Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное

 

Изобретение относится к преобразовательнойтехнике. Цель изобретения - повышение коэффициента полезного действия за счет рекуперации энергии намагничивания. Регулирование напряжения на выходе осуществляют изменением относительности времени и направления включения вольтодобавочной обмотки высокочастотного трансформатора 11 между выводами 15,18 и выходным фильтром 1. Преобразователь содержит две одинаковые однотактные силовые ячейки (ОСЯ) 2,3. ОСЯ 2,3 работают поочередно.Во время работы одной из ОСЯ высокочастотный -. трансформатор 11 другой ОСЯ размагничивается . Размагничивание высокочастотного трансформатора 11 осуществляется путем отдачи накопленной энергии в сеть через ключи размагничивания 17,19, за счет чего достигается поставленная цель. 1 з.п. ф-лы, 5 ил. с (g (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИН

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

Il0 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (61) 1372539 (21) 4123536/24-07 (22) 25.09;86 (46) 15.07.88, Бюл. К- 26 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при

Томском институте автоматизированных систем управления H радиоэлектроники (72) А.В. Кобзев, Н.М. Музыченко, В.Д. Семенов, В.С. Мишуров и А.В. Пивнев (53) 621.314.2(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

Ф 1372539, кл. H 02 М 5/257, 1986. (54) РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ (57) Изобретение относится к преобразовательной. технике. Цель изобретения — повышение коэффициента полез„.SU„„1ЯЯ2ДЯ А 2 ного деиствия за счет рекуперации энергии намагничивания. Регулирование напряжения на выходе осуществляют изменением относительности времени и направления включения вольтодобавочной обмотки высокочастотного трансформатора 11 между выводами

15, 18 и выходным фильтром 1. Преобразователь содержит две одинаковые однотактные силовые ячейки (ОСЯ) 2,3

ОСЯ 2,3 работают поочередно.Во время работы одной из ОСЯ высокочастотный трансформатор 1 другой ОСЯ размагничивается. Размагничивание высокочастотного трансформатора 11 осуществляется путем отдачи накопленной энергии в сеть через ключи размагничивания

17,19, за счет чего достигается поставленная цель. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

1410234 (Изобретение относится к преобразоательной технике и может найти примеение в системах электропитания апаратуры средств связи, измерительной 5 вычислительной техники.

Цель изобретения — повьппение КПД

° ° за счет рекуперации энергии намагниивания.

На фиг..1 приведена функциональная схема устройства; на фиг. 2,3 — при ер выполнения блоков распределения мпульсов, на фиг. 4 — .пример выполнения блока контроля полярности; на

r. 5 — временные диаграммы, поясняющие работу устройства в различньтх режимах, обусловленных изменением управляющего сигнала. . Функциональная схема содержит выхо) ной фильтр 1, две однотактные силовые ячейки 2,3, блок 4 управления, блок 5 контроля полярности, Т-триггер 6, блоки 7-10 распределения им.пульсов. Каждая силовая ячейка 2,3 включает высокочастотный трансформа- 25 тор 11, выводы 12 13 первичной обмотки 14 которого присоединены к выводу 15 входного фильтра, через ключ

16 переменного тока, выполненный полностью управляемым и ключ 17 размагничивания, а к выводу 18 (входного фильтра) через ключ 19 размагничивания и ключ 20 переменного тока ключи

17 и 19 размагничивания включают транзисторы 21,22, каждый из которых зашунтирован обратным диодом 23,24, Вторичная обмотка высокочастотного трансформатора 11, выполненная по схеме со средней точкой, крайними выводами через ключи 25,26 переменного тока, выполненные полностью управляе-40 мыми, подключена к одному из выводов выходного фильтра 1, а средней точкой 27 — к выводу 15. Базы транзисторов 21 ключей 17,19 силовых ячеек

2,3 подключены к прямым выходам, а базы транзисторов 22 — к инверсным выходам соответственно блоков 7-10 распределения импульсов.

