(i;) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА В НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах автоматики, связи, вычислительной техники, требующих постоянных напр яжений питания, Известно устройство для осуществления способа преобразования напряжения, включающего операции изменени мгновенного значения исходного переменного напряжения с помощью трансформатора, сдвига по фазе одного из умноженных напряжений с помощью фазо сдвигающих цепочек и устройств, выделение абсолютного значения переменного напряжения, выделение постоянной и переменных составляющих В этом способе увеличено значение постоянной составляющей напряжения, уменьшено значение переменной составляющей, увеличена вдвое ее час тота. Однако операция сдвига фазы приводит к необходимости применения громоздких фазосдвигрющих устройств, следствием чего является большая динамическая ошибка преобразования при импульсном характере нагрузки, а при необходимости получения нескольких гальванически несвязанных постоянных напряжений требуется установка стольких громоздких фазосдвигающих устройств. При этом операция выделения абсолютного значения отдельно для каждого из измененных переменных напряжений требует применения большого количества силовых выпрямительных элементов. Известно также устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное, содержащее трансформатор. первичная обмотка которого подключена к входным выводам, а вторичная содержит дополнительную обмотку, которая через управляемый полупроводниковый прибор подключается к нагрузке. Г. помощью устройства осуществляется способ преобразования, включающий операции изменения мгновенного значения перегонного напр 1жения , выделение абсолютных мгновенных значении переменного напряжения 2. Операция сло хения абсолютных значений переменных напряжений требует применения управляемых ключей на стороне низкого напряжения, причем для каждого из формируемых постоянных напряжений необходим свой ключ. Ключ, управ; яемый полупроводниковым приг бором, может быть выполнен на тиристоре, но при этом необходимы сложные схемы искусственной коммутации; выполнение его на транзисторе затруднено из-за коммутации больших токов, равных току нагрузки; выполнение его |на управляемом тиристоре также затрущ нено, так как требуется формирование импульсов управления разной полярности при одной и той же полярности переменного напряжения и ввиду малых коэфсЬициентов усиления по току, таких приборов на закрывание. Указанные обстоятельства не позволяют получить высокие удельные .энергетические показатели преобразования; , Цель изобретения - улучшение удельных энергетических характеристи преобразования. Указанная, цель дост 1гается тем, что согласно способу преобразования напряжения переменного тока в напряж ния постоянного тока включающему операции изменения мгновенного значения исходного напряжения переменного тока, выделения абсолютного значения напряжения переменного тока, дополнительно производят операцию определ ния нулевого, минимального и максимального значений исходного напряжения переменного тока, операцию разбиения каждого полупериода исходного напряжения переменного тока на временные интервалы, симметрично расположенные относительно моментов перехода этого напряжения через нулевые, максимальные и минимальные значения исходного напряжения переменного тока, операцию изменения мгновенных зн чений исходного напряжения переменного тока в свое- определенное число (К ) раз на каждом из выделенных временных интервалов, операцию сложения измененных таким образом значений напряжения переменного тока на всех временных интервалах и затем операцией выделения абсолютного значения напряжения переменного тока, при этом длительности временных инте валов - и величины, в которые изменятся мгновенные значения напряжени еременного тока, определяются из словий arcsin )3 f Kj |sin4|- Jd f; arcsln-zarcsin Y «resin 4iUi -)iJ ()-. rcsifl «resin fji--) rcsin« п jigjoifl-J ;itf ((sin4|--) i J I Г J V o rcs n-rrпгде/ к...К|..«К|, ., . . ,. - соответственно величины, в которые изменяются мгновенные значения напряжений переменного тока и длительности выделенных временных интервалов от первог доп-го. Такой способ может быть осуществлен устройством для преобразования напряжения пере -юнного тока в напряжения постоянного тока, содержащим управляемый ключ, трансформатор, один из выводов первичной обмотки которого образует первый входной вывод, выпрямитель, подключенный к. вторичной обмотке трансформатора, фильтр, соединенный с выходом выпрямителя и об|разующий выходные выводы, в которое введены селектор временных интервалов, коммутатор управляющих сигналов, дополнительные управляемые ключи и дополнительные трансформаторы, каждый из которыхОДНИМ выводом первичной обмотки подключен к первому входному выводу, каждый из других выводов первичной обмотки соединен с первым выводом управляемого ключа, вторые выводы всех управляемых ключей объединены, образуя второй входной вывод, объединенные третьи выводы управляемых ключей соединены с первым входным выводом, а управляющий вывод каждого из управляемых ключей подключен к срответствующему выходу коммутатора управляющих сигналов, .вход которого соединен с выходом селектора временных интервалов, подключенного ко входным выводам, вторичные обмотки всех транс(Ьо(эматоров соединены согласно-последовательно и
подключены свободными выводами к входу выпрямителя.
