Способ преобразования переменного напряжения в постоянное и устройство для его осуществления

 

Использование: в устройствах, предназначенных для преобразования переменного напряжения в постоянное, в частности в источниках вторичного электропитания с бестрансформаторным входом различного назначения. Сущность изобретения: устройство, реализующее способ, содержит два выпрямителя 1 и 3, два преобразователя 2 и 5 повышенной частоты, сглаживающий фильтр 4, высокочастотный выпрямитель 6, высокочастотный сглаживающий фильтр 7 и блок 9 управления преобразователями 2 и 5. Изобретения позволяют улучшить массогабаритные показатели устройства. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и может быть использовано при построении устройств, предназначенных для преобразования переменного напряжения в постоянное, в частности источников вторичного электропитания с бестрансформаторным входом различного назначения.

Известен способ преобразования переменного напряжения в постоянное напряжение (Авторское свидетельство СССР N 625296, кл. H 02 M 7/06, 1978 г.), в котором переменное напряжение выпрямляют, затем преобразуют в напряжение повышенной частоты, из которого формируют ступенчато-прямойугольное напряжение, мгновенное значение огибающей которого равно разности между напряжением постоянного тока, равного амплитудному значению выпрямленного напряжения, и самим выпрямленным напряжением, а затем суммируют это напряжение с выпрямителем.

Недостатками указанного способа являются: относительно большие масса и габариты устройства, реализующего способ, из-за достаточной сложной реализации в силовой преобразовательной технике процесса получения ступенчато-прямоугольного напряжения из высокочастотного напряжения прямоугольной формы с постоянной амплитудой импульсов; невозможность регулирования, стабилизации и получения различных номиналов выходного напряжения; отсутствие гальванической развязки выходного напряжения преобразователя питающей сетью.

Известен способ преобразования переменного напряжения в постоянное (Авторское свидетельство СССР N 1171930, кл. H 02 M 7/04, 1985 г), заключающийся в том, что переменное напряжение выпрямляют, затем преобразуют в напряжение высокой частоты, из которого формируют знакопеременное ступенчато-прямоугольное напряжение, которое затем суммируют с выпрямленным напряжением, причем знакопеременное ступенчато-прямоугольного напряжения формируют с огибающей, которая образуется в результате вычитания из мгновенного значения выпрямленного напряжения его среднего значения.

Недостатками данного способа являются: ухудшенные массогабаритные показатели устройства, реализующего способ, из-за его усложнения, связанного с процессом получения знакопеременного ступенчато-прямоугольного напряжения; невозможность регулирования, стабилизации и получения различных номиналов выходного напряжения; отсутствие гальванической развязки выходного напряжения с питающей сетью.

Прототипом изобретения является способ преобразования переменного напряжения в постоянное, реализованный в преобразователе переменного напряжения в постоянное (Авторское свидетельство СССР N 851692, кл. H 02 M 7/04, 1981 г. ). Данный способ заключается в том, что входное переменное напряжение преобразуют в вольтодобавочное импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты с огибающей выпрямленного входного напряжения. Кроме того, входное переменное напряжение выпрямляют, фильтруют и формируют из него основное импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты с постоянной амплитудой импульсов, форма огибающей которого совпадает с формой напряжения, образующегося в результате вычитания из выпрямленного входного напряжения его среднего значения. Затем получают суммарное напряжение путем суммирования основного и вольтодобавочного напряжения, а выходное постоянное напряжение формируют путем выпрямления и последующей фильтрации суммарного напряжения.

К недостаткам способа-прототипа следует отнести ограничение в выборе значения повышенной частоты преобразования электроэнергии в устройстве, реализующем способ (частота преобразования в 5 раз превышает частоту входного переменного напряжения). Такое ограничение не позволяет существенно улучшить массогабаритные показатели устройства, реализующего способ. Кроме того, выпрямленное суммарное напряжение содержит в своем составе низкочастотную составляющую значительной амплитуды, что вызвано большой погрешностью аппроксимации требуемое формы огибающей основного импульсного напряжения. Это приводит к увеличению потребных значений реактивностей выходного фильтра и ухудшению его массогабаритных показателей в устройстве, реализующем способ.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи улучшения массогабаритных показателей устройства, реализующего способ.