Блок 4 управления включает задающий генератор 28 генератор пилообразного напряжения 29, амплитудный детектор 30, дифференциальный усилитель

31, два компаратора 32, 33 и логический элемент 2И-НЕ. 34. Выход задающего генератора 28 соединен с входами

Т-триггера 6 и генератора 29 пилообразного напряжения, к выходу которого подключены инвертирующий вход компаратора 32, неинвертирующий вход компаратора 33 и вход амплитудного детектора 30. Выход амплитудного детектора 30 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя

31, неинвертирующий вход которого объединен с неинвертирующим входом компаратора 32 и образует управляющий вход 35 блока управления. Выход дифференциального усилителя 31 соединен с инвертирующим входом компаратора 33, Выход компаратора 32 подключен к первому информационному входу

36 блока 9 распределения импульсов, первому информационному входу 37 блока 10 распределения импульсов и к одному из входов элемента 2И-НЕ

34, другой вход которого подключен к соединенным между собой, выходу компаратора 33, информационному входу 38 блока 9 распределения импульсов и информационному входу 39 блока

10 распределения импульсов. Выход элемента 2И-НЕ 34 подключен к информационным входам 40,41 блоков 9 и 10 распределения импульсов. Синхронизирующие входы 42,43 блоков 9 и 10 распределения импульсов подключены к прямому выходу Т-триггера 6. Синхрониэирующие входы 44,45 блоков 9,8 распределения импульсов подключены к инверсному выходу T-триггера 6, Информационные входы 46, 47 блоков 7,8 распределения импульсов соединены с прямым выходом блока 5 контроля полярности, а информационные входы 48, 49 блоков 7 и 8 распределения импульсов соединены с инверсным выходом блока 5 контроля полярности. Входы блока 5 контроля полярности подключены к выходам 15,18. Выходы 50,51 блоков 9 и 10 распределения импульсов соединены с управляющими входами ключей 16,20, соответственно, однотактных силовых ячеек 2 и 3. Управляющий вход ключа 25 однотактных силовых ячеек 2,3 .подключен к выходам

52,53 блоков 9 и 10 распределения, а управляющий вход ключа 26 однотактных силовых ячеек 2,3 подключен к выходам 54,55 блоков 9 и 10 распределения импульсов.

Блоки 7 и 8 распределения импульсов (фиг. 2) содержат два элемента

2И 56,57, первые входы которых объединены и,образуют синхронизирующие входы 42,45, а вторые входы являются информационными входами 46,48.

1410234

При этом выход 56 элемента 2И является прямым выходом блоков 7 и 8 распределения импульсов 7,8, а выход элемента 2 и 57 — инверсным выходом

5 блоков 7 и 8 распределения импульсов.

Блоки 9 и 10 распределения импульсов 9,10 (фиг, 3) содержат два элемента 2И 56,57, первые входы которых 10 объединены и образуют синхронизирующие ходы 42,45, а вторые входы являются информационными входами 46,48.

При этом выход 56 элемента 2И является прямым выходом блоков 7 и 8 рас- 15 пределения импульсов, а вьг од элемента 2 и 57 — инверсным выходом блоков

7 и 8 распределения импульсов.

Блоки 9 и 10 распределения импульсов (фиг. 3) содержат элементы 2И, 58, 59, 60, первые выходы которых объединены и образуют синхронизирующие входы 44,43, а входы — 36-4 1 являются информационными.

Блок 5 контроля полярности (фиг, 4) Z5 содержит согласующий трансформатор

61, компаратор 62 и элемент НЕ 63.

Выводы первичной обмотки трансформатора 61 являются входами блока 5 контроля полярности. Неинвертирующий выход компаратора 62 соединен с одним из выводов вторичной обмотки трансформатора 61. Другой вывод вторичной обмотки трансформатора 61 инвертирующий вход компаратора 62

35 соединены с общей шиной. Выход компаратора 62 соединен с входом элемента HE 63 и является прямым -выходом блока 5 контроля полярности. Выход элемента HE 63 является инверсным выходом блока 5 контроля полярности 5.

