Преобразователь постоянного напряжения в регулируемое постоянное

 

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении преобразователей постоянного напряжения одного уровня в регулируемое постоянное напряжение другого уровня повышенной мощности, например, для питания электроприводов постоянного тока с широким регулированием скорости вращения. Цель изобретения - расширение области использования за счёт увеличения диапазона регулирования при пониженном уровне пульсаций выходного тока. Преобразователь содержит m преобразующих каналов (например, m 3), каждый из которых состоит из последовательно включенных управляемого ключевого элемента (тиристора) 1 (2, 3), конденсатора 4 (5, 6) и индуктивности 7 (8, 9), причем катоды тиристоров объединены и образуют один входной вывод преобразователя , второй входной и выходной выводы преобразователя образованы объединением одних из выводов обмоток

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ .РЕСПУБЛИК (l9) (11) (51)5 Н 02 М 3/135

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

17 (21) 4490399/07 (22) 06.10.88 (46) 30.03.92. Бюл М 12 (71) Московский энергетический институт (72) В.В.Михеев, Ю.В.Тиняков и К.Г.Мыцык (53) 621.314.1 (088,8) (56) Сеньков B.È, Высокочастотные помехи, создаваемые импульсными стабилизаторами напряжения, ЭТвА, вып, 13, M. Радио и связь, 1982, с. 102-110.

Иванов А,М. Тиристорно-транзисторный преобразователь постоянного напряжения в регулируемое постоянное, ЭТвА, вып. 13, М.: Радио и связь, 1982, с. 110-116.

Шуваев Ю,Н. и др, Многофазные им-. пульсные стабилизаторы, ЭТвА, вып. 9, М.:

Радио и связь, 1977, с, 71, Авторское свидетельство СССР

N 1360533, кл. Н 02 M 3/135, 1987. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ B РЕГУЛИРУЕМОЕ ПОСТОЯННОЕ (57) Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении преобразователей постоянного напряжения одного уровня в регулируемое постоянное напряжение другого уровня повышенной мощности, например, для питания электроприводов постоянного тока с широким регулированием скорости вращения. Цель изобретения — расширение области использования за счет увеличения диапазона регулирования при пониженном уровне пульсаций выходного тока. Преобразователь содержит m преобразующих каналов (например, m = 3), каждый из которых состоит из последовательно включенных управляемого ключевого элемента (тиристора) 1 (2, 3), конденсатора 4 (5, 6) и индуктивности

7 (8, 9), причем катоды тиристоров объединены и образуют один входной вывод преобразователя, второй входной и выходной выводы преобразователя образованы объединением одних из выводов обмоток

1723644 рование напряжения осуществляется частотным методом, причем при более высокой частоте управляющих сигналов расширяется диапазон регулирования по выходному напряжению за счет увеличения его верхней границы, B качестве ключевого элемента может быть использован биполярный транзистор. 1 з, и, ф-л ы, 4 ил. индуктивностей. К точке соединения анода тиристора и конденсатора каждого из каналов подключены последовательно соединенные между собой диод 10 (11; 12) и обмотка дросселя 13 (14, 15), причем объединением одних из выводов последних (каждого из m каналов) образован второй выходной вывод преобразователя, РегулиИзобретение относится к преобразова- Регулирование выходного напряжения осутельной технике и может быть использова- ществляется частотным методом. но при построении источников вторичного Недостатками такого решения являютэлектропитания как централизованного,так ся сравнительно невысокое качество выходи децентрализованного типов. 5 ного напряжения, заметно ухудшающееся

Известны структуры преобразователей по мере приближения к нижней границе дипостоянного напряжения в регулируемое апазона регулирования и связанное с этим постоянное (ППН) последовательного и па- увели ение массы фильтра. Кроме того, ограллельного типов. ППН последователь- раничено использование по мощности. ного типа характеризуется последователь- 10 ППН относятся к структурам с одноным включением ключевого элемента и канальным преобразованием энергетидросселя сгл осселя сглаживающего фильтра, а ППН ческого потока. Этим объясняется огранипараллельного типа характеризуется па- ченность их применения по мощностному раллельным аллельным включением одного из этих диапазону. B значительной мере снять укаэлементов (ключа или дросселя) между ши- 15 занный недостаток позволяют ППН с многонами цепи преобразования, В выходной . канальным преобразующим трактом. цепи обеих этих структур присутствуют Структурно они характеризуются наличием конденсатор сглаживающего фильтра и m преобразующих каналов, включенных падиод, замыкающий ток нагрузки в момент раллельно по входу и параллельно (через регулировочных пауз, Управление ключе- 20 дроссель фильтра) по выходу. вым элементом осуществляется от управ- При реализации регулирования выходляемого модулятора ширины импульсов ного напряжения в таком устройстве ключи должны быть полностью управляемыми, Недостатками таких преобразователей Система управления в этом случае состоит являются повышенное помехоизлучение 25 из последовательно связанных между собой из-за высокой крутизны фронтов и срезов задатчика частоты, m-разрядного регистра импульсов тока, протекающего через клю- сдвига, причем каждый из m выходов коточевые элементы; относительно ограничен- рого соединен с соответствующим входом н ые возможности по мощностному модулятора ширины импульсов. В свою очедиапазону, связанные с относительно огра- 30 редь, выходы связаны с соответствующими ниченной мощностью располагаемых пол- управляющими электродами ключей, в обностью управляемых полупроводниковых щем случае через узел гальванической разприборов; сложность получения высокого вязки и усиления. качества выходного напряжения, связанная Таким образом, на выходе m-фазного с высоким уровнем и низкой частотой пуль- 35 модулятора формируется m-фазная система саций фильтруемого напряжения и, как напряжений с регулируемой скважностью. следствие, с увеличением массы сглажива- Недостатками являются повышенный ющего фильтра, уровень помехоизлучения, связанный с