Решение поставленной задачи достигается тем, что входное переменное напряжение выпрямляют, фильтруют и формируют из него основное импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты с постоянной амплитудой импульсов, равной амплитудному значению выпрямленного напряжения. Преобразуют входное переменное напряжение в вольтодобавочное импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты с огибающей выпрямленного напряжения. Формируют суммарное напряжение путем суммирования первого и второго импульсных знакопеременных напряжений повышенной частоты, которые формируют с постоянной амплитудой импульсов из основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты в течение интервалов селекции, середины которых совпадают с нулевыми значениями входного переменного напряжения, а длительность указанных интервалов селекции выбирают в диапазоне (0,05 0,15)Т, где Т период повторения входного переменного напряжения, путем деления по амплитуде основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты. В промежутки времени, отличные от интервалов селекции, первое импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты формируют равным вольтодобавочному импульсному знакопеременному напряжению повышенной частоты, а второе импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты формируют путем вычитания из основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты вольтодобавочного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты. Формируют выходное постоянное напряжение путем выпрямления и последующей фильтрации суммарного напряжения.

Новыми существенными признаками изобретения по сравнению с прототипом являются, формирование основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты с амплитудой, равной амплитудному значению выпрямленного напряжения; формирование первого и второго импульсных знакопеременных напряжений повышенной частоты, которые формируют с постоянной амплитудой импульсов из основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты в течение интервалов селекции, середины которых совпадают с нулевыми значениями входного переменного напряжения, а длительности указанных интервалов селекции выбирают в диапазоне (0,05 0,15)Т, где Т период повторения входного переменного напряжения, путем деления по амплитуде основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты, причем в промежутки времени, отличные от интервалов селекции, первое импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты формируют равным вольтодобавочному импульсному знакопеременному напряжению повышенной частоты, а второе импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты формируют путем вычитания из основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты вольтодобавочного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты; формирование суммарного напряжения путем суммирования первого и второго импульсных знакопеременных напряжений повышенной частоты.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, выражается в уменьшении массы и габаритных размеров устройства для осуществления способа из-за отсутствия ограничения на выбор значения частоты преобразования, а также из-за отсутствия низкочастотной составляющей в выпрямленном напряжении, поступающем на выходной сглаживающий фильтр.

Существо изобретения поясняется фиг. 1 4. На фиг. 1, 2 представлена совокупность операций, составляющих существо предлагаемого способа. На фиг. 3 схема устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг. 4 временные диаграммы, поясняющие работу устройства, реализующего предлагаемый способ.

На фиг. 1 обозначены: Известные операции: 1 и 3 выпрямление входного переменного напряжения; 2 получение вольтодобавочного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты с огибающей выпрямленного напряжения; 4 фильтрация переменного напряжения низкой частоты; 5 преобразователь постоянного напряжения, равного амплитудному значению выпрямленного напряжения в импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты с постоянной амплитудой импульсов, равной амплитудному значению выпрямленного напряжения; 9 и 10 соответственно выпрямление и фильтрация напряжения, полученного в результате выполнения операции 8.

Вновь введенные операции: 6 формирование первого импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты; 7 формирование второго импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты; 8 суммирование первого и второго импульсных знакопеременных напряжений повышенной частоты.

Согласно фиг. 2 входное переменное напряжение выпрямляют в выпрямителе 1, выпрямленное напряжение U₁ преобразуют в преобразователе 2 повышенной частоты в вольтодобавочное импульсное знакопеременное напряжение U₂. Кроме того, переменное напряжение выпрямляют в выпрямителе 3 и подают на сглаживающий фильтр 4. Полученное на выходе 4 постоянное напряжение преобразуют в преобразователе 5 повышенной частоты в импульсное знакопеременное напряжение U₅. В течение интервалов селекции 0 1, 2 - 3, 4 5 и т. д. напряжение U₅ делится по входам формирователей 6 и 7 в соотношении, определяемом длительностью интервалов селекции, а в остальные временные интервалы из напряжения U₅ вычитается напряжение, равное напряжению U₂, которое вырабатывается в формирователе 6. В результате на входы сумматора 8 поступает напряжение U₇, пропорциональное второму импульсному знакопеременному напряжению и напряжение U₆, пропорциональное первому импульсному знакопеременному напряжению. После суммирования и выпрямления на выходы выпрямителя 9 формируется импульсное напряжение U₉ с постоянной амплитудой импульсов, которое сглаживается фильтром 10 и поступает в нагрузку 11.