На фиг. 1 изображены эпюры напряжений (а, б, в, г, д ) для случая разбиения полупериода переменного напряжения на.два временных интервала; на фиг, 2 - принципиальная схема устройства для осуществления способа;, на фиг. 3 вариант осуществления схемы селектора временных интервалов.
Су1цность способа поясняется фиг.1, где приведены эпюры напряжений для случая разбиения полуперио 1а на два временных интервала: а - синусоидальное переменное напряжение (заштрихован выделяемый временной интервал с границами от -Ч до Ч; оставшийся временной интервал от Ч до J7 - Ч ; 5 - переменное напряжение после операции сложения на вторичных обмотках; 6 - выделяемое, абсолютное значение исходного напряжения переменного тока, и - выделенная постоянная составляющая ; i. - выделенная переменная составляющая; - увеличенное в масштабе по t абсолютное значение переменного напряжения; U - выделенная постбянная составлящая; ... 5 средние значения(площади ) полупериодов выделенной переменной составляю- . щей.
Последовательность операций способа преобразования следуюи|ая,
Полупериод напряжения переменного тока (фиг. let разбивается на целое число временных интервалов с границами, симметричными относительно углов| Ч 0° и Ч - Л/2; первый и последний участки содержат соответственно углы Ч Q и Ч J7/2. Промежуточные временные интервалы между первым и последним состоят из двух участков, обозначенных штрих-пунктирными линиями на фиг. let и симметрично расположенными относительно угла 4 0. Затем осуществляют операцию изменения мгновенного значения напряжения переменного тока в свое определенное число (К) раз с последующим их сложением. Результирующее напряжение для двух интервалов приведено на фиг. 16, После этого осуществляют операцию выделения абсолютного значения напряжения из мгновенных значений сложенных напряжений переменного тока. Затем выделяют переменные (фиг. l) и постоянные (U на фиг. 1в и- 15) составляющие выделенных абсолютных значений напряжения переменного тока.
Величины К и длительности Ч временных интервалов п должны быть выбраны из условий не только .равенства постоянных и переменных составляющих на отдельных временных интервалах, выделяемых при выделения абсолютного значения, но также равенства поло жительных и отрицательных значений функции /sin на каждом участке, т.е. эти условия могут быть записаны в виде (из фиг. 13) 5 54; 5 Sj; 55 5g. Однако два первых условия тождественны по составу переменных Тогда эти условия (без первого и последнего), например для п ., запишутся arcsin- С/
.K,j((Sinc/|-fJd -K j(lsincfl. аresinЧ
KI
(,s 4|-l-)(|sin fbljc3 -.
arcsin f
in(i-i )
arcsin JI-:
arcsin -r- KI K,J(lS l-fJsCf Kj| ()
oircsio - KI
I/ .
I/ .
Ка-ITT
где - -
Umi
амплитуды приведенного
к выходу напряжения переменного тока при Пл. и ;
sin среднее значение абсолютного значения напряжения переменного тока соответственно на первом и втором интервале.
