Транзисторный преобразователь

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к транзисторным преобразователям инверторного типа с регулированием широтно-импульсным методом. Технический результат - расширение функциональных возможностей, уменьшение потерь в системе управления. Предлагается транзисторный преобразователь, подключенный к источнику постоянного напряжения и выполненный по схеме мостового транзисторного инвертора с обратным диодным мостом и последовательным конденсатором в цепи нагрузки. Система управления содержит автогенератор, основной и дополнительный трансформаторы, широтно-импульсный модулятор, синхронизированный с автогенератором, автоматический регулятор с типовой замкнутой системой автоматического регулирования, выполненной по принципу отрицательной обратной связи. Основной трансформатор подключен к выходу автогенератора, а его вторичные обмотки соединены встречно-последовательно с соответствующими вторичными обмотками дополнительного трансформатора и подключены к базам транзисторов инвертора. Одна первичная обмотка дополнительного трансформатора подключена через униполярный ключ в виде диодного моста и шунтирующего транзистора ко вторичной обмотке основного трансформатора, а вторая первичная обмотка шунтирована таким же униполярным ключом. Управляющие входы ключей подключены к выходу широтно-импульсного модулятора. Предложенное устройство может быть использовано в различных схемах транзисторных преобразователей с широтно-импульсной модуляцией. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к транзисторным преобразователям. Транзисторные преобразователи широко используются в самых различных электронных устройствах: инверторах, преобразователях частоты, вторичных источниках питания и т.д.

Известны, например, электронные сварочные аппараты инверторного типа с однотактным или двухтактным (мостовым) транзисторным инвертором, нагруженным на сварочный высокочастотный (до 100 кГц) трансформатор: "Transpocket 1400" - производство Австрии, каталог 1995-96 г.г.; "Castolin GmbH" - Германия: "DC200A1" -Технотрон, Россия: "Inverter U 130-S" - Lincoln, США и др.

Сварочный трансформатор в упомянутых устройствах подключается через однотактный или двухтактный выпрямитель к сглаживающему дросселю и нагрузке (электрическая дуга), шунтированным обратным диодом. Система управления содержит замкнутую систему регулирования широтно-импульсным модулятором (ШИМ).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известных устройств, относится необходимость применения дорогих транзисторных модулей с оптронной развязкой и индивидуальных источников смещения каждого модуля, что усложняет и удорожает установку.

Нужно также отметить, что потери в модуле (составном транзисторе) несколько больше, чем в одиночном транзисторе на тот же ток.

Известен "Источник питания" для электронного сварочного аппарата (см. свид. на полезную модель России N 3514, 12.05.1995 год), где осуществлена трансформаторная гальваническая развязка управляющих входов транзисторов инвертора. Однако использованная для создания отрицательного смещения R-L-C цепочка сложна в настройке и не обеспечивает постоянного отрицательного смещения во всем диапазоне широтно-импульсного регулирования.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство, в котором для гальванической развязки цепей управления транзисторного преобразователя (инвертора) и получения постоянного отрицательного смещения использовано суммирование напряжений двух трансформаторов: основного и дополнительного, питающихся от общего автогенератора, принятое в качестве прототипа (см.патент России N 2131640, Б.И.16, 1999 г.).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, принятого за прототип, относится то, что в известном устройстве ограниченные функциональные возможности, так как частотное регулирование выходного напряжения применимо в узком диапазоне и, в основном, в инверторах типа резонансных, то есть с последовательно включенным в нагрузку конденсатором, а также повышенные потери из-за насыщения в цепи дополнительного трансформатора.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит в силовой части мостовой транзисторный инвертор в составе четырех транзисторных ключей 1,2,3,4, образующих мост, диагональю постоянного тока подключенный к сети постоянного тока, а диагональю переменного тока через конденсатор - к сварочному трансформатору (нагрузке) 6. Транзисторный мост шунтирован обратным диодным мостом, не показанным на фиг. 1 для простоты.

