Преобразователь напряжения

 

Изобретение относится к области устройств для преобразования напряжения. Оно позволяет, что является техническим результатом, уменьшить массу и габариты устройства, повысить его энергопропускную способность, понизить уровень пульсаций выходного напряжения, облегчить возбуждение и стабилизацию сварочной дуги при соответствующих его применениях. Для этого оно содержит емкостный энергонакопитель и в его составе цепочку из К конденсаторов и К-1 диодов, ключевые регуляторы уровня заряда, 1≅М≅К разветвляющих и 1≅N≅К объединяющих коммутаторов, а в вариантах также переключатель, входной и выходной индуктивные узлы, диод, дополнительные энергонакопители, фильтр низких частот, выпрямитель, формирователь импульсов высокого напряжения. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

Устройство относится к области преобразования напряжения и в первую очередь к области электросиловых устройств, в том числе в составе энергетических установок, сетевых источников электропитания, сварочных трансформаторов напряжения, пуско-зарядных устройств и тому подобных средств.

Известны [1] преобразователи напряжения, содержащие силовой индуктивный трансформатор, выводы первичной и вторичной обмоток которого являются соответственно входами и выходами преобразователя. Недостатком таких преобразователей являются большие масса и габариты.

Известны [2] преобразователи напряжения, содержащие силовой индуктивный трансформатор с насыщающимся магнитопроводом и дроссель, включенный последовательно с первичной обмоткой силового трансформатора. Недостатком таких преобразователей является низкий коэффициент полезного действия, в том числе большое энергопотребление на холостом ходу.

Известны [3] преобразователи напряжения, содержащие последовательно включенные выпрямитель с емкостным фильтром и высокочастотный индуктивный трансформатор с ключом в первичной обмотке. Их недостатком является большой выходной импеданс.

Известны также [4] преобразователи напряжения, содержащие взаимосвязанные цепь заряда, цепь из K накопительных конденсаторов с цепями инвертирования полярности заряда половины конденсаторов и цепь разряда конденсаторов на нагрузку. Главным недостатком таких преобразователей является низкий коэффициент полезного действия (в том числе большое энергопотребление на холостом ходу) средств, в составе которых эти преобразователи используются. Это объясняется необходимостью хотя бы частичного (выравнивающего) разряда конденсаторов к началу фазы их заряда, что обусловлено использованием цепей инвертирования полярности заряда части конденсаторов.

От этого недостатка свободны преобразователи напряжения [5], содержащие взаимосвязанные входные переключатели, емкостной энергонакопитель и выходные переключатели, причем энергонакопитель содержит цепочку из K последовательно соединенных конденсаторов и по одному между ними последовательно - согласно включенных K-1 диодов, а также совокупность из 2K диодов, соединяющих цепочку конденсаторов с выходными переключателями. Однако и эти преобразователи вместе с их вариантами имеют недостатки: - высокая сложность, сводящаяся к недостаточно малым массе и габаритам; - невозможность регулирования уровня заряда конденсаторов, что затрудняет их практическое использование, в том числе, получение преобразователя со стабилизированным выходным напряжением; - невозможность получения выходного напряжения, превышающего входное; - большая скважность питания нагрузки и соответственно недостаточно высокая энергопропускная способность; - высокий уровень выходных пульсаций, по длительности соизмеримых с периодом заряда-разряда конденсаторов; - затруднительность возбуждения и стабилизации сварочной дуги при использовании преобразователя напряжения в качестве сварочного.

Указанные недостатки обусловлены использованием в энергонакопителе не являющихся принципиально необходимыми 2K диодов; отсутствием переноса энергии к нагрузке во время фазы заряда конденсаторов; отсутствием средств заряда конденсаторов до заданного уровня, в том числе превышающего входное напряжение; отсутствием средств низкочастотной фильтрации выходного напряжения и возбуждения- стабилизации сварочной дуги.

Заявляемое изобретение направлено на исключение из преобразователя не являющихся необходимыми вышеуказанных 2K диодов и на рационализацию построения преобразователя напряжения, на включение в его состав средств, повышающих его потребительские свойства.

Решение этой задачи обеспечивает: - понижение сложности преобразователя и соответственно уменьшение его массы и габаритов; - регулирование уровня заряда конденсаторов, в том числе до напряжений, превышающих входное; - повышение энергопропускной способности за счет уменьшения скважности питания нагрузки;
- понижение уровня выходных пульсаций, в том числе при стабилизации выходного напряжения и облегчение получения стабилизированного выходного напряжения, в том числе изменяемого в более широком диапазоне значений;
- облегчение возбуждения и стабилизации сварочной дуги.