На фиг. 5 изображено напряжение

64 на выходе задающего генератора 28, напряжение 65 генератора 29, напряжение 66 на управляющем входе 35 блока 45 управления 4, напряжение 66 на выходе дифференциального усилителя 31, последовательность импульсов 67 на выходе компаратора 32, последовательность импульсов 68 на выходе компаратора 33, последовательность импульсов 69 на выходе элемента 2И-НЕ 34, последовательность импульсов 70-71 на прямом и инверсном выходах Т-триггера 6, напряжение 72 на управляющем входе ключа 25 однотактной силовой ячейки 2, напряжение 73 на .управляющем входе ключа 26 однотактной силовой ячейки 2, напряжение 74 на управляющих входах ключей 16 и 20, напряжение 75 сети (переменное), напряжение 76 на прямом выходе блока 5 контроля полярности, последовательность импульсов 77 на базах транзисторов

22 ключей размагничивания 17 и 19 однотактной силовой ячейки 2, последовательность импульсов 78 на базах транзисторов 21 ключей размагничивания 17 и 19 однотактной силовой ячей ки 2, огибающая напряжения повышенной частоты 79 на высокочастотном трансформаторе 11 однотактной силовой ячейки 2, напряжение 80 повышенной частоты на обмотках высокочастотного трансформатора 11, огибающая добавочного напряжения 8 1 на выходе однотактной силовой ячейки 2, выходное добавочное напряжение 82 однотактной силовой ячейки 2.

Устройство работает следующим образом.

Управление ключами устройства осуществляется при помощи блока 4 управления. Напряжение 64 с выхода задающего генератора 28 поступает на выходы Т-триггера 6 и генератора 29.

Напряжение 65 (фиг. 5) сравнивается на компараторе 32 с напряжением 66, поступающим с управляющего входа 35 блока 4 управления. Если напряжение ниже напряжения 65 по уровню, то на выходе компаратора 32 "0", если напряжение 66 выше пилообразного напряжения 65, то на выходе компаратора 32 формируется "1". Напряжение

65 также поступает на вход амплитудного детектора 30, где происходит выделение его амплитудного значения.

Выходное напряжение амплитудного детектора 30, равное амплитуде напряжения 6-5 подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя 31, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение с управляющего входа 35 блока 4 управления.

Разностный сигнал напряжения 66 с выхода дифференциального усилителя 31 поступает на инвертирующий вход компаратора 33 и сравнивается с напряжением 65. Если напряжение 66 ниже напряжения 65, на выходе компаратора

33 формируется " 1", а если напряжение 66 больше напряжения 65, то на выходе компаратора 33 "0". С выхода компаратора 32 последовательность им— .пульсов 67 поступает на информационный вход 36 блока 9 распределения импульсов, на информационный вход 37

141Q234,блока 10 распределения импульсов и на один из входов элемента 2И-НЕ 34, Последовательность импульсов 68 компаратора 33 поступает на другой вход элемента 2И-НЕ 34, на информационный вход 38 блока 9 распределения импульсов и на информационный вход 39 блока 10 распределения импульсов. Сформированная на выходе элемента 2И-НЕ

34 последовательность импульсов 69 поступает на информационные входы

40,41, соответственно, блоков 9 и 10 распределения импульсов. Блоки 9и 10 распределения импульсов осуществляют

15 передачу последовательностей импульсов 67-69 с информационных входов

36-41 на выходы 50-55 в соответствии с пунктирными линиями, проведенными внутри блоков 9 и 10 распределенкя импульсов и с учетом последовательностей импульсов 70,71, поступающих с выходов Т-триггера 6 на синхронизирующие входы 43,44. Таким образом, на нечетных тактах задающего генератора 28 в соответствии с последовательностью импульсов 70 работает однотактная силовая ячейка 2, а на четных, в соответствии с последовательностью импульсов 71 - работает одно30 тактная сиповая ячейка 3. Другими ловами однотактные силовые ячейки ,3 работает по очереди, при этом неетным тактам задающего генератора

8 соответствуют периоды задающего енератора 28 на фиг. 5 с номерамн

1,3,5... (отсчет периодов начинается с первого по диаграмме периода), а четным такгам - периоды с номерами

2,4,6... Блоки 7 и 8 распределения 40 импульсов осуществляют передачу последовательности импульсов 70,7 1 с выходов Т-триггера 6 на управляю щие цепи транзисторов 21,22 ключей размагничивания 17,19 в соответствии 45 с сигналом блока 5 контроля полярности. При положительной полярности напряжения 75 включаются транзисторы 22 ключей размагничивания 17,19

1 причем на четных тактах задающего генератора 28 включаются транзисторы

22 однотактной силовой ячейкой 2, а на нечетных — транзисторы 22 однотактной скповой ячейки 33. При отрицательной полярности напряжения 75 включаются транзисторы 21 однотактных 55 силовых ячеек 2,3 опять же по очереди так, что на четных тактах включены транзисторы 21 однотактной силовой ячейки 2, а на нечетных транзисторы

21 однотактной силовой ячейки 3.

