательно с демпфирующей RC-цепью и подключена совместно с ней параллельно одному диоду выпрямителя или в диагональ переменного тока диодного моста, а втбричная обмотка соединена с входом запуска генератора прямоугольных импульсов тока, параллельно одному тиристору однотактного инвертора или паре тиристоров мостового инвертора подключено п параллельных цепей, состоящих каждая из одного или соответственно двух введенных дополнительных тиристоров, соединенных с отпайками первичной обмотки выходного трансформатора, а управляющие переходы основных и дополнительных тиристоров соединены с выходами формирователя импульсов тока через блок гальванической развязки и коммутатор, управляющие входы которого соединены с выходами дешифратора, подключенного информационными входами к выходам аналого-цифрового преобразователя, вход которого соединен с выходом операционного усилителя, подключенного инвертирующим входом через введенный делитель напряжения к выходным выводам преобразователя, а неинвертирующим входом - к выхо ду источника опорного напряжения

Г Q

10

CHftS

/

«

/9

fl

Ј// иг

IB

Фиг. I

31

jj

j«

з$

If

Д2 $ /,$ /

/

и

#

i

8

/

2

7

25

Ј Ј

Ј.

j

4 Ј

Ј 7

7

« // Л

Ј

tt

Но

л

4 4

уг

I V

t,

П

Фиг.З