Для этого в преобразователе напряжения, содержащем емкостной энергонакопитель, два силовых входа и первый и второй выходы которого являются соответственно групповым силовым входом и первым и вторым выходами преобразователя, и который включает в себя цепочку из K конденсаторов и по одному между ними последовательно-согласно включенных A-1 диодов, емкостной энергонакопитель дополнительно содержит ключевой регулятор уровня заряда, через который крайний вывод одного крайнего конденсатора цепочки из K конденсаторов и K- 1 диодов соединен с одним силовым входом энергонакопителя, другой силовой вход которого соединен с крайним выводом другого крайнего конденсатора цепочки из K конденсаторов и K-1 диодов, 1≅M≅K объединяющих коммутаторов, силовые входы которых соединены один с одним, с одноименными выводами K конденсаторов, а выходы соединены между собой и являются первым выходом энергонакопителя, 1≅N≅K разветвляющих коммутаторов, выходы которых соединены, один с одним, с другими одноименными выводами K конденсаторов, а силовые входы соединены между собой и являются вторым выходом энергонакопителя, причем управляющие входы объединяющих и разветвляющих коммутаторов соединены между собой и вместе с управляющим входом ключевого регулятора уровня заряда являются групповым управляющим входом энергонакопителя и преобразователя. Это позволяет на интервале заряда заряжать последовательно включенные конденсаторы (обычно одинаковой емкости) от источника входного напряжения до уровня из диапазона от нуля до значения входного напряжения (соответственно, например, длительности открывающего сигнала на управляющем входе ключевого регулятора уровня заряда), а на интервале разряда посредством объединяющих и разветвляющих коммутаторов соединять конденсаторы параллельно- согласно и подключать их к нагрузке преобразователя, питая ее напряжением, в K раз меньшим напряжения, до которого цепочка из K конденсаторов была заряжена на интервале заряда, и со скважностью, определяемой долей длительности интервала разряда в цикле чередования зарядов и разрядов конденсаторов. Объединяющие и разветвляющие коммутаторы на интервале заряда не препятствуют заряду конденсаторов и распределению напряжения на них.

Практически также важна следующая особенность преобразователя: если по какой-либо причине какой-либо конденсатор зарядился до большего напряжения, чем другие конденсаторы, то при их разряде на общую нагрузку в первую очередь разряжается этот конденсатор. Таким образом, к каждому следующему интервалу заряда происходит самовыравнивание напряжения на конденсаторах, нарастание различий в напряжениях на конденсаторах исключается. Уровень потерь энергии в преобразователе, его масса и габариты при заданной мощности, отдаваемой в нагрузку, могут быть минимизированы совместным выбором длительности интервалов заряда и разряда, конденсаторов и коммутирующих компонентов с их уровнями потерь, динамическими и статическими характеристиками. В преобразователе напряжения емкостной энергонакопитель может дополнительно содержать переключатель, выходы которого соединены один с одним, с выводами части из K конденсаторов, а вход является составной частью группового управляющего входа емкостного энергонакопителя. Это позволяет соответственно состоянию переключателя менять число последовательно включенных заряжающихся конденсаторов (остальные зашунтированы переключателем) и, следовательно, выходное напряжение в широком диапазоне значений. В преобразователе напряжения емкостной энергонакопитель дополнительно может содержать входной индуктивный узел, включенный последовательно с силовым входом энергонакопителя, ключевым регулятором уровня заряда, K конденсаторами, K-1 диодами, другим силовым входом энергонакопителя. Это позволяет реализовать резонансный заряд последовательно включенных конденсаторов и при надлежащем выборе величины индуктивности в каждом индуктивном узле и диапазона продолжительностей открытого состояния ключевого регулятора уровня заряда расширить диапазон уровней заряда конденсаторов и, следовательно, диапазон значений энергии, переносимой в нагрузку за один цикл работы преобразователя. В преобразователе напряжения управляющий вход входного напряжения, управляющий вход входного индуктивного узла из состава емкостного энергонакопителя может являться составной частью группового управляющего входа энергонакопителя. Это позволяет соответственно коду на управляющем входе входного индуктивного узла менять значение индуктивности, обеспечивающей резонансный заряд последовательно включенных конденсаторов, согласованно с емкостью (числом) заряжающихся конденсаторов.В преобразователе напряжения в емкостном энергонакопителе другой силовой вход может быть соединен с крайним выводом другого крайнего конденсатора через дополнительно введенный второй ключевой регулятор уровня заряда, управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого ключевого регулятора уровня заряда. Это позволяет исключать прямое прохождение напряжения с силового входа на выход преобразователя при неблагоприятном сочетании заземлений его входов и выходов и в то же время сохранять возможность изменения длительности цикла преобразования соответственно изменению длительности интервала заряда при изменении уровня заряда конденсаторов. В преобразователе напряжения в емкостном энергонакопителе другой силовой вход может быть соединен с крайним выводом другого крайнего конденсатора через дополнительно введенный диод, включенный согласно с K-1 диодами. Это позволяет, как и в пятом варианте преобразователя, но более простыми средствами, исключать прямое прохождение напряжения со входа на выход преобразователя при неблагоприятном сочетании заземлений его входов и выходов в тех случаях, когда преобразователь питается от сети знакопеременного (например, гармонического с частотой 50 Гц, 60 Гц, 400 Гц) напряжения, а длительности интервалов заряда и разряда назначаются не превышающими длительности соответственно положительных и отрицательных участков входного напряжения.

Преобразователь напряжения дополнительно может содержать по меньшей мере один емкостной энергонакопитель, два выхода и два силовых входа каждого из которых соединены каждый с одним из двух соответственно выходов и силовых входов первого емкостного энергонакопителя, а групповые управляющие входы являются составной частью группового управляющего входа преобразователя напряжения.

