Преобразователь переменного напряжения Советский патент 1982 года по МПК H02M5/12 H02M7/12 

Преобразователь переменного .напря жения относится к электротехнике и может быть использован при построении систем питания электро-радиоаппа ратуры различного назначения. Известны устройства, содержащие трансформатор и вольтодобавочный узел ) Известно устройство содержащее тиристорный вольтодобавочный узел с трансформатором и входным выпрямителем. Устройство работает по принципу добавления напряжения, наводимого первичными полуобмотками вольтодобавочного трансформатора с положител ным или отрицательным знаком относительно напряжения питающей сети во вторичной обмотке, включенной последовательно между одним из входных и вьходных выводов устройства, и обеспечивает получение трех уровней выходного напряжения на зажимах нагрузки. Данное устройство обеспечивает регулирование (или стабилизацию) в задан ных пределах сетевого напряжения, а ДЛЯ получения низких или повышенных напряжений, по сравнению с сетевым, необходима установка дополнительного силового трансформатора, что существенно ухудшает массогабаритные показатели рассматриваемого, устройства. Известно устройство содержащее силовой трансформатор, выпрямитель, два вольтодобавочных трансформатора, преобразовательную схему, выполненную на диодах и регулирующем транзисторе, а также схему управления. Стабилизация напряжения в нагрузке производится путем изменения состояния регулирующего транзистора, которое приводит к изменению напряжения на вольтодобавочных трансформаторах. В этой схеме вольтодобавочные трансформаторы работают с постоянным подмагничиванием, а перемагничивание их происходит в отрицательной полупериод входного напряжения, за счет энергии, накапливаемой в обмотках этих же трансформаторов, через обратное сопротивление диодов выпрямителя. По этой причине, в качестве сердечников для трансформаторов используются материалы с малой коэрцит ивной силой, типа ферритов. А это означает, что такие схемы работоспособны на высоких частотах (порядка десятков килогерц). На промышленной частоте такая схема неэффективна из(ба очень резкого повышения массы и (Габаритов С2.3.

Наиболее близким по техническому решению к изобретению является преобразователь переменного напряжения, содержащий входной трансформатор первичная и вторичная силовые обмотки которого связаны с входными и с выходными выводами соответственно, вольтодобавочный узел, выполненный в виде выпрямителя, выводы переменного тока которого соединен с дополнительной обмоткой входного трансформатора, а выходы постоянного тока подключены через фильтр к входу модулирующего блока, выходная цепь которого соединена последовательно с одной из силовых обмоток входного трансформатора 3.

Недостатком известного устройства является сравнительная сложность,изза наличия дополнительного узла воль тодобавочного трансформатора и двух управляемых блоков на ключевых элементах (управляемого выпрямителя и инвертора). Кроме того устройство имеет сравнительно больше и габариты.

Цель изобретения - упрощение, уменьшение массы и габаритов. .

Поставленная цель достигается тем, что в преобразователе переменного напряжения модулирующий блок выполнен по мостовой схеме.

Выходная цепь модулирующего блока включена последовательно с первич ной обмоткой входного трансформатора

Кроме того, при использовании предлагаемого устройства для питания цепей постоянного тока введены два диода и дополнительный трансформатор при этом вторичная обмотка входного трансформатора выполнена в виде двух полуобмоток, каждая из которых включена последовательно с диодом и формирует плечо выходного выпрямителя, а выход модулирующего блока включен в цепь вторичной обмотки трансформатора через дополнительный трансформа тор, вторичная обмотка которого вы285644

полнена со средней точкой и включена

между выводами полуобмоток вторичной обмотки входного трансформатора. Такое построение преобразователя

5 позволяет, с одной стороны, исключить вольтодобавочный трансформатор, что упрощает схему и снижает массогабаритные показатели устройства. С другой стороны при выполнении отдельной

10 обмотки входного трансформатора с коэффициентом трансформации можно до нуля окомпенсировать пульсации в выходном напряжении и получить на первичной обмотке трансформатора 15 прямоугольное напряжение со стабильной амплитудой. При отсутствии фильтров на нагрузке коэффициент трансформации отдельной обмотки определяется уровнем постоянной составляющей в выпрямленном напряжении и ра- вен 27С. При наличии фильтров в Hai- рузкё коэффициент трансформации ее снижается пропорционально величине постоянной времени фильтров. Формирование прямоугольника со стабильной амплитудой на первичной стороне входного трансформатора позволяет расширить функциональные возможности преобразователя при построении многоканальных стабилизированных источников электропитания без существенного увеличения массы и габаритов устройства.