Из составленной системы уравнений видно, что она имеет три неизвестных KI; KI;. Поскольку по определению
ц, 1 - Ч., при п 7 2 каждый новый
участок дает 2 неизвестных (Ч и К) и два уравнения: условие равенства площадей переменных составляющих (отрицательной и положительной относительно и ) и условие равенства одной из этих площадей переменной составляющей следующего (предыдущего ) участка. Такимобразом, аналоИ чно могут быть записаны условия для передля них найдены менных интервалов и %-v.-.(.) значения и Кх.,.Кп Так, для п 2; К )1 1,18, V 22,5°. Для и 3; К 16,7; к 2,23; Кз 1, На фиг. 2 представлено устройство для осуществления способа. Устройство содержит первый транс форматор 1, осуществляющий операцию изменения мгновенного значения исход ного напряжения переменного тока на первом интервале на свое mcno раз, второй трансформатор 2, осуществляющий указанную операцию на втором интервале, диоды 3-6 выпрямителя, осуществляющие операцию выделения абсолютного значения напряжения переменного тока (фип. 16), фильтр 7, осуществляющий операцию выделения на ег индуктивности переменной составляющей (фиг. 1ъ} абсолютного значения и операцию выделения на емкости филь ра и нагрузке постоянной составляюще абсолютного значения (U на фиг. 1в 1Э), управляемые ключи 8.1 и 9.1 с выводами 8,2, 8.3, 8., 8.5 и 9.2, 9.3 9., 9.5, коммутатор 10 управляющих сигналов, селектор 11 временных интервалов. Трансформаторы 1 и 2 одними выводами первичных обмоток об единены и подключены к первому входному выводу. Вторичные обмотки соединены согласно-последовательно и свободными выводами подключены к дио дам 3-6 выпрямителя. Выход выпрямите ля подключен через фильтр 7 к нагруз ке, показанной на фиг. 2 пунктиром. Другие выводы первичных обмоток тран форматоров 1 и 2 подключены к первым выводам 8.2 и 9.2 управляемых ключей 8.1 и Э.1. Вторые выводы 8.3 и 9.3 управляемых кличей подключены к второму входному выводу. Третьи выводы 8.4, 9. управляемых ключей 8.1, 9.1 соединены с первым входным выводом. Управляющие выводы 8.5, 9.5 управляемых ключей подключены к выхо дам коммутатора 10 управляющих сигналов, а его вход - к выходу селектора 11 временных интервалов, вход которого подключен к входным выводам. Устройство работает следующим образом.. . Каждый полупериод исходного напря жения переменного тока разбивают по крайней мере на два временных интервала от - Ч до Ч и от Ч до| -Ч(фиг.1а.. соответственно заштрихованные и незаштрихованные области. Это разбиение в устройстве осуществляется работающими в противофазе управляемыми ключами 8.1 и 9.1 так, что на первом интервале выводы 8„3, 8.2, а также 9., 9.2 замкнуты. Таким образом, на первом временном интервале напряжение переменного тока приложено к первичной, рбмотке трансформатора 1, а первич- , ная обмотка трансформатора 2 оказывается закороченной. Этот режим длится до момента времени Ч , в котором уп- равляемые ключи 8.1 и 9.1 меня«т свое поло хение, замыкая выводы 8.i, 8.2, а также 9.3, 9«2. С этого момента (второй временной интервал) к источнику напряжения переменного тока подключена первичная обмотка трансформатора 2, а первичная обмотка трансформатора 1 закорочена. Вследствие этого на первом интервале к первичной обмотке трансформатора 1 прикладывается все напряжение переменного тока, обозначенное штриховкой на фиг. Icj , а на втором интервале все напряжение переменного тока прикладывается к первичной обмотке трансформатора 2, Затем производится операция изменения мгновенного значения напряжения переменного тока на каждом интервале на свое значение К - на первом интервале - на коэффициент трансформации трансформатора l-K/,, на втором интервале - на коэффициент трансформации трансформатора 2-К2. Затем производится операция сложения измененных в свое число К раз мгновенных значений напряжения переменного ,тока с помощью соединенных последовательно-согласно вторичных обмоток трансформаторов 1 и 2. На первом интервале напряжение на вторичной обмотке трансформатора 1 равно а йа вторичной обмотке трансформатора 2 напряжение равно О, ее сопротивление близко к О, поскольку первичная обмотка закорочена. Таким образом, напряжение на свободных выводах вторичных обмоток трансформаторов 1 и 2 на первом интервале равно ,.Аналогично на втором интервале это напряжение равно . В результате на свободн(х выводах вторичных обмоток сформируется напряжение, эпюра которого приведена на фиг. 16 . После операции сложения производится операция выделения абсолютного значения сложен ных напряжений переменного тока. Она осуществляется с помощью диодов 3-6 выпрямителя. В результате этой операции на .выходе выпрямителя и входе фильтра 7 формируется напряжение, эпю ра которого приведена на фиг. 1в . Для разбиения полупериода на три временных интервала необходимо введение еще одного трансформатора, подклюценного одним выводом первичной обмотки к соответствующим объединенным выводам этих же обмоток трансформаторов 1 и 2,а вторым -к третьему управляемому ключу с соответствующим под.