Преобразователь переменного напряжения в постоянное

 

Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит входные выводы для подключения источника переменного напряжения, n-1 силовых ячеек, где n>1, резистор и конденсатор нагрузки, задатчик выходного напряжения, формирователи импульсов, сигнальные трансформаторы с 2 n раздельными вторичными обмотками каждый, два диода. Каждая из n силовых ячеек содержит два диода, четыре тиристора и два конденсатора. Изобретение позволяет значительно снизить габариты и вес преобразователя при высоком КПД и низком уровне пульсаций выходного напряжения, а также передать в нагрузку большую мощность при использовании силовых элементов малой мощности. 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве импульсных источников питания.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, который содержит входные выводы для подключения источника переменного напряжения, тиристор, три диода, два конденсатора и резистор нагрузки [1].

Однако известный преобразователь имеет низкий КПД.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, который содержит первый и второй входные выводы для подключения источника переменного напряжения, силовую ячейку, включающую первый и второй диоды и первый и второй тиристоры, катоды которых объединены и соединены с первыми выводами резистора и конденсатора нагрузки, и задатчик выходного напряжения [2].

Преобразователь переменного напряжения в постоянное по патенту РФ N 2035828 по общности решаемых задач и принципиальной схеме наиболее близок к предлагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного преобразователя является низкий КПД и высокие габаритно-весовые характеристики.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД, снижение габаритно-весовых характеристик и снижение уровня пульсаций выходного напряжения.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий входные выводы для подключения источника переменного напряжения, силовую ячейку, включающую первый и второй диоды и первый и второй тиристоры, катоды которых объединены и соединены с первыми выводами резистора и конденсатора нагрузки, и задатчик выходного напряжения, введены n-1 силовые ячейки, где n > 1, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй сигнальные трансформаторы с 2n раздельными вторичными обмотками каждый, третий и четвертый диоды, а в каждую из n силовых ячеек введены третий и четвертый тиристоры, первый и второй конденсаторы, причем в каждой силовой ячейке катоды первого и второго диодов соединены соответственно с анодами первого и второго тиристоров и с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с катодами третьего и четвертого тиристоров, аноды которых объединены и подключены к шине нулевого потенциала, выводы первой и второй вторичных обмоток второго сигнального трансформатора подключены между катодом и управляющим электродом соответственно первого и третьего тиристоров, выводы первой и второй вторичных обмоток первого сигнального трансформатора подключены между катодом и управляющим электродом соответственно второго и четвертого тиристоров, первый входной вывод для подключения источника переменного напряжения соединен с первым входом первого формирователя импульсов, с вторым входом второго формирователя импульсов и с входом задатчика выходного напряжения, выход которого соединен с катодом четвертого диода, второй входной вывод для подключения источника переменного напряжения соединен с вторым входом первого формирователя импульсов, с первым входом второго формирователя импульсов и с катодом третьего диода, выход задатчика выходного напряжения соединен с анодом первого диода первой силовой ячейки, второй вывод первого конденсатора которой соединен с анодом первого диода второй силовой ячейки, второй вывод первого конденсатора n-1 силовой ячейки соединен с анодом первого диода n-ой силовой ячейки, второй вывод первого конденсатора которой соединен с анодом третьего диода, второй входной вывод для подключения источника переменного напряжения соединен с анодом второго диода первой силовой ячейки, второй вывод второго конденсатора которой соединен с анодом второго диода второй силовой ячейки, второй вывод второго конденсатора n-1 силовой ячейки соединен с анодом второго диода n-ой силовой ячейки, второй вывод второго конденсатора которой соединен с анодом четвертого диода, выходы первого и второго формирователей импульсов подключены к первичным обмоткам соответственно первого и второго сигнальных трансформаторов, вторые выводы резистора и конденсатора нагрузки подключены к шине нулевого потенциала.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема преобразователя переменного напряжения в постоянное; на фиг.2 - принципиальная схема задатчика 10 выходного напряжения; на фиг.3 - принципиальная схема формирователей 11 и 12 импульсов.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное (фиг.1) содержит первый и второй входные выводы 1, 2 для подключения источника переменного напряжения, n силовых ячеек 3, резистор 8 и конденсатор 9 нагрузки, задатчик 10 выходного напряжения, первый и второй формирователи 11, 12 импульсов, первый и второй сигнальные трансформаторы 13, 14 с 2n раздельными вторичными обмотками каждый, третий и четвертый диоды 15, 16.

Каждая из n силовых ячеек 3 содержит первый и второй диоды 4, 5, первый, второй, третий и четвертый тиристоры 6, 7, 17, 18, первый и второй конденсаторы 19, 20.