Предлагаемый преобразователь переменного напряжения может быть использован и для регулирования или стабилизации переменного напряжения, когда требуется гальваническая развязка первичной и вторичной обмоток входного трансформатора или при согласовании входного и выходного напряжений. Эта цель достигается тем,что отдельная обмотка трансформатора выполнена с коэффициентом трансформации, пропорциональным требуемому диапазону регулирования выходного напряжения, и подключена непосредственно на вход модулирующего блока вольтодобавочного узла. При этом выпрямитель

и фильтр вольтодобавочного узла исключаются.

На фиг. 1 изображена схема устройства, нагруженного на вход выпрямителя с фильтром; на фиг. 2 - вариант схемы при выполнении на N силовых трансформаторов; на фиг. 3 - эпюры токов и напряжений, поясняющие работу устройства на фиг. - вариант преобразователя переменного напряжения, используемый для питания епей постоянного тока.

Преобразователь (фиг. 1) содержит входной трансформатор 1, имеющий первичную обмотку 2, вторичную обмотку 3, к которой подключены выходной выпрямитель на диодах k со сглаживаюим фильтром 5, и дополнительную обмотку 6, питающую выпрямитель вольтодобавочного узла на диодах 7 с фильтром на конденсаторе 8, и модулируюий блок, выполненный по мостовой схеме на ключах 9 - 12. Модулирующий блок включен последовательно с обмоткой 2 и управляется от блока 13 управления, который входными зажимами подсоединен к нагрузке, а.выходными - к цепям управления ключей Э 12.

Величина напряжения на обмотке 6 и, соответственно, выпрямителя на, диодах 7 выбирается из условий компенсации пульсаций в выпрямленном напряжении сргласно диапазону регуирования выходного напряжения. Ключи 9 - 12 по командам с блока управления подключают напряжение конденсатора 8 в фазе или в противофазе с напряжением сети. Кроме того, с их помощью первичную обмотку можно подключать непосредственно к питающей сети. В блоке 13 управления выход- . ное напряжение преобразователя сравнивается с опорным. Если это напряжение не равно опорному, то напряжение конденсатора 8, в зависимости от знака рассогласования, вычитается или складывается с напряжением обмотки 2. При .равенстве опорного и выходного напряжений регулирующий элемент подключает обмотку 2 непосредственно к питающей сети.

При построении преобразователя на N силовых трансформаторах (фиг. 2) обмотки 2 этих трансформаторов вклю- чены параллельно. Обмотки 6 могут быть выполнены на каждом трансформаторе отдельно,или же на одном трансформаторе (согласно мощности компенсирующего сигнала). Выпрямитель на диодах.7, конденсатор 8 и ключи остаются подключенными также, как и в схеме на фиг. 1. Обратную связь при этом можно замкнуть на один из входов источника.

При использовании устройства для питания цепей постоянного тока вторичная обмотка выполнена в виде двух полуобмоток 3 и 3 а на выход модулирующего блока включена обмотка дополнительного трансформатора 1, вторичная обмотка которого выполнена со средней точкой и включена между

выводами полуобмоток 3 и З трансформатора 1 (фиг. i) .

На фиг. 1 и 2 приведены эпюры токов и напряжений, в цепях преобразователя,

где Uj. - напряжение питающей сети ; Uy, - идеальное по форме напряжение, которое необходимо сформировать на обмотке 2 трансформатора 1,чтобы на нагрузке получить идеально Ьглаженное стабильное напряжениеJ Оц-напряжение на выходе без фильтра при активной нагрузке; Up - постоянная составляющая выпрямленного напряжения на выходе; U - идеальное .

напряжение, которое необходимо получить на выходе моста на ключах 912, чтобы полностью скомпенсировать пульсации в выходном напряжении; -вых Реальное напряжение на выходе

моста на ключах 9-12, напряжение на выходе выпрямителя на диодах .7-, с конденсатором 8; , - опорное напряжение узла управления 13; UHCSH реальное напряжение на выходном выпрямителе с фильтром на входе блока 13 управления; 1зпр -12 - ток управления ключами 9-12.