Это позволяет:
- при знакопостоянном напряжении на силовом входе преобразователя (когда силовые входы энергонакопителей включены параллельно-согласно) либо перемежать во времени интервалы разряда конденсаторов разных накопителей и тем самым соответственно уменьшать скважность питания нагрузки, то есть увеличивать энергопропускную способность преобразователя (при параллельно- согласном включении выходов энергонакопителей), либо формировать на выходе преобразователя знакопеременное напряжение, в том числе, возможно, и с повышенной энергопропускной способностью (при параллельно-встречном включении выходов двух групп энергонакопителей и параллельно-согласном включении выходов энергонакопителей внутри каждой группы);
- при знакопеременном напряжении на силовом входе преобразователя (когда силовые входы энергонакопителей двух групп включены параллельно-встречно, а внутри каждой группы - параллельно-согласно; при включении всех энергонакопителей в одну группу напряжение одного из знаков исключалось бы из преобразования) либо вышеописанным образом увеличивать переносимую в нагрузку энергию знакопостоянного напряжения (при параллельно-согласном включении выходов энергонакопителей), либо формировать на выходе преобразователя знакопеременное напряжение, в том числе, возможно, и с повышенной энергопропускной способностью (при параллельно-встречном включении выходов двух групп энергонакопителей и параллельно-согласном включении выходов энергонакопителей внутри каждой группы), при этом достижимая форма знакопеременного выходного напряжения зависит и от числа энергонакопителей в группах. В преобразователе напряжения его выходы могут быть соединены с выходами емкостных энергонакопителей через дополнительно введенный выходной индуктивный узел. Это позволяет на основе накопительных свойств индуктивности и создания пути для ее разряда (между интервалами разрядов конденсаторов) уменьшать скважность питания нагрузки и в отсутствие дополнительных энергонакопителей или, иными словами, облегчать фильтрацию, сглаживание выходного напряжения. В преобразователе напряжения управляющий вход выходного индуктивного узла может являться составной частью группового управляющего входа преобразователя напряжения. Это позволяет управлять направленностью пути разряда заряженной индуктивности в условиях знакопеременного выходного напряжения и значением участвующей в работе индуктивности выходного индуктивного узла. В преобразователе напряжения его первый и второй выходы могут быть соединены с дополнительно введенными третьим и четвертым выходами через дополнительно введенный фильтр низких частот. Это позволяет понижать уровень пульсаций выходного напряжения, в том числе при его стабилизации посредством регулирования уровня заряда конденсаторов, числа заряжаемых конденсаторов, частоты преобразования. В преобразователе напряжения групповой силовой вход может быть соединен с силовыми входами емкостного энергонакопителя через дополнительно введенный выпрямитель. Это позволяет при знакопеременном низкочастотном напряжении (например, 50 Гц, 60 Гц, 400 Гц) на групповом силовом входе преобразователя получать эффективность переноса энергии в нагрузку и уровень пульсаций выходного напряжения, приближенные к этим же характеристикам при питании входа преобразователя постоянным напряжением.

Преобразователь напряжения дополнительно может содержать формирователь импульсов высокого напряжения, групповой вход, первый и второй выходы которого соединены соответственно с групповым силовым входом, первым и вторым или третьим и четвертым выходами преобразователя, а третий выход является пятым выходом преобразователя. Это позволяет в случае применения преобразователя в качестве сварочного трансформатора подключать нагрузку между пятым и, например, вторым выходами преобразователя (последовательно с выходной цепью формирователя импульсов высокого напряжения) и тем самым обеспечивать более надежные возбуждение и стабилизацию сварочной дуги (по сравнению со случаем включения нагрузки, например, между первым и вторым выходами преобразователя).

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого преобразователя напряжения по п. 1, п. 2, п. 3, п. 4, п. 5 формулы изобретения.

На фиг. 2 представлен частный случай блок-схемы предлагаемого преобразователя напряжения по п. 7, п. 8, п. 6 формулы изобретения.

На фиг. 3 представлен частный случай блок-схемы предлагаемого преобразователя напряжения по п. 6, п. 9 формулы изобретения.

На фиг. 4 представлен частный случай блок-схемы предлагаемого преобразователя напряжения по п. 11, п. 10 формулы изобретения.

На фиг. 5, фиг. 6, фиг. 7 представлены примеры схем соответственно разветвляющего коммутатора, объединяющего коммутатора и формирователя импульсов высокого напряжения.

На фиг. 8 представлен пример сигналов в преобразователе напряжения со знакопостоянными входным и выходным напряжениями. Здесь: A и B - напряжения на K последовательно соединенных конденсаторах в процессе их заряда и разряда соответственно в первом и втором энергонакопителях преобразователя; C-импульсы выходного напряжения преобразователя с одним энергонакопителем при отсутствии в составе преобразователя выходного индуктивного узла и фильтра низких частот; D - импульсы выходного напряжения преобразователя с двумя энергонакопителями и переносом в нагрузку удвоенной мощности при отсутствии в составе преобразователя выходного индуктивного узла и фильтра низких частот; ИЗ - интервал заряда; ИР - интервал разряда; пунктиром представлены сигналы на холостом ходу преобразователя.

Первый вариант преобразователя содержит емкостной энергонакопитель 1 и в его составе ключевой регулятор 2 уровня заряда, разветвляющие коммутаторы 3 - 4, конденсаторы 5 - 8; диоды 9 -11; объединяющие коммутаторы 12 - 13.