Уменьшить уровень помехоизлучения наличием относительно резкого среза тока можно на основе использования инверто- 40 управляющего ключа в конце коммутациров тока. Структура такого ППН выполняет- онного инвертора, и относительно узкий ся в виде тиристорного или транзисторного диапазон регулирования выходного напряинвертора, к выходу которого через кон- жения из-за принципиальной невозможности денсатор подключена первичная обмотка повышения его сверх уровня напряжения согласующего трансформатора. Вторич- 45 питания преобразователя. ная обмотка через выпрямитель и фильтр Наиболее близким к предлагаемому явподключена к выходным выводам ППН. ляется устройство, содержащее m преобра1723644 зующих каналов, включающих в себя rn зарядных цепочек, состоящих из управляемых ключей, подключенных с помощью общего дросселя к одному из силовых входных выводов, mразрядных цепочек,,также состоящих из управляемых ключей, подключенных через общий дроссель к одному из выходных выводов, другой из которых является общим с другим входным. Между разрядным и зарядным блоками включены

m перезарядных цепочек„состоящих из m управляемых ключей, подключенных через общий дроссель к общему выводу и m емкостей включенных между m управляемыми ключами переразрядного блока и общим силовым выводом. Устройство содержит также блок управления ключами.

Цель изобретения — расширение области использования путем увеличения диапазона регулирования при повышенном уровне пульсаций выходного тока.

Указанная цель достигается тем, что в преобразователе, содержащем m подключенных между шинами питания зарядных цепочек, состоящих из последовательно соединенных конденсаторов и управляемых ключей, m разрядных вентилей, установленных в разрядных цепях между точками соединения конденсаторов и управляемых ключей и одним из выходных выводов для подключения нагрузки, другой из которых является общим, и индуктивные элементы, включенные во входную и выходную цепи, и блок управления ключами, использовано

2m указанных индуктивных элемента, m из которых установлены в зарядных, à m — в разрядных цепях, m разрядных вентилей выполнены неуправляемыми, блок управления выполнен в виде m-фазного модулятора скважности, включающего последовательно соединенные частотно-управляемый задатчик частоты и m-разрядный регистр сдвига, каждый из m выходов которого соединен с управляющим входом одного из m указанных ключей, При этом в качестве управляемых ключей могут быть установлены тиристоры.

На фиг. 1 представлена структурная схема силовой части предлагаемого ППН; на фиг, 2 — структурная схема системы управления, на фиг. 3 — вариант выполнения силового ключа преобразователя; на фиг. 4 — временные диаграммы, поясняющие формирование выходного тока преобразователя и требуемых сигналов управления.

Преобразователь (фиг. 1) содержит в частном случае три преобразующих канала (m = 3) и состоит из последовательно включенных управляемых ключевых элементов (тиристоров) 1 — 3, конденсаторов 4 — 5 и индуктивностей 7 — 9. Причем катоды тиристоров 1 — 3 объединены и образуют один входной вывод преобразователя, Второй входной и выходной выводы преобразователя образованы объединением одних из выводов обмоток 7 — 9 индуктивностей. К точке соединения анода тиристора и конденсатора каждого из каналов подключены последовательно соединенные между собой диоды 10 — 12 и обмотки дросселей 13—

15, Причем объединением одних из выводов последних образован второй выходной вывод преобразователя. К выходным выводам преобразователя в общем случае могут быть подключены сглаживающий конденсатор 16 и собственно нагрузка 17.

На фиг. 2 представлена система управления предлагаемого преобразователя, состоящая из последовательно связанных управляемого по частоте задатчика 18, частоты и трехфазного регистра 19 сдвига.

Для формирования системы управляющих импульсов Uyi (i = 1, 3) служит блок 20 дифференцирования, входами соединенный с выходами регистра сдвига и содержащий в каждом канале дифференцирующую цепочку, состоящую из конденсатора 21, к одному из выводов которого подключен шунтируюрезис ор 22, к другому- анод буферного диода 24, Управляющие импульсы Uy> снимаются с катода диода 23. Анод диода 24 и второй вывод резистора 22 подключены к общей шине устройства.

