Преобразователь переменного тока в постоянный Советский патент 1980 года по МПК H02M7/12 

(54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

1

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразованию переменного тока источника в постоянный ( в том чисЛе регулируемого значения), и может быть использовано в преобразовательной технике для питания нагрузки выпрямленным током.

Известно устройство для питания нагрузки выпрямленным постоянным током (УПН ВПТ) от источника переменного тока (ИПТ), содержащее однофазный лучевой выпрямитель. Выпрямление тока в этом устройстве осуществляется вентилем-кенотроном или полупроводниковым диодом 1.

При необходимости регулирования среднего значения выпрямленного тока в нагрузке в качестве вентиля используется управляемый вентиль-тиристор 2.

Однако однополупериодное потребление тока источника в таких УПН ВПТ характеризуется плохим использованием типовой (габаритной) мощности ИПТ, низким качеством выпрямленного тока и весьма плохими удельными энергетическими показателями устройства в целом. Кроме того, при активно-индуктивной нагрузке (например двигатель постоянного тока или выпрямиВ ПОСТОЯННЫЙ

тель с индуктивным фильтром низких частот) схема такого выпрямителя, затягивая процесс коммутации вентиля, затрудняет запирание тиристора, что практически приводит к дополнительному уменьщени о коэффициента мощности устройства и к резкому сокращению диапазона его применяемости. Лучщими показателями характеризуются устройства с мостовыми выпрямителями тока, однако они содержат не менее четырех вентилей, а протекание тока в них через

10 два диода одновременно, вдвое увеличивая потери в выпрямителе, соответственно снижает его КПД.

Известно УПН ВПТ, содержащее две 15 входные клеммы для подключения однофазного ИПТ и две выходные - для подключения сопротивления нагрузки, одна из которых, преимущественно отрицательная, включается со второй входной клеммой через вентиль лучевого выпрямителя (напри .мер, тиристор, буферный диод), щунтирующий выходные клеммы и блок контроля напряжения и фазового управления тиристором (БКН ФУТ). В этом устройстве буферный диод, облегчая условия самопогасания тиристора, способствует повышению коэффициента мощности и расширяет диапазон применения выпрямителя. При использовании его ДЛЯ питания двигателей постоянного тока, а также для заряда аккумуляторов или конденсаторов фильтра низких частот, сглаживание тока в цепях которых осуществляется линейным дросселем, последний, запасая энергию импульсов выпрямленного тока, затягивает процесс коммутации вентиля лучевого выпрямителя, буферный диод, создавая путь току из индуктивности в нагрузку, улучшает процесс коммутации вентиля выпрямителя и несколько повышает коэффициент мощности устройства 3.

Однако однополупериодное использование мощности источника приводит к сравнительно низкому качеству напряжения на нагрузке и плохим удельным энергетическим показателям устройства в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий две цепочки, одна из которых состоит из, последовательно соединенных первого токоограничйваюшего конденсатора и первого диода, а другая - из последовательно соединенных управляемого ключа и токоограничивающего дросселя, второго диода и второго токоограничивающего конденсатора, причем, первая из указанных цепочек включена между первым входным выводом и общей точкой соединения управляемого ключа и токоограничйваюшего дросселя второй цепочки, включенной между первым входным и положительным выходным выводами, катод второго диода подключен к общей точке соединения первого токоограничивающего конденсатора и первого диода, а его анод соединен с одной из обкладок второго токоограничивающего конденсатора и их общая точка соединения подключена ко второму входному выводу 4.

Недостатком этого устройства является значительная сложность его электрической схемы и относительно больщое падение напряжений на вентилях, проводящих ток в нагрузку, обусловленное тем, что ток в нагрузку проходит через два соединенных последовательно вентиля. Это, увеличивая активное сопротивление в цепи нагрузки, уменьшает КНД устройства, что особенно заметно при малых выходных напряжениях, когда напряжение на нагрузке соизмеримо с падением напряжения на вентилях.

Цель изобретения - упрощение схемы устройства и повыщение его КПД.