Второй вариант преобразователя содержит компоненты преобразователя по первому варианту, а также переключатель 14.

Третий и четвертый варианты преобразователя содержат компоненты преобразователя первого или второго вариантов и входной индуктивный узел 15.

Пятый вариант преобразователя содержит компоненты по любому из первого - четвертого вариантов преобразователя, а также ключевой регулятор 16 уровня заряда.

Шестой вариант преобразователя содержит компоненты преобразователя по любому из первого - четвертого вариантов, а также диод 17 (на фиг. 1 диод 17 представлен пунктиром).

Седьмой вариант преобразователя содержит емкостные энергонакопители 1, 18.

Восьмой и девятый варианты преобразователя содержат компоненты преобразователя по любому из первого-седьмого вариантов, а также выходной индуктивный узел 19.

Десятый вариант преобразователя содержит компоненты преобразователя по любому из первого - девятого вариантов, а также фильтр 20 низких частот.

Одиннадцатый вариант преобразователя содержит компоненты преобразователя по любому из первого-пятого, седьмого - десятого вариантов, а также выпрямитель 21.

Двенадцатый вариант преобразователя содержит компоненты преобразователя по любому из первого - одиннадцатого вариантов, а также формирователь 22 импульсов высокого напряжения.

Разветвляющий коммутатор 3, 4 содержит, например, запираемые тиристоры [6] 23,24.

Объединяющий коммутатор 12, 13 содержит, например, запираемые тиристоры 25,26.

Формирователь 22 импульсов высокого напряжения содержит, например, конденсаторы 27 - 31, диоды 32 - 35, резисторы 36 - 37, разрядник 38, импульсный трансформатор 39, высокочастотный дроссель 40.

Ключевые регуляторы 2, 16 уровня заряда, переключатель 14, как и разветвляющие 3, 4 и объединяющие 12, 13 коммутаторы, могут быть выполнены не только на запираемых тиристорах, но и на различных других компонентах (например, оптотиристорах, комбинации различных транзисторов и диодов и тому подобных).

Входной 15 и выходной 19 индуктивные узлы могут быть выполнены, например, на основе индуктивностей без магнитопроводов.

Выпрямитель 21 может быть выполнен, например, на основе диодного выпрямительного моста [7] с фильтрующим конденсатором на выходе.

Разрядник 38 может быть выполнен, например, в виде двух электродов из тугоплавкого металла (например, из хрома).

Импульсный трансформатор может быть выполнен, например, на тороидальном ферритовом сердечнике с двумя обмотками по 5-15 витков каждая.

Высокочастотный дроссель 40 может быть выполнен, например, в виде индуктивности без магнитопровода.

Входы преобразователя:
41 - групповой силовой вход,
42 - групповой управляющий вход.

Выходы преобразователя:
43 - первый выход,
44 - второй выход,
45 - третий выход,
46 - четвертый выход,
47 - пятый выход.

Входы и выходы составных частей преобразователя напряжения, являющиеся входами и выходами составных частей более высокого уровня, имеют номера входов и выходов составных частей более высокого уровня.

Остальные входы:
48 - управляющий вход разветвляющего коммутатора 3 - 4,
49 - первый силовой вход объединяющего коммутатора 12 - 13,
50 - второй силовой вход объединяющего коммутатора 12 - 13,
51 - управляющий вход объединяющего коммутатора 12 - 13,
Остальные выходы:
52 - первый выход разветвляющего коммутатора 3 - 4,
53 - второй выход разветвляющего коммутатора 3-4.

На фиг. 1 - фиг.7 тонкими линиями представлены одиночные связи для передачи одиночных сигналов, толстыми линиями - групповые связи для передачи групп сигналов и воздействий.

Из множества возможных на фиг. 1 - фиг. 4 для конкретности и упрощения последующего описания представлены модификации предлагаемого преобразователя напряжения с четырьмя конденсаторами в каждом энергонакопителе 1, 18 и с положительными напряжениями на силовых входах объединяющих коммутаторов 12, 13 (относительно выходов разветвляющих коммутаторов 3, 4 на интервале разряда), при числе энергонакопителей, не превышающем двух, и при числе объединяющих и разветвляющих коммутаторов, равном двум для каждого из них.

В исходном состоянии всех вариантов преобразователя на его силовом входе 41 напряжение отсутствует, конденсаторы 5 - 8, 27 - 31 разряжены, напряжения между выходами 43 и 44, 45 и 46, 47 и 44 равны нулю, управляющие сигналы на групповом управляющем входе 42 произвольны.

Работа преобразователя напряжения всех вариантов начинается с подачи на групповой управляющий вход 42 управляющих сигналов, соответствующих конфигурации (модификации) варианта преобразователя и задаваемому режиму его работы. Управляющие сигналы, действующие на входе 42, задают циклический характер работы преобразователя, при этом одна часть времени каждого цикла (интервал заряда) используется для заряда конденсаторов 5 - 8 в составе каждого энергонакопителя 1, 18 от входного напряжения до заданного уровня, другая часть (интервал разряда) - для разряда этих конденсаторов (частичного или полного) на нагрузку.

Первый вариант преобразователя напряжения работает следующим образом.