Сущность работы заявляемого преобразователя заключается в том, что в идеальном случае, на первичной обмотке 2 силового трансформатора 1 формируется напряжение прямоугольной формы Uy, со стабильной амплитудой. Тогда на выходе выпрямителя на диодах Ц с фильтром 5 получаем идеально сглаженное и стабильное напряжение UQ % (на фиг. 3 через К обозначен коэффициент трансформации). Для этого напряжение компенсации U на выходе регулирующего элемента должно иметь форму, приведенную на фиг. 3 (П). Реальный спектр компенсирущего напряжения имеет несколько другую форму и формируется следующим образом.

При включении напряжения питающей сети напряжение на нагрузке равно нулю. Блок управления 13у сравнивая это напряжение с опорным .выдаст сигналы для включения ключей 9 и 11 (для положительного полупериода питающего напряжения) или 10 и 12 (для отрицательного полупериода). Нарастает напряжение на выходе устройства и одновременно заряжается конденсатор 8, Когда напряжение U arpnpe высит на величину &U (зависящук) .т чувствительности сравнивающего элемента узла 13) включается ключ 10 и выключается ключ 9 (фиг. 3 i-jtipS-IZ). В дальнейшем работа протекает аналогично. Когда напряжение и прёвыситиоппроисходит смена включе ния и выключенных ключей таким образом что они работают на вычитание. При смене полупериода питающей сети алго ритм работы ключей 9-12 меняется на обратный. Таким образом, напряжение иу цгрГоддерживается равным опорному, а размах пульсации определяется чувствительностью сравнивающего элемента узла 13. Работа устройства (фиг. 2) аналогична работе преобразователя (фиг. 1). Процесс преобразования переменного налряжения в постоянное стабилизированное, в устройстве, показанном на фиг. 4 протекает аналогично рассмотренным вариантам, с той лишь раз ницей что прямоугольное напряжение со стабильной амплитудой формируется на выходе (вход двухполупериодного выходного выпрямителя). Вольтодобавочный трансформатор It в предлагаемом преобразователе рассчитывается .на повышенную частоту (на спектр компенсируемых гармоник) а выходной фильтр выполняется без {дросселей (на конденсаторе, с достаточно малой емкостью), что приводит к улучшению массогабаритных и динамических характеристик преобразователя . Предлагаемоеустройство имеет меньшую массу и габариты и более простую схему, за счет исключения вольтодобавочного трансформатора и за счет исключения цепей рассыщения при использовании его для питания цепей постоянного тока. Формула изобретения 1. Преобразователь переменного на пряжения, содержащий входной транс- до форматор, первичная и вторичная силовые обмотки которого связаны с входными и с выходными выводами соответственно вольтодобавочный узел, выполненный в виде выпрямителя, выводы переменного тока которого соединены с дополнительной обмоткой входного трансформатора, а выводы постоянного тока подключены через фильтр к входу модулирующего блока, выходная цепь которого соединена последовательно с одной из силовых обмоток входного трансформатора,о т .личающийся тем, что, с целью упрощения, уменьшения массы и габаритов., модулирующий блок выполнен по мостовой схеме. 2.Преобразователь по п. 1, о т личающийся тем, что выходная цепь модулирующего блока включена последовательно с первичной обмоткой входного трансформатора. 3.Преобразователь по п. 1, о т личающийся тем, что при использовании его для питания цепей постоянного тока введены два диода и дополнительный трансформатор,при этом вторичная обмотка входного трансформатора выполнена в виде двух полуобмоток, каждая из которых включена последовательно с диодом и формирует плечо выходного выпрямителя, а выход модулирующего блока включен в цепь вторичной обмотки трансформатора через дополнительный трансформатор, вторичная обмотка которого выполнена со средней .точкой и включена Между выводами полуобмоток вторичной обмотки входного трансформатора. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № , кл. G 05 F 1/22, 19752.Авторское свидетельство СССР № , кл. Н 02 М 7/0, 1975. 3.Авторское свидетельство СССР 39бб7, кл. G 05 F 1/30, 1971.

л-йГ

Фиг.г

Риг.З .