Режим работы однотактных силовых явеек 2,3 определяется величиной напряжения 66 на управляющем входе 35 блока 4 управления. Рабочая эона изменения напряжения 66 лежит в преде лах от 0 до удвоенной амплитуды напряжения 65. При этом в зависимости от величины напряжения 66 наблюдается следующие характерные режимы работы: режим максимальной отбавки соответствует величине управляющего

U> Haïðÿæåíèÿ 66 U> 6 О. На фиг. 5 этот режим наблюдается по времени от нуля до tg причем он характеризуется тем, что одновременно включены ключи 26, 16 и 20 однотактной силовой ячейки 2, как это следует из диаграммы 73,74 фиг. 5. При этом, из напряжения 75 вычитается выходное добавочное напряжение 82, определяемое соответствующим коэффициентом трансформации.

При изменении управляющего сигнала в пределах 0 (U (U, где U амплитуда пкпообразного напряжения, что на фиг. 5 соответствует интервалу времени С -й<, наблюдается режим регулируемой вольтоотбавки. В этом случае одновременно замкнутое состояние ключей 26, 16, 20 чередуется с состоянием одновременно замкнутых ключей 26,25, как это следует из диаграмм 72,73,74. При этом одновременно замкнутое состояние ключей 25, 26 при разомкнутых ключах 16,20 соответствует закороченному режиму работы высокочастотного трансформатора

11. К выходному фильтру прикладыва" ется напряжение, равное напряжению

75 сети. Таким образом, на выходе преобразователя этот режим характеризуется чередованием напряжений двух уровней, а именно, уровнем напряжения, равным напряжению 75 сети и уровнем напряжения, равным разности между напряжением 75 сети и выходным добавочным напряжением

82 вторичной полуобмотки трансформатора 11. В зависимости от величины управляющего сигнала изменяется длительность импульса соответствующего разностному уровню выходного напряжения. При этом, при увеличении сигнала управления длительность замкнутого состояния ключей 25,26 возрастает и при U> U„ на выходе преобра1410234 зователя действует неискаженное напряжение, равное напряжению сети.

Такой режим работы называется режимом неискаженной передачи напряжения се5 ти на нагрузку, При дальнейшем увеличении напряжения 66 управления в пределах U„(U > 2У„, что по фиг. 5 соответствует интервалу времени и -С, алгоритм замыкания ключей од- 10 нотактных силовых ячеек изменяется в соответствии с диаграммами 72,73, 74 так, что одновременно замкнутое состояние ключей 16,20,25 чередуется с одновременно замкнутым состояни- 15 ем ключей 25,26, При этом выходное напряжение преобразователя изменяется с частотой задающего генератора

28 между двумя уровнями — уровнем напряжения 75 сети и уровнем, равном сумме напряжения 75 и выходным добавочным напряжением 82 на вторичной полуобмотке трансформатора 11. Такой режим работы называется режимом регулируемой вольтодобавки, причем при увеличении напряжения 66 управления увеличивается длительность одновременного замкнутого состояния ключей