Для обеспечения возможности использования в качестве силового ключа биполярного транзистора управляемый ключ выполнен по схеме, представленный на фиг, 3. Он состоит из последовательно включен40 ных транзисторов 25, первичной обмотки трансформатора 26 тока, вторичная обмотка

27 которого подключена к эмиттер — базовому переходу транзистора по схеме положительной обратной связи, и диода 28, Первичная 26 и вторичная 27 обмотки трансформатора тока включены встречно. Причем обмотка 27 подключена через диод 29 к эмиттер — базовому переходу транзистора, зашунтированному резистором 30.

Принцип работы предлагаемого устрой50 ства поясняется временными диаграммами на фиг. 4, где Uó1, Uyz, 0уз — сигналы управления ключами 1 — 3 соответственно; i4,т, !

5,3, 16,9 токи через конденсаторы 4 — 6 и дросселя 7 — 9 каждого из преобразующих

55 каналов; l17 — ток через нагрузку 17; lo т1, tz-t4; сь-tv — интервалы заряда конденсаторов 4 — 6, соответствующие открытому состоянию ключей 1 — 3; ц-сз; т4-ts: tv-to—

1723644

55 интервалы заряда конденсаторов 4-6 соответственно.

Устройство работает следующим образом.

На фиг. 4а приведены временные диаграммы работы преобразователя при относительно низкой частоте управляющих импульсов. Управляющие импульсы Uyl образуют симметричную трехфазную систему напряжений со сдвигом 2x/3. Принцип работы каждого из трех каналов аналогичен, поэтому рассмотрим работу первого из них.

При подаче управляющего импульса 0у1 на управляющий электрод ключа 1. (тиристора), последний вскрывается. При этом ток

i4,z, протекая через колебательный контур, образованный конденсатором 4 и индуктивностью 7, вызывает заряд конденсатора до значения напряжения большего, чем напряжение источника питания (благодаря индуктивности 7). При этом потенциал анода тиристора 1 становится отрицательнее потенциала катода, и тиристор 1 запирается обратным напряжением, Длительность этого процесса определяется собственной частотой колебаний LC-контура (из конденсато а 4 и индуктивности 7), в, = 1/ 1 С . Ток 1д,7 изменяется при этом по синусоидальному закону, что приводит к малому уровню помехоизлучений.

На следующем интервале происходит разряд конденсатора 4 по цепи: дроссель 7, нагрузка 17, дроссель 15, диод 12, с большей постоянной времени, чем при его заряде. Выходной ток Ит представляет собой сумму токов каждого из преобразующих каналов!4,7, 15,8, 16.9

При более высокой частоте управляющих сигналов (фиг, 4б) ток через нагрузку увеличивается, а напряжение на нагрузке может достигать значений, близких к значению напряжения конденсатора в конце интервала его заряда, а следовательно, может достигать значений, больших напряжения питания. Это свидетельствует о возможности расширения диапазона регулирования преобразователя по выходному напряжению за счет увеличения верхней его границы.

При детальном рассмотрении процессов в предлагаемом ППН, часть тока, зави5 сящая от величины добротности

LC-контура, проходит через нагрузку 17 и на интервале заряда конденсатора 4. Поэтому приведенные на фиг. 4 временные диаграммы отражают принцип работы ППН лишь в

10 упрощенном виде, более удобном для понимания функционирования устройства, не нанося ущерб существу процессов.

Формула изобретения

1. Преобразователь постоянного на15 пряжения в регулируемое постоянное, содержащий m подключенных между шинами питания зарядных цепочек, состоящих из последовательно соединенных конденсаторов и управляемых ключей, m

20 разрядных вентилей, установленных в разрядных цепях между точками соединения упомянутых конденсаторов и управляемых ключей и одним из выходных выводов для подключения нагрузки, другой из которых

25 является общим, а также индуктивные элементы, включенные во входную и выходную цепи, и блок управления ключами, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения области использования путем

30 увеличения диапазона регулирования при пониженном уровне пульсаций выходного тока, в нем использовано 2m указанных индуктивных элемента, m из которых установлены в зарядных, а m — в разрядных цепях, 35 m разрядных вентилей выполнены неуправляемыми, упомянутый блок управления выполнен в виде m-фазного модулятора скважности, включающего в себя последовательно соединенные частотно-управляе40 мый задатчик частоты и m-разрядный регистр сдвига, каждый из m выходов которого соединен с управляющим входом одного из m указанных ключей.

45 2, Преобразователь по и. 1, о т л и ч аю шийся тем, что в качестве управляемых ключей установлены тиристоры.

1723644

У1 6 7

1 и уу

5(8

Уу

4 д

Lt )

Р8

4р

417

Составитель К, Мыцык

Редактор И. Касарда Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор M. Максимишинец

Заказ 1068 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101