Система управления содержит четыре (по числу транзисторов) идентичных канала и потому приведена лишь для канала управления транзистором 1. В состав системы управления входят также автогенератор 7, основной трансформатор 8 с двумя первичными полуобмотками 9, 10 и четырьмя по числу каналов управления транзисторами инвертора, управляющими вторичными обмотками 11 и одной питающей обмоткой 12. Для простоты на фиг. 2 показана только одна из четырех управляющих обмоток 11, поскольку каналы управления идентичны. Кроме того, к питающей обмотке 12 подключен дополнительный трансформатор 13 с первичной обмоткой 14 и четырьмя управляющими вторичными обмотками 15, причем две управляющие обмотки 15 одной диагональной пары транзисторов инвертора объединены началами с соответствующими управляющими вторичными обмотками 11 основного трансформатора, а две другие управляющие обмотки второй диагональной пары транзисторов инвертора объединены концами и общими точками подключены к резистору 16, второй вывод которого в каждом канале управления объединен с эмиттером (истоком) транзистора 1, первым выводом резистора 17, шунтирующего переход эмиттер-база (исток- затвор) транзистора 1 и через цепь катод-анод диода 18 со свободным выводом вторичной управляющей обмотки 15 дополнительного трансформатора 13. К управляющему входу автогенератора 7 подключен выход автоматического регулятора 19 с типовой замкнутой системой автоматического регулирования, выполненной по принципу отрицательной обратной связи и не показанной для простоты. Первичная обмотка 14 дополнительного трансформатора 13 подключена через диод 20 в его проводящем направлении к началу вторичной обмотки 12 основного трансформатора 8, а через резистор 21 - к концу упомянутой обмотки 12. Кроме того, обмотка 14 шунтирована обратным диодом 22.

Таким образом, в системе управления два трансформатора: основной и дополнительный, независимо от числа транзисторов, а число вторичных обмоток этих трансформаторов определяется числом транзисторов. В схеме могут использоваться транзисторы различных типов: обычные р-п-р или п-р-п, полевые и т. д. , поэтому терминология "эмиттер-коллектор", "сток-исток" определяется типом транзистора. В частности, на фиг. 1 изображены полевые транзисторы.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Технический результат - расширение функциональных возможностей, т.к. предлагаемое устройство применимо в любых транзисторных преобразователях с неограниченным диапазоном широтно-импульсного регулирования, а также уменьшены потери в системе управления.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, подключенном к источнику постоянного напряжения и выполненном по схеме мостового транзисторного инвертора с широтно-импульсным регулированием, а также содержащем систему управления упомянутым инвертором в составе автогенератора, основного и дополнительного трансформаторов и автоматического регулятора с типовой замкнутой системой автоматического регулирования по принципу отрицательной обратной связи, причем основной трансформатор подключен двумя первичными полуобмотками к выходу автогенератора, основной и дополнительный трансформаторы имеют по четыре управляющие вторичные обмотки по числу каналов управления транзисторами инвертора, соединенные попарно встречно-последовательно так, что ЭДС обмоток каждой пары взаимно противофазны, при этом упомянутые обмотки объединены началами для одной пары и концами для второй пары диагональных транзисторов моста, причем общие точки обмоток основного и вспомогательного трансформаторов подключены к резистору в своем канале управления транзисторами инвертора. Другой вывод каждой вторичной обмотки дополнительного трансформатора в каждом канале управления объединен через диод в проводящем направлении в общую точку со вторым выводом упомянутого резистора, с эмиттером (истоком) транзистора своего канала и с выводом резистора, шунтирующего переход база-эмиттер упомянутого транзистора, а свободный конец этого резистора связан со свободным выводом вторичной управляющей обмотки основного трансформатора и базой транзистора своего канала управления.