6,20,25 так, что при U > =2U„, это состояние занимает по времени весь полупериод повышенной частоты и такой режим называется режимом максимальной вольтодобавки, Таким образом, при изменении напряжения 66 в пределах 0 U> + 20„ выходное напряжение преобразователя будет изменяться в пределах (U -ис ) "вы„ 4 ("с+"с,) где U — напряжение сети Uc — напряжение на вторичной полуобмотке высокочастотного трансформатора 11, Uù„ â€,0 выходное напряжение преобразователя эа счет широтно-импульсного регулирования вольтодобавочного напряжения, которое еще и реверсируется относи.тельно напряжения сети, вычитаясь или суммируясь с последним. Магнитный режим работы сердечников высокочастотного трансформатора 11 опреде- . ляется напряжением 80. За счет того, что однотактные силовые ячейки 2,3 работают по очереди, на одном полупериоде повышенной частоты происходит намагничивание сердечника, а на следующем полупериоде происходит его размагничивание, При этом, максимальные времена...намагничивания и размагничивания равны полупериоду повышенной частоты. В процессе регулирования выходного напряжения время намагничивания сердечника трансформатора уменьшается до нуля, при этом величина размагничивающих вольтсекунд автоматически регулируется так, что намагничивающие и размагничиваюние вольтсекундные площади остаются равными в пределах каждого периода повышенной частоты. Это достигается тем, что применены ключи 17, 19 размагничивания, состоящие из двух встречно включенных транзисторов 21, 22, зашунтированных обратными диодами 23,24, а транзисторы 21,22 включаются по очереди в соответствии с напряжениями 78-76 ° При этом автоматическое регулирование размагничивающих вольсекунд достигается за счет выключения обратных диодов 23,24 при переходе тока намагничивания через нуль. Контур намагничивания включает вывод 15, ключ 16, первичную обмотку

15 с выводами 12,13, ключ 20, вывод

18. Контур размагничивания при положительной полярности напряжения — вывод 13 обмотки 14, транзистор 22, обратный диод 23, выводы 15,18 транзистор 22, обратный диод 23 ключа 19 размагничивания, вывод 12 обмотки 14, При отрицательной полярности напряя ения контур намагничивания остается таким же, а контур размагничивания является следующим: вывод 12 обмотки

14, транзистор 21, обратный диод 24 ключа размагничивания 19 выводы 18,15, транзистор 21, обратный диод 24 ключа размагничивания 17, вывод 13 обмотки 14. Указанные контуры намагничивания и размагничивания обеспечива« ют одинаковые величины напряжений намагничивания и размагничивания, равные примерно напряжению 75 сети.

Равенство вольтсекундных площадей будет сохраняться и в динамике, т.е. при .любой скорости изменения управляющего сигнала, что будет исключать режим эамагничивания сердечника трансформатора.

Формула изобретения

1. Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное по авт.св. 9 1372539, о т л и ч а ю-. шийся тем, что, с целью повышения КПД за счет рекуперации энергии намагничивания, в каждую однотактную силовуя ячейку введен дополнительный ключ, включенный между первым выво1410234

1О дом входного фильтра и началом первичной обмотки высокочастотного грансформатора, управляющий вход которого, объединен с управляющим входом пер5 вого ключа, узел размагничивания содержит два ключа размагничивания, каждый из которык выполнен в виде двух встречно включенных транзисто ровв, зашунтированных обратными диода- 1р ми, при этом первый ключ размагничивания,выводы входного фильтра, второй ключ размагничивания формируют последовательную цепь, а свободные выводы ключей размагничивания формируют вы15 ходные выводы узла размагничивания, кроме того, выводы управляющих цепей однонаправленных транзисторов попарно объединены и подключены к разноименным ходам введенного дополнительно-20 го распределителя импульсов,информационные входы которого подключены к выходам введенного блока контроля полярности,, а синхронизирующие — к соответствующему выходу Т-триггера блока управления, при этом вход блока контроля полярности соединен с выводами входного фильтра.

2. Преобразователь по п. 1, о т— л и ч а ю шийся тем, что блок контроля полярности выполнен в виде компаратора напряжения, инвертирующий вход которого подключен к общему выводу, неинвертирующий вход подключен к первому выводу вторичной обмотки согласующего трансформатора, второй вывод которой соединен с общим выводом, а выводы первичной обмотки подключены к входным выводам, при этом выход компаратора присоединен к входу элемента НЕ, причем выход компаратора является прямым выходом блока контроля полярности, а выход элемента НŠ— инверсным выходом блока контроля полярности, 1410234 игл vv

Редактор М.Товтин

Корректор А.Тяско

Подписное

Заказ 3493/55

Тираж 665 .

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4

Составитель И.Головинова

Техред М.Дидык

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений.и открытий

1!3035, Москва,.Ж-35, Раушская наб., д. 4/5,Жрсмий

Ьао/

ДЮМОН/

А.ыю 7