С поступлением напряжения на силовой вход 41 преобразователя начинается его циклическая работа. В емкостном энергонакопителе 1 на интервале заряда по цепи "первый силовой вход - ключевой регулятор 2 уровня заряда - премежающиеся конденсаторы 5 - 8 и диоды 9 - 11 - второй силовой вход" происходит заряд последовательно соединенных конденсаторов 5 - 8 до напряжения, определяемого (с учетом постоянной времени цепи заряда, а при стабилизации выходного напряжения и его отклонения от заданной нормы) длительностью открывающего сигнала, поступающего на управляющий вход регулятора 2 с управляющего входа 42 преобразователя. Этому заряду не препятствуют разветвляющие 3, 4 и объединяющие 12, 13 коммутаторы, что поясняется вышеприведенным описанием их построения и нижеприведенным описанием их работы. На интервале разряда разветвляющие 3, 4 и объединяющие 12, 13 коммутаторы открываются поступающими на их управляющие входы с группового управляющего входа 42 преобразователя сигналами, чем обеспечиваются параллельное подключение конденсаторов 5 - 8 к выходам 43, 44 энергонакопителя 1 и преобразователя напряжения с выдачей на эти выходы трансформированного напряжения, равного четвертой части напряжения, до которого цепочка конденсаторов 5 - 8 была заряжена на интервале заряда, и параллельный (коллективный) разряд этих конденсаторов на общую нагрузку, подключаемую между выходами 43, 44 преобразователя. Соответственно полярности заряда конденсаторов 5 - 8, при их разряде диоды 9 - 11 закрыты и не влияют на процесс разряда. Поскольку интервалы заряда и разряда не перекрываются во времени, то перенос энергии со входа преобразователя на его выход происходит без их гальванического или полевого (емкостного, взаимоиндуктивного) соединения. Далее описанный процесс циклически повторяется до тех пор, пока на силовом 41 и управляющем 42 входах преобразователя присутствуют вышеуказанные силовое напряжение и управляющие сигналы.

Второй вариант преобразователя напряжения работает следующим образом.

С группового управляющего входа 42 преобразователя и энергонакопителя 1 на вход переключателя 14 поступает код дискретного (ступенчатого) управления уровнем выходного напряжения. Если этот код соответствует минимальному из возможных уровней напряжения (то есть если переключатель 14 не меняет число заряжающихся конденсаторов), то работа переключателя совпадает с вышеописанной для переключателя первого варианта. Если же код дискретного управления соответствует исключению, например, двух конденсаторов из числа заряжающихся (переключатель 14 через свои выходы шунтирует конденсаторы 7, 8), то работа переключателя совпадает с вышеописанной для первого варианта во всем, кроме того, что до того же плавно регулируемого уровня заряжаются последовательно включенные конденсаторы 5 и 6 и соответственно выходное напряжение преобразователя будет вдвое большим.

Третий и четвертый варианты преобразователя напряжения работают следующим образом.

С поступлением с группового управляющего входа 42 на управляющий вход ключевого регулятора 2 открывающего импульса этот регулятор 2 открывается, начинается резонансный заряд конденсаторов 5 - 8 по цепи "первый силовой вход энергонакопителя 1 - индуктивный узел 15 - ключевой регулятор 2 - перемежающиеся конденсаторы 5 - 8 и диоды 9 - 11 - второй силовой вход энергонакопителя 1". Вследствие резонансного характера заряда диапазон значений напряжения, до которого заряжаются последовательно включенные конденсаторы 5 - 8, расширяется. Соответственно расширяется и диапазон значений выходного напряжения преобразователя, в том числе до значений, превышающих входное напряжение. Более эффективное использование резонансного характера заряда конденсаторов получается в четвертом варианте преобразователя, когда код на управляющем входе индуктивного узла 15, поступающий с управляющего входа 42 преобразователя, задает в узле 15 использование индуктивности, значение которой согласовано с общей емкостью (то есть с числом) заряжающихся конденсаторов, которая задается вышеописанным образом через переключатель 14. В остальном работа преобразователя совпадает с вышеописанной для первого или второго вариантов.

Пятый вариант преобразователя напряжения работает следующим образом.

Работа преобразователя происходит вышеописанным для первого - четвертого вариантов образом, но одновременно с открыванием ключевого регулятора 2 управляющим сигналом, поступающим на его управляющий вход с группового управляющего входа 42, этим же управляющим сигналом открывается второй ключевой регулятор 16 уровня заряда. Это сохраняет все функциональные возможности первого - четвертого вариантов преобразователя, но дополнительно предотвращает прямое прохождение напряжения со второго силового входа на заземленный второй выход преобразователя при заземленном первом его силовом входе, поскольку открытое состояние ключевых регуляторов 2,16 (интервал заряда) и открытое состояние коммутаторов 3,4, 12, 13 (интервал разряда) разнесены во времени.

Шестой вариант преобразователя напряжения работает следующим образом.

Работа преобразователя происходит вышеописанным для первого-четвертого вариантов образом, но интервал заряда (открытое состояние ключевого регулятора 2) назначается в пределах первой половины положительной полуволны знакопеременного входного напряжения (полярность здесь приведена к первому силовому входу), а интервал разряда - в пределах отрицательной полуволны входного напряжения. Во время отрицательной полуволны входного напряжения диод 17 закрыт, что предотвращает прямое прохождение входного напряжения со второго силового входа на заземленный второй выход преобразователя при заземленном первом его силовом входе.