В каждой силовой ячейке 3 преобразователя переменного напряжения в постоянное (фиг.1) катоды первого и второго диодов 4 и 5 соединены соответственно с анодами первого и второго тиристоров 6 и 7 и с первыми выводами первого и второго конденсаторов 19 и 20, вторые выводы которых соединены соответственно с катодами третьего и четвертого тиристоров 17 и 18, аноды которых объединены и подключены к шине нулевого потенциала. Выводы первой и второй вторичных обмоток второго сигнального трансформатора 14 подключены между катодом и управляющим электродом соответственно первого и третьего тиристоров 6 и 17. Выводы первой и второй вторичных обмоток первого сигнального трансформатора 13 подключены между катодом и управляющим электродом соответственно второго и четвертого 7 и 18 тиристоров. Катоды первого и второго тиристоров 6 и 7 объединены и соединены с первыми выводами резистора 8 и конденсатора 9 нагрузки.

Первый входной вывод 1 для подключения источника переменного напряжения соединен с первым входом первого формирователя 11 импульсов, с вторым входом второго формирователя 12 импульсов и с входом задатчика 10 выходного напряжения, выход которого соединен с катодом четвертого диода. Второй входной вывод 2 для подключения источника переменного напряжения соединен с вторым входом первого формирователя 11 импульсов, с первым входом второго формирователя 12 импульсов и с катодом третьего диода 15.

Выход задатчика 10 выходного напряжения соединен с анодом первого диода 4 первой силовой ячейки 3, второй вывод первого конденсатора 19 которой соединен с анодом первого диода 4 второй силовой ячейки 3. Второй вывод первого конденсатора 19 n-1 силовой ячейки 3 соединен с анодом первого диода 4 n-ой силовой ячейки 3, второй вывод первого конденсатора 19 которой соединен с анодом третьего диода 15.

Второй входной вывод 2 для подключения источника переменного напряжения соединен с анодом второго диода 5 первой силовой ячейки 3, второй вывод второго конденсатора 20 которой соединен с анодом второго диода 5 второй силовой ячейки 3. Второй вывод второго конденсатора 20 n-1 силовой ячейки 3 соединен с анодом второго диода 5 n-ой силовой ячейки 3, второй вывод второго конденсатора 20 которой соединен с анодом четвертого диода 16.

Выходы первого и второго формирователей 11 и 12 импульсов подключены к первичным обмоткам соответственно первого и второго сигнальных трансформаторов 13 и 14, а вторые выводы резистора 8 и конденсатора 9 нагрузки подключены к шине нулевого потенциала.

Задатчик 10 выходного напряжения (фиг.2) содержит симистор 21, переключатель 22 и m конденсаторов 23.

Вход симистора 21 подключен к входному выводу 1 для подключения источника переменного напряжения, а выход симистора 21 является выходом задатчика 10 выходного напряжения. Управляющий электрод симистора 21 подключен к выходу переключателя 22 на m положений, каждый из входов которого соединен с первыми выводами конденсаторов 23, вторые выводы которых подключены к шине нулевого потенциала.

Каждый из формирователей 11, 12 импульсов (фиг.3) содержит диоды 24 и 31, конденсаторы 25, 30, резисторы 26, 29, 32, динистор 27 и транзисторный ключ 28.

Первый вход формирователя импульсов подключен к аноду диода 24, катод которого через резистор 26 соединен с анодом динистора 27 и первым выводом конденсатора 25, а через резистор 29 - с катодом диода 31, первым выводом конденсатора 30 и является первым выходом формирователя импульсов. Катод динистора 27 соединен с первым выводом резистора 22 и базой транзисторного ключа 28, коллектор которого соединен с анодом диода 31 и является вторым выходом формирователя импульсов. Вторые выводы конденсаторов 25 и 30, резистора 32 и эмиттер транзисторного ключа 28 объединены и являются вторым входом формирователя импульсов.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное работает следующим образом.

Переменное напряжение поступает на силовые ячейки 3 через задатчик 10 выходного напряжения. Каждая силовая ячейка 3 состоит из двух групп элементов, работа которых определяется полярностью полуволны входного переменного напряжения. Положительная полуволна напряжения с выхода задатчика 10 выходного напряжения через последовательно включенные первые диоды 4 силовых ячеек 3 и третий диод 15 заряжает цепочку накопительных первых конденсаторов 19. В начале очередной отрицательной полуволны второй формирователь 12 импульсов вырабатывает запускающий импульс, который подается через второй сигнальный трансформатор 14 на управляющие электроды первого и третьего тиристоров 6 и 17 силовых ячеек 3. Тиристоры 6 и 17 открываются и подключают выводы первых накопительных конденсаторов 19 к резистору 8 и конденсатору 9 нагрузки, отдавая накопленную энергию.