Особенность заключается в том, что дополнительный трансформатор снабжен двумя первичными обмотками, одна из которых подключена последовательно через диагональ переменного тока первого диодного моста к питающей вторичной обмотке основного трансформатора, вторая первичная обмотка дополнительного трансформатора подключена к выводам диагонали переменного тока второго диодного моста, упомянутые диодные мосты объединены минусовыми выводами с эмиттерами двух модулирующих транзисторов, первый из которых шунтирует диагональ постоянного тока первого, а второй шунтирует диагональ постоянного тока второго упомянутых диодных мостов, базы обоих модулирующих транзисторов через токоограничивающий резистор подключены к выходу широтно-импульсного модулятора и связаны с катодами двух встречно включенных диодов, общие аноды которых объединены с общими эмиттерами модулирующих транзисторов, вход управления широтно-импульсного модулятора подключен к выходу упомянутого автоматического регулятора с типовой замкнутой системой автоматического регулирования, а вход питания и синхронизации упомянутого широтно-импульсного модулятора подключен к синхронизирующей вторичной обмотке основного трансформатора.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: - дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; - замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; - исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и прочее); - увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов; - выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала; - создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлено: на фиг. 2 - схема транзисторного преобразователя, на фиг. 3а) - упрощенная эквивалентная схема одного канала управления и 3б) - временные диаграммы.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата, заключаются в следующем.

Устройство (фиг. 2) содержит в силовой части мостовой транзисторный инвертор в составе четырех полевых транзисторов 1, 2, 3, 4. Возможно применение и любых других типов транзисторов. Диагональ постоянного тока инвертора подключена к источнику постоянного напряжения. Для простоты этот источник не показан. Диагональ переменного тока через конденсатор 5 подключена к нагрузке 6.

Транзисторный инвертор, как и во всех типовых схемах, шунтирован обратным диодным мостом, который также для простоты не показан.

Система управления содержит автогенератор 7, подключенный входом к источнику постоянного напряжения, а выходом нагруженный на первичные полуобмотки 8, 9 основного трансформатора 10, имеющего четыре управляющие обмотки 11 по числу каналов управления транзисторами инвертора (для простоты на фиг. 2 представлен один из четырех идентичных каналов), одну питающую обмотку 12 и одну синхронизирующую обмотку 13. Система управления содержит также дополнительный трансформатор 14 с двумя первичными обмотками 15, 16 и четырьмя (по числу каналов управления транзисторами инвертора) вторичными обмотками 17. Две управляющие вторичные обмотки 11 основного трансформатора объединены началами с соответствующими вторичными обмотками 17 дополнительного трансформатора в каналах управления одной диагональной пары транзисторов инвертора, например, пары 1, 4, а две другие управляющие обмотки основного трансформатора объединены концами с соответствующими вторичными обмотками дополнительного трансформатора в каналах управления второй диагональной пары транзисторов инвертора, например пары 2, 3, так, что ЭДС объединенных пар противофазны.

Общие точки упомянутых вторичных обмоток подключены к резистору 18 в каждом канале управления, свободный конец резистора 18 объединен через катод-анод диода 19 со вторым концом вторичной обмотки 17 дополнительного трансформатора, а также с эмиттером (истоком) соответствующего транзистора и шунтирующего резистора 20, второй вывод которого объединен с базой транзистора своего канала управления и свободным концом управляющей вторичной обмотки 11 основного трансформатора 10.

Первичная обмотка 15 дополнительного трансформатора 14 через последовательно включенную диагональ переменного тока диодного моста 21 подключена к питающей вторичной обмотке 12 основного трансформатора 10, а первичная обмотка 16 дополнительного трансформатора 14 шунтирована диагональю переменного тока диодного моста 22. Диодные мосты 21 и 22 объединены минусовыми выводами между собой и с общими эмиттерами двух моделирующих транзисторов 23, 24, коллекторы которых соединены соответственно с плюсовыми выводами диодных мостов 21 и 22.