Указанная цель достигается те.м, что в преобразователе переменного напряжения в постоянное, содержащем две цепочки, одна из которых состоит из последовательно соединенных первого токоограничивающего конденсатора и первого диода, а другая -

ИЗ последовательно соединенных управляемого ключа и токоограничивающего дросселя, второго диода и второго токоограничйваюшего конденсатора, причем, первая из указанных цепочек включена междупервым входным выводом и общей точкой соединения управляемого ключа и токоограничивающего дросселя второй цепочки, включенйой между первым входным и положительным выходным выводами, катод второго диода подключен к общей точке соединения первого токоограничйваюшего конденсатора и первого диода, а его анод соединен с одной из обкладок второго токоограничйваюшего конденсатора и их общая точка соединения подключена ко второму входному выводу, другая обкладка второго токоограничивающего конденсатора подключена к катоду второго диода, анод которого соединен с отрицательным выходным выводом.

На фиг. 1 представлена схема преобразователя переменного тока в постоянный; на фиг. 2 и фиг. 3 - его варианты.

Устройство (фиг. 1) содержит два, выходных вывода - положительный 1 и отрицательный 2 - для подключения нагрузки 3 и два входных вывода 4 и 5 для подключения ИПТ 6. Входной вывод 4 соединен с входным выводом 5 через первый токоограничивающий конденсатор (ТК) 7 и диод 8. Цепочка, образованная управляемым ключом 9 и токоограничивающим линейным

0 дросселем (ТЛД) 10, включена между входным выводом 4 и положительным выходным выводом 1. Цепочка, состоящая из последовательно соединенных первого ТК 7 и диода 11, включена между входным выводом 4 и точкой соединения ключа 9 и ТЛД

10. Катод диода 8 соединен с анодом диода Пи одной из обкладок второго ТК 12, а анод диода 8 соединен с другой обкладкой второго ТК 12, входным выводом 5 и отрицательным выходным выводом 2.

д В вариантах схемы по фиг. 2 и фиг. 3 в качестве ключа 9 применен обычный неуправляемый диод 13. В простейшем варианте схемы по фиг. 3 ТК 12 и диод 11 отсутствуют, что дополнительно упрошает схему устройства.

S При рассмотрении работы устройства ключ 9 замкнут, т. е. открыт и работает как обычный диод. При этом предложении схемы по фиг. 1 и 2 становятся идентичными, и работают одинаково.

JJ Устройство работает следуюшим образом. В полупериоде изменения тока ИПТ 6, когда его положительное напряжение приложено к аноду управляемого ключа 9 (к выводу 4), а ключ замкнут (т. е. полностью открыт), ток источника протекает по цепи