Отрицательная полуволна напряжения с выхода задатчика 10 выходного напряжения через последовательно включенные вторые диоды 5 силовых ячеек 3 и четвертый диод 16 заряжает цепочку накопительных вторых конденсаторов 20. В начале очередной положительной полуволны первый формирователь 11 импульсов вырабатывает запускающий импульс, который подается через первый сигнальный трансформатор 13 на управляющие электроды второго и четвертого тиристоров 7 и 18 силовых ячеек 3. Тиристоры 7 и 18 открываются и подключают выводы вторых накопительных конденсаторов 20 к резистору 8 и конденсатору 9 нагрузки, отдавая накопленную энергию.

Задатчик 10 выходного напряжения (фиг.2) позволяет уменьшать выходное напряжение преобразователя по воле оператора. Номинальное выходное напряжение на нагрузке зависит от величины нагрузки и числа n силовых ячеек 3 и примерно равно Uвх/n. Изменение уровня выходного напряжения в небольших пределах осуществляется подключением к управляющему электроду симистора 21 через переключатель 22 одного из конденсаторов 23 различной емкости.

Формирователи 11 и 12 импульсов идентичны (фиг.3) и работают следующим образом. При подаче на диод 24 положительной полуволны входного напряжения начинается заряд конденсатора 25 через резистор 26. Когда напряжение на конденсаторе 25 достигает величины порогового напряжения динистора 27, последний откроется и конденсатор 25 разряжаясь откроет транзисторный ключ 28, в коллектор которого подключена первичная обмотка импульсного сигнального трансформатора 13 (14). Резистор 29 и конденсатор 30 образуют фильтр по цепи питания транзисторного ключа 28. Диод 31 и резистор 32 обеспечивают надежную работу транзисторного ключа 28 в режиме запуска.

Предлагаемая схема преобразователя позволяет обеспечить пониженное, по сравнению с входным, выходное напряжение не за счет уменьшения времени нахождения тиристоров в открытом состоянии, а благодаря применению цепочки накопительных конденсаторов, которые в фазе заряда от источника входного напряжения включены последовательно, а в фазе разряда - параллельно на общую нагрузку, что позволяет повысить КПД преобразователя и снизить его габариты, вес и уровень пульсации выходного напряжения при мощности, отдаваемой в нагрузку, на уровне десятков киловатт.

Промышленная применимость изобретения обеспечивается высокими техническими характеристиками преобразователя переменного напряжения в постоянное за счет повышения КПД и снижения его габаритов, веса и уровня пульсаций выходного напряжения, а также за счет обеспечения возможности передать в нагрузку большую мощность при использовании силовых элементов малой мощности.

Формула изобретения

Преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий первый и второй входные выводы для подключения источника переменного напряжения, силовую ячейку, включающую первый и второй диоды и первый и второй тиристоры, катоды которых объединены и соединены с первыми выводами резистора и конденсатора нагрузки, и задатчик выходного напряжения, отличающийся тем, что в него введены n - 1 силовые ячейки, где n > 1, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй сигнальные трансформаторы с 2n раздельными вторичными обмотками каждый, третий и четвертый диоды, а в каждую из n силовых ячеек введены третий и четвертый тиристоры, первый и второй конденсаторы, причем в каждой силовой ячейке катоды первого и второго диодов соединены соответственно с анодами первого и второго тиристоров и первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с катодами третьего и четвертого тиристоров, аноды которых объединены и подключены к шине нулевого потенциала, выводы первой и второй вторичных обмоток второго сигнального трансформатора подключены между катодом и управляющим электродом соответственно первого и третьего тиристоров, выводы первой и второй вторичных обмоток первого сигнального трансформатора подключены между катодом и управляющим электродом соответственно второго и четвертого тиристоров, первый входной вывод для подключения источника переменного напряжения соединен с первым входом первого формирователя импульсов, с вторым входом второго формирователя импульсов и с входом задатчика выходного напряжения, выход которого соединен с катодом четвертого диода, второй входной вывод для подключения источника переменного напряжения соединен с вторым входом первого формирователя импульсов, первым входом второго формирователя импульсов и катодом третьего диода, выход задатчика выходного напряжения соединен с анодом первого диода первой силовой ячейки, второй вывод первого конденсатора которой соединен с анодом первого диода второй силовой ячейки, второй вывод первого конденсатора n - 1 силовой ячейки соединен с анодом первого диода n-й силовой ячейки, второй вывод первого конденсатора которой соединен с анодом третьего диода, второй входной вывод для подключения источника переменного напряжения соединен с анодом второго диода первой силовой ячейки, второй вывод второго конденсатора которой соединен с анодом второго диода второй силовой ячейки, второй вывод второго конденсатора n - 1 силовой ячейки соединен с анодом второго диода n-й силовой ячейки, второй вывод второго конденсатора которой соединен с анодом четвертого диода, выходы первого и второго формирователей импульсов подключены к первичным обмоткам соответственно первого и второго сигнальных трансформаторов, вторые выводы резистора и конденсатора нагрузки подключены к шине нулевого потенциала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3