Согласно фиг. 3 устройство, реализующее способ, содержит: выпрямитель 1, преобразователь 2 повышенной частоты, который своим силовым входом соединен с выходом выпрямителя 1, выпрямитель 3, сглаживающий фильтр 4, который своим входом соединен с выходом выпрямителя 3, а выходом с силовым входом преобразователя 5 повышенной частоты, инвертор которого выполнен по мостовой схеме, выпрямитель 6, который своим входом подключен к согласно-последовательно соединенным первой вторичной обмотке трансформатора преобразователя 2 и вторичной обмотке трансформатора преобразователя 5, а выходом к сглаживающему фильтру 7, соединенному с нагрузкой 8, блок управления 9 преобразователя 2 и 5, причем вторая вторичная обмотка трансформатора преобразователя 2 подключена к выходу инвертора преобразователя 5 путем согласно-последовательного соединения с первичной обмоткой трансформатора преобразователя 5.

Устройство, реализующее предлагаемый способ, работает следующим образом.

При подключении устройства к сети переменного тока, на выходе сглаживающего фильтра 4 устанавливается постоянное напряжение, величина которого равна амплитуде выпрямленного выпрямителем 3 напряжения. При поступлении сигналов управления с выхода блока управления 9 на управляющие входы ключевых элементов преобразователя 5 на выходе инвертора преобразователя 5 на выходе инвертора преобразователя 5 формируется импульсное знакопеременное напряжение U_n с постоянной амплитудой импульсов, равной амплитуде выпрямленного напряжения. В течение интервалов селекции 0 1, 2 3, и т. д. напряжение U_n делится между обмотками трансформаторов преобразователей 2 и 5 в соотношении, определяемом заранее выбранной длительностью интервала селекции, которая выбирается в пределах (0,05 0,15)Т, где Т период повторения входного переменного напряжения. Ключевые элементы преобразователя 2 в течение интервалов селекции разомкнуты, так как на их управляющие входы в это время не поступает сигналов управления, поэтому в течение этих временных интервалов роль первичной обмотки трансформатора блока 2 выполняет обмотка, соединенная с входом инвертора блока 5. Параметры трансформаторов блоков 2 и 5 выбраны таким образом, что в течение интервалов селекции в обмотке трансформатора блока 2, соединенной последовательно с первичной обмоткой трансформатора блока 5, наводится э. д. с. самоиндукции U_2.2, равная по абсолютной величине от 0,15 U_м (при выборе длительности интервала селекции равном 0,057 Т) до 0,45 U_м (при длительности интервала селекции 0,15 Т), где U_м амплитуда выпрямленного входного переменного напряжения. Поэтому в таком режиме во вторичной обмотке трансформатора блока 2, соединенной с выпрямителем 6, будет формироваться напряжение U_2.1, пропорциональное напряжение U_2.2. Во вторичной обмотке трансформатора блока 5 вырабатывается при этом напряжение U₅,пропорциональное разности напряжений U_н и U_2.2. Соединенные последовательно обмотки трансформаторов блоков 2 и 5 включены таким образом, что происходит сложение напряжений U_2.1 и U₅, далее суммарное напряжение выпрямляется выпрямителем 6 и поступает на вход сглаживающего фильтра 7. Выходное напряжение фильтра U₇ поступает в нагрузку 8. В интервалы времени, отличные от интервалов селекции, вступает в работу инвертор блока 2. Поскольку выпрямленное напряжение на выходе выпрямителя 1 в течение этих временных интервалов превышает напряжение U_2.2 формировавшееся в течение интервалов селекции, а коэффициент трансформации трансформатора блока 2 между обмотками, соединенными с выходом инвертора этого блока, и обмоткой, соединенной с выходом инвертора блока 5, как правило выбирается равными 1, через ключевые элементы блока 2 будет протекать ток. При этом в обмотках трансформатора, соединенных с ключевыми элементами инвертора, наводится э. д. с. самоиндукции, определяемая значением выпрямленного напряжения на выходе выпрямителя 1. Роль первичной обмотки трансформатора блока 2 будут попеременно выполнять обмотки, соединенные с ключевыми элементами блока. В результате такого управления во вторичной обмотке трансформатора блока 2, соединенной с первичной обмоткой трансформатора блока 5, будет формироваться напряжение U_2.2, равное выходному напряжению инвертора блока 2, которое является вольтодобавкой к напряжению U_н. На вход выпрямителя 6 будет поступать сумма напряжений U_2.1, пропорционального выходному напряжению инвертора блока 2, и U₂, пропорционального разности напряжений U_н и U_2.2. При этом на выходе выпрямителя 6 формируется напряжение U₆, у которого отсутствует низкочастотная модуляция на частотах, кратных частоте входного переменного напряжения. Изменяя соответствующим образом коэффициенты трансформации трансформаторов преобразователей, можно получать на выходе устройства различные номиналы постоянного напряжения, а изменяя скважность управляющих импульсов, осуществлять регулирование и стабилизацию выходного напряжения.