Седьмой вариант преобразователя напряжения работает следующим образом.

При параллельно-согласном включении силовых входов энергонакопителей 1, 18 управляющие сигналы, поступающие с управляющего входа 42 преобразователя на управляющие входы энергонакопителей 1, 18, задают для них противофазные интервалы заряда и разряда: когда в энергонакопителе 1 выполняется заряд конденсаторов, в энергонакопителе 18 выполняется разряд конденсаторов на нагрузку и наоборот. Тем самым энергонакопители 1, 18 поочередно вышеописанным способом переносят энергию с силового входа 41 преобразователя в нагрузку. Этот перенос происходит только при полярности входного напряжения, которая соответствует открытому состоянию диодов 9 - 11 в энергонакопителях 1, 18. При этом параллельно-согласное включение выходов энергонакопителей 1, 18 дает знакопостоянное напряжение, параллельно-встречное включение - знакопеременное напряжение заданной формы между выходами 43, 44 преобразователя.

При параллельно-встречном включении силовых входов энергонакопителей 1, 18 один из них вышеописанным образом переносит энергию в нагрузку при положительном, другой - при отрицательном напряжении на силовом входе преобразователя. Параллельно-согласное включение выходов энергонакопителей 1, 18 дает при этом знакопостоянное напряжение между выходами 43, 44, параллельно-встречное включение выходов - знакопеременное выходное напряжение заданной формы.

В любом случае плавным изменением уровня заряда конденсаторов, ступенчатым изменением уровня заряда конденсаторов, а также изменением рабочей частоты (длительности цикла заряда-разряда конденсаторов) соответственно изменяется форма средних значений выходных напряжения и тока (при нагруженном преобразователе).

Восьмой и девятый варианты преобразователя напряжения работают следующим образом.

Работа преобразователя происходит вышеописанным для первого-седьмого вариантов образов, но в промежутках времени между смежными интервалами разряда одного или двух энергонакопителей 1, 18 ток в нагрузке и напряжение на ней не прекращаются благодаря накопленной в выходном индуктивном узле 19 энергии. Более эффективное использование накопительных свойств выходного индуктивного узла получается в девятом варианте преобразователя, когда код на управляющем входе узла 19, поступающий с группового управляющего входа 42 преобразователя, задает в узле 19 использование индуктивности, значение которой согласовано с длительностью промежутков между интервалами разряда и с конкретными потребностями обеспечения средних значений выходных тока и напряжения, в том числе в случае стабилизации этих параметров, а также задает необходимую направленность пути разряда индуктивности (последнее необходимо в модификациях преобразователя со знакопеременным выходным напряжением).

Десятый вариант преобразователя напряжения работает следующим образом.

Работа преобразователя происходит вышеописанным для первого - девятого вариантов образом, но сформированное преобразователем напряжение с выходов 43, 44 на его выходы 45, 46 проходит через фильтр 20 низких частот, который уменьшает уровень пульсаций выходного напряжения, в том числе при его стабилизации посредством регулирования уровня заряда, числа заряжающихся конденсаторов, частоты преобразования, величины индуктивностей во входном и выходном индуктивных узлах.

Одиннадцатый вариант преобразователя напряжения работает следующим образом.

Переменное напряжение с группового силового входа 41 преобразователя поступает на вход выпрямителя 21 и преобразовывается в нем в постоянное напряжение, которое с выходов выпрямителя 21 поступает на силовые входы энергонакопителя 1 (энергонакопителей 1, 18). Далее преобразователь работает вышеописанным для первого - пятого, седьмого - десятого вариантов образом.

Двенадцатый вариант преобразователя напряжения работает следующим образом.

С группового силового входа 41 преобразователя входное напряжение поступает также на вход формирователя 22 импульсов высокого напряжения, который выдает эти импульсы в выходную цепь между первым и третьим своими выходами, которая соединяется последовательно с выходной цепью вышеописанного низковольтного преобразователя напряжения так, что между выходами 43 и 44 (или 45 и 46) преобразователя действует это низковольтное напряжение, а между выходами 47 и 44 (или 47 и 46) сумма низковольтного напряжения и высоковольтных импульсов. В момент формирования высоковольтного импульса при достаточно малом удалении сварочного электрода от свариваемых деталей (электрод подключен к выходу 47, а свариваемые детали - к выходу 44 или 46 преобразователя) этот импульс вызывает ионизацию электродугового промежутка, что, в свою очередь, обеспечивает возникновение сварочной дуги, питаемой низковольтным выходным напряжением преобразователя. Если при наличии входного напряжения сварочная дуга по какой-либо причине прекращается, но удаление электрода от свариваемых деталей остается достаточно малым, то высоковольтные импульсы вновь вызывают ионизирующую искру, сварочный процесс возобновляется и продолжается. В остальном работа преобразователя совпадает с вышеописанной для первого-одиннадцатого вариантов.

Разветвляющий коммутатор 3, 4 работает следующим образом.