ключением четырех его выводов. После операции выделения абсолютного значейия производится операция выделения его постоянной и переменной составляющих. В устройстве эта операция выполняется с помощью фильтра 7. На последовательно включенном с нагрузкой элементе фильтра-индуктивности - выделяется переменная составляю1чая напряжения, а на параллельно включенном с нагрузкой элементе фильтра - емкости - постоянная составляющая этого напряжения. Временной интервал определяется селектором 11 временных интервалов, он может быть выполнен, например, по схеме амплитудного селектора, как это для случая двух временных интервалов показано на фиг. 3. В моменты достижения мгновенным значением переменно-ГО напряжения значения, соответствующего временив, стабилитрон пробивается и разность входного напряжения и напряжения стабилизации прикладывается к сопротивлению. Селектор 11 может быть выполнен по схеме временного селектора, т.е. в виде счетчика, вырабатывающего сигналы, поступающие на коммутатор в мо менты времени V Коммутатор 10 управляющих сигналов может быть выполнен по любой схеме, например по схеме пересчетного кольца. Для случая двух временных интервалов это быть, например, оптоэлектронный триггер. Для питания многих нагрузок необхо димо введение дополнительных (по ко/личеству нагрузок ) вторичных обмоток трансформаторов, выпрямителей и фильт ров (на фиг. 2 не показано). Однако для любого количества выходных посто янных напряжений количество управляемых ключей остается постоянным - соответствуЮ1Чим числу выделенных временных интервалов. Таким образом в описанном техническом решении достигается улучшение удельных энергетических характеристик, выра): енное в уменьшении массогабаритных показателей управляемых ключей, количества вентилей, а также значительном уменьшении рассеиваемой мощности, что повышает КПД. Формула изобретения 1. Способ преобразования напряжения переменного тока в напряжения стоянного тока, включающий операции изменения мгновенного значения исходного напряжения переменного тока, выделение абсолютного значения напряжения переменного тока, о т л и ч аю щи и с я тем, что, с целью улучшения удельных энергетических характеристик, производят .дополнительные (операции определения нулевого, минимального и максимального значений исходного напряжения переменного ток, затем.дополнительную операцию разбиения каждого полупериода исходного напряжения переменного тока на временные интервалы, симметрично располо : еиные относительно моментов перехода этого напряжения через нулевые, максимальные и минимальные значения исходного Напряжения переменного тока, затем операцию изменения мгновенных значений исходного напряжения переменного тока в свое определенное число (К) раз на каждом из выделенных временных интервалов, затем дополнительную операцию сложения измененных таким образом значений напряжения переменного тока на всех временных интервалах и затем операцию выделения абсолютного значения напряжения переменного тока, при этом длительности временны интервалов V и величину, в которые изменяются мгновенные значения напряжений переменного тока, определяются из условий . . (()i arcsin-j drosindrcsln к К,„j ().j (,) C rCSin rp- i
«resin ПГ-
arcain
Ч 5 () Л (.JJ
n-1 arcsinгде K,..K. ..К.Ч.-. ...f - соответственно величины, в которые изменяются мгновенные значения напряжений переменного тока и длительности .выделенных временных интервалов от первого доп -го.
2. Устройство для осуществления способа преобразования напряжения перменного тока в напря)хения постоянного тока по п. 1, содержащее управляемый ключ, трансформатор, один из выводов первичной обмотки которого, образует первый входной вывод, выпрямитель, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, фильтр, соединенный с выходом выпрямителя и обра- зующий выходные выводы, от ли ч а ю щ е е с я тем, что, в устройство введены селектор временных интервалов, коммутатор управляющих сигналов, дополнительные управляемые ключи и дополнительные трансформаторы, каждый из которых одним выводом первичной обмотки подключен к первому входному выводу, каждый из других выводов первичной обмотки соединен спервым выводом управляемого ключа, вторые выводы всех управляемых ключей объединены, образуя второй входной вывод, объединенные третьи выводы управляемых ключей соединены с первым входным выводом, а каждый управляющий вывод управляемых ключей подключен к соответствующему выходу коммутатора управляющих сигналов, вход которого со единен с выходом селектора временных у нтервалов, подключенного к входным выводам, вторичные обмотки всех трансформаторов соединены согласно-последовательно и- подключены свободными выводами к входу выпрямителя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1.Патент Великобритании f 1072508 кл. И 2 F, 1967.
2.Патент ФРГ № 1t67 37, кл. 21 д 1-72/02, 196.
Фие.1