S 6-4-9-10-1 3-2-5-6. Этот ток ограничивается сопротивлением нагрузки 3 и сопротивлением ТЛД 10. Кроме того, ток проходит по контуру 6-4-7-12-5-6. Дроссель, ограничивая скорость передачи энергии ИПТ в нагрузку, запасает в своем поле энергию, величина которой пропорциональна индуктивности ТЛД и квадрату значения тока, протекающего по его обмотке. Этот ток вначале увеличивается, а затем достигает максимального значения. В этот момент энергия, запасаемая ТЛД, достигает наибольшего значения и под действием ЭДС самоиндукции, стремящейся поддержать значение тока и его направление неизменным, ключ 9 закрывается (размыкается) и энергия, запасенная дросселем, передается в нагрузку -по цепи 10- -3-2- .1.2-11 -10. В это время ТК 12, передавая в нагрузку энергию, запасенную им ранее от источника, разряжается. После того, как он разрядится, открывается диод 8 и энергия дросселя передается в нагрузку по контуру 10-Г-3--2-8--11 -10, гюддерживая ток в нагрузке и в следующем полупериоде изменения тока ИПТ. В полупериоде изменения тока источника, когда его положительное напряжение приложено к выводам 2 и 5, а напряжение увеличивается по абсолютному значению, ток проходит по цепи 6-5-8-7-4-6 и ТК 7 запасает энергию ИПТ. Величина этой энергии пропорциональна емкости конденсатора и квадрату напряжения на его обкладках, т. е. квадрату амплитуды напряжения источника. Заряд ТК 7 заверщается в момент времени, когда мгновенное напряжение ИПТ достигает своего амплитудного значения. Затем в этом же полупериоде, по мере уменьщения мгновенного значения напряжения ИПТ (изменяющегося от максимума до нуля по закону косинуса), напряжение, прикладываемое к . диоду 8 (плюсом к , катоду . и irfHHycoM к аноду;, увеличивается, в результате чего через нагрузку протекает ток разряда ТК 7, изменяющийся, в общем случае, по закону синуса, а конденсатор отдает запасенную ранее от источника энергию на нагрузку. Так. как эта передача энергии осуществляется через ТЛК, т. е. по цепи 6-4-7- 11-10-1-3-2-5-6, дроссель переходит в режим ограничения тока и запасает в своем поле энергию источника, которую в последующем перелТ.ает в нагрузку. Далее процессы повторяются циклически с частотой изменения тока ИПТ. Если в момент времени, когда к аноду ключа 9 приложено положительное напряже. ние, сигнал на его открытие не подается, последний тока не проводит. В этом случае ТК 7, заряжаясь через диод 8 в одной четверти периода (когда положительное напряжение ИПТ приложено к клеммам 5 и 2), в следующей четверти периода отдает запасенную им энергию в нагрузку. Конденсатор 7 вначале разряжается на нагрузку до нуля, а затем, при изменении полярности напряжения источника, перезаряжается. Если в это время замкнуть ключ 9, ток в нагрузку потечет через ключ 9. Этот ключ позволяет регулировать ток в нагрузке. Далее процессы повторяются аналогично. В тех случаях, когда ток в нагрузке регулировать не требуется, стройство можно выполнять по схеме фиг. 3, в которой ТК 7 заряжается в одной и разряжается в другой четвертях периода изменения тока ИПТ, а диод 13 проводит ток в нагрузку аналогично рассмотренному ранее, в результате чего энергия ИПТ в нагрузку передается в течение двух полупериодов. Таким образом, объединение отрицательногб выходного вывода с одним входным выводом непосредственно и соединение обоих входных выводов через цепочку из. двух включенных последовательно ТК, позволяет не только упростить схему устройства, но и уменьщив почти вдвое активное сопротивление в цепи нагрузки, соответственно увеличить добротность контура передачи энергии ИПТ в нагрузку, что позволяет повысить КПД устройства. Это обеспечивает улучщение. технико-экономических показателей устройства. Формула изобретения Преобразователь пере.менного тока в постоянный, содержащий две цепочки, одна из которых состоит из последовательно соединенных первого токоограничивающего конденсатора и первого диода, а другая - из последовательно соединенных управляемого ключа и токоограничивающего дросселя, второго диода и второго токоограничивающего конденсатора, причем, первая из указанных цепочек включена между первым входным выводом и общей точкой соединения управляемого ключа и токоограничивающего дросселя второй цепочки, включенной между первым входным и положительным выходным выводами, катод второго диода подключен к общи точке соединения первого токоограничивающего конденсатора и первого диода, а его анод соединен с одной из обкладок второго токоограничивающего конденсатора и их общая точка соединения подключена ко второму входному выводу, отличающийся тем, что, с целью упрощения и повыщения КПД, другая обкладка второго токоограничивающего конденсатора подключена к катоду второго диода, анод которого соединен с отрицательным выходным выводом. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Белопольский И. И. Электропитание радиоустройств. М.-Л., «Энергия, 1965, изд. 2-ое, с. 28, рис. 1 - 1.2. 2.Джентри П. Ф. и др. Управляемые полупроводниковые вентили. М., «Мир, 1967, с. 358, рис. . 3.Тиристоры. Технический справочник. Под. ред. Лабунцова В. А. и др., М., «Энергия, 1971, с. 212, рис. 2. 4.Патент Швейцарии № 551715, КЛ-. П 02 Р 13/24, 1974.