При отсутствии управляющих сигналов на управляющем входе 48 разветвляющего коммутатора 3, 4 сопротивление между его выходами 52, 53 и между его входом 44 и выходами 52, 53 остается высоким при любой полярности напряжения между входом 44 и выходами 52, 53, что необходимо для правильного функционирования преобразователя (для правильного заряда вышеуказанных конденсаторов 5 - 8 в составе энергонакопителей 1, 18). Открывание разветвляющего коммутатора 3, 4 на время разряда конденсаторов 5 - 8 и его закрывание по окончании разряда производятся соответственно открыванием и закрыванием запираемых тиристоров 23, 24 под воздействием управляющих сигналов, поступающих на их управляющие электроды с управляющего входа 48 разветвляющего коммутатора 3, 4. Направление рабочего тока (тока разряда конденсаторов) - от силового входа 44 к выходам 52, 53.

Объединяющий коммутатор 12, 13 работает с точностью до номеров входов и выходов так же, как и разветвляющий коммутатор 3, 4; направление рабочего тока - от силовых входов 49, 50 к выходу 43.

Формирователь 22 импульсов высокого напряжения работает следующим образом.

Двухполупериодное напряжение, поступающее на вход 41 формирователя 22, заряжает через диоды 32 - 35 (соответственно полярности их включения) конденсаторы 27 и 28 - 30 до напряжений, равных соответственно амплитудному и двойному амплитудному значениям входного напряжения так, что к цепочке последовательно соединенных резистора 36, разрядника 38, первичной обмотки импульсного трансформатора 39 прикладывается напряжение, в процессе заряда конденсаторов 28, 30 стремящееся к четверному амплитудному значению входного напряжения. При достижении этим напряжением значения, равного пробивному напряжению разрядника 38, сопротивление разрядника 38 резко уменьшается и конденсаторы 28, 30 через резистор 36 разряжаются на первичную обмотку трансформатора 39 (при этом резистор 36 ограничивает ток разряда). С разрядом конденсаторов 28, 30 напряжение на них уменьшается и в некоторый момент времени высокое сопротивление разрядника восстанавливается, ток разряда конденсаторов 28, 30 через первичную обмотку трансформатора 39 резко прекращается, начинается разряд индуктивности первичной обмотки трансформатора 39 на ее паразитную емкость. Соответственно изменениям тока в первичной обмотке трансформатора 39, во вторичной его обмотке формируются импульс, по амплитуде примерно равный пробивному напряжению разрядника 38, и выброс соизмеримой (обычно большей) амплитуды. Каждый из этих импульсов вышеописанным образом используется для возбуждения и стабилизации сварочной дуги. Ток, обусловленный высоковольтными импульсами напряжения на вторичной обмотке трансформатора 39 и вызывающий ионизацию электродугового промежутка, проходит по цепи "выход 47 преобразователя - нагрузка (электрод, электродуговой промежуток) - выход 44 или 46 преобразователя - конденсатор 31 - вторичная обмотка трансформатора 39". При этом дроссель 40 и конденсатор 31 защищают выход 43 или 45 силового низковольтового напряжения от высоковольтовых импульсов, резистор 37 обеспечивает разряд конденсатора 31 на интервале между высоковольтными импульсами. Сварочный ток, обусловленный вышеописанным силовым низковольтным источником (преобразователем), проходит по цепи "выход 43 или 45 преобразователя - дроссель 40 - вторичная обмотка трансформатора 39 - выход 47 преобразователя - нагрузка - выход 44 или 46 преобразователя - выходная цепь силового источника между выходами 44, 43 или 46, 45 преобразователя". Поскольку нарастания напряжения на конденсаторах 28, 30 синфазны с нарастаниями входного напряжения, то (при постоянстве характеристик разрядника 38) вырабатываемые формирователем 22 высоковольтные импульсы синфазны с сетевым (питающим преобразователь) напряжением.

Работоспособность каждого варианта устройства обеспечивается при выполнении условий t_оз - t_зр > 0, t_ор - t_зз > 0, где t_оз и t_ор - моменты открывания соответственно заряжающей цепи (ключевых регуляторов 2, 16 уровня заряда) и разряжающей цепи (разветвляющих 3, 4 и объединяющих 12, 13 коммутаторов), t_зз и t_зр - моменты закрывания соответственно заряжающей и разряжающей цепей, а для двенадцатого варианта преобразователя также при выполнении условия U_с > Uр, где U_с - напряжение, к которому стремится суммарное напряжение заряжающихся конденсаторов 28, 30 в формирователе 22, U_р - пробивное напряжение разрядника 38 в этом формирователе.

Сущность предлагаемого изобретения не меняется при перераспределении функций между составными частями преобразователя, при включении в его состав, например, узла формирования управляющих сигналов.

Наибольший эффект предлагаемый преобразователь напряжения дает в сетевых и автономных преобразователях, источниках питания, сварочных и пуско-зарядных устройствах, особенно в случаях важности концепции энергосбережения.

Предлагаемый преобразователь напряжения, по сравнению с известными, позволяет:
- уменьшить сложность, массу и габариты преобразователя на (15-20)%;
- понизить скважность питания нагрузки примерно вдвое;
- на (20-30)% повысить энергоемкость p = P/m преобразователя напряжения (P - мощность, отдаваемая в нагрузку, m - масса преобразователя).

Использованная литература
1. Авторское свидетельство СССР N 1563910, кл. B 23 K 9/00, 1988.