Формула изобретения

1. Способ преобразования переменного напряжения в постоянное, заключающийся в том, что входное переменное напряжение выпрямляют, фильтруют и формируют из него основное импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты с постоянной амплитудой импульсов, преобразуют входное переменное напряжение в вольтодобавочное импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты с огибающей выпрямленного напряжения, формируют выходное постоянное напряжение путем выпрямления и последующей фильтрации суммарного напряжения, отличающийся тем, что основное импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты формируют с амплитудой равной амплитудному значению выпрямленного напряжения, суммарное напряжение получают путем суммирования первого и второго импульсных знакопеременных напряжений повышенной частоты, которые формируют с постоянной амплитудой импульсов из основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты в течение интервалов селекции, середины которых совпадают с нулевыми значениями входного переменного напряжения, а длительности указанных интервалов селекции выбирают в диапазоне (0,05.0,15)Т, где Т период повторения входного переменного напряжения, путем деления по амплитуде основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты, причем в промежутки времени, отличные от интервалов селекции, первое импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты формируют равным вольтодобавочному импульсному знакопеременному напряжению повышенной частоты, а второе импульсное знакопеременное напряжение повышенной частоты формируют путем вычитания из основного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты вольтодобавочного импульсного знакопеременного напряжения повышенной частоты.

2. Устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное, содержащее первый выпрямитель, соединенный своим входом с выходами для подключения источника входного переменного напряжения, первый преобразователь повышенной частоты, выполненный на инверторе, вход которого соединен с выходом первого выпрямителя, и первом силовом трансформаторе, первичная обмотка которого подключена к выходу инвертора, высокочастотный выпрямитель, один из входных выводов которого соединен с первым выводом первой вторичной обмотки первого силового трансформатора, высокочастотный сглаживающий фильтр, входом соединенный с выходом высокочастотного выпрямителя, а выходом с выводами для подключения нагрузки, последовательно соединенные второй выпрямитель, сглаживающий фильтр и второй преобразователь повышенной частоты, причем вход второго выпрямителя соединен с выводами для подключения источника входного переменного напряжения, а второй преобразователь повышенной частоты выполнен на мостовом инверторе и втором силовом трансформаторе и блок управления, отличающееся тем, что первый силовой трансформатор снабжен второй вторичной обмоткой, а его первичная обмотка выполнена с выводами средней точки, к выходу мостового инвертора подключены соединенные согласно-последовательно первичная обмотка второго силового трансформатора и вторая вторичная обмотка первого силового трансформатора, вторичная обмотка второго силового трансформатора и первая вторичная обмотка первого силового трансформатора соединены согласно-последовательно и свободный вывод вторичной обмотки второго силового трансформатора подключен к другому входному выводу высокочастотного выпрямителя, при этом коэффициенты трансформации первого и второго силовых трансформаторов выбраны из условия обеспечения постоянства по амплитуде напряжения на входе высокочастотного выпрямителя, при этом блок управления выбран обеспечивающим равным нулю напряжения на управляющем входе инвертора в течение интервалов селекции, середины которых совпадают с нулевыми значениями входного переменного напряжения, а их длительности выбраны в диапазоне (0,05 - 0,15)Т, где Т период повторения входного переменного напряжения, и отличным от нуля в остальные моменты времени.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4