2. Авторское свидетельство СССР N 1839648, кл. B 23 K 9/00, 1990.

3. S. Clemente, В. Pelly, R. Rutonsha. Универсальный источник питания с частотой 100 кГц на одном МОП ПТ. - Силовые полупроводниковые приборы. Перевод с английского под редакцией В. В. Токарева. Первое издание. Воронеж, 1995, стр. 135.

4. Патент США N 5561597, кл. 363/59, 1996 (имеется также в виде заявки РФ N 94045899, кл. H 02 M 3/07, 1997).

5. Патент США N 5446644, кл. 363/62, 1995.

6. Григорьев О. П. и другие. Тиристоры. Справочник. - Массовая радиобиблиотека, 1990, вып. 1155. - М.: "Радио и связь", стр. 138.

7. Product Digest. International Rectifiers Shortform Catalog, 50th Anniversary Edition. - USA, March 1997, p. D-2.

Формула изобретения

1. Преобразователь напряжения, содержащий емкостной энергонакопитель, два силовых входа и первый и второй выходы которого являются соответственно групповым силовым входом и первым и вторым выходами преобразователя напряжения, включающий в себя цепочку из К конденсаторов и по одному между ними последовательно-согласно включенных К-1 диодов, отличающийся тем, что в нем емкостной энергонакопитель дополнительно содержит ключевой регулятор уровня заряда, через который крайний вывод одного крайнего конденсатора цепочки из К конденсаторов соединен с одним силовым входом емкостного энергонакопителя, другой силовой вход которого соединен с крайним выводом другого крайнего конденсатора цепочки из К конденсаторов, I ≅ M ≅ K объединяющих коммутаторов, силовые входы которых соединены, каждый с одним, с одноименными выводами К конденсаторов, а выходы соединены между собой и являются первым выходом емкостного энергонакопителя, I ≅ N ≅ K разветвляющих коммутаторов, выходы которых соединены, каждый с одним, с другими одноименными выводами К конденсаторов, а силовые входы соединены между собой и являются вторым выходом емкостного энергонакопителя, причем управляющие входы объединяющих коммутаторов и управляющие входы разветвляющих коммутаторов соединены между собой и вместе с управляющим входом ключевого регулятора уровня заряда являются групповым управляющим входом емкостного энергонакопителя и преобразователя напряжения, кроме того, в преобразователе напряжения емкостной энергонакопитель дополнительно содержит переключатель, выходы которого соединены, каждый с одним, с выводами части из К конденсаторов, а вход является составной частью группового управляющего входа емкостного энергонакопителя.

2. Преобразователь напряжения по п.1, отличающийся тем, что в нем емкостной энергонакопитель дополнительно содержит входной индуктивный узел, включенный последовательно с силовым входом емкостного энергонакопителя, ключевым регулятором уровня заряда, К конденсаторами и К-1 диодами, другим силовым входом емкостного энергонакопителя.

3. Преобразователь напряжения по п.2, отличающийся тем, что в нем управляющий вход входного индуктивного узла из состава емкостного энергонакопителя является составной частью группового управляющего входа емкостного энергонакопителя.

4. Преобразователь напряжения по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в нем в емкостном энергонакопителе другой силовой вход соединен с крайним выводом другого крайнего конденсатора цепочки из К конденсаторов и К-1 диодов через дополнительно введенный второй ключевой регулятор уровня заряда, управляющий вход которого соединен с управляющим входом первого ключевого регулятора уровня заряда.

5. Преобразователь напряжения по п.1, или 2, или 3, отличающийся тем, что в нем в емкостном энергонакопителе другой силовой вход соединен с крайним выводом другого крайнего конденсатора цепочки из К конденсаторов и К-1 диодов через дополнительно введенный диод, включенный согласно с К-1 диодами.

6. Преобразователь напряжения по п.1, или 2, или п.3, или 4, или 5, отличающийся тем, что он дополнительно содержит один или более емкостных энергонакопителей, два выхода и два силовых входа каждого из которых соединены каждый с одним из двух соответственно выходов и силовых входов первого емкостного энергонакопителя, а групповые управляющие входы являются составной частью группового управляющего входа преобразователя напряжения.

7. Преобразователь напряжения по любому из пп.1 - 6, отличающийся тем, что в нем выходы соединены с выходами емкостных энергонакопителей через дополнительно введенный выходной индуктивный узел.

8. Преобразователь напряжения по п.7, отличающийся тем, что в нем управляющий вход выходного индуктивного узла является составной частью группового управляющего входа преобразователя напряжения.

9. Преобразователь напряжения по любому из пп.1 - 8, отличающийся тем, что его первый и второй выходы соединены с дополнительно введенными третьим и четвертым выходами через дополнительно введенный фильтр низких частот.

10. Преобразователь напряжения по любому из пп.1 - 4, 6 - 9, отличающийся тем, что в нем групповой силовой вход соединен с силовыми входами емкостного энергонакопителя через дополнительно введенный выпрямитель.

11. Преобразователь напряжения по любому из пп.1 - 10, отличающийся тем, что он дополнительно содержит формирователь импульсов высокого напряжения, групповой вход, первый и второй выходы которого соединены соответственно с групповым силовым входом, первым и вторым или третьим и четвертым выходами преобразователя напряжения, а третий выход является пятым выходом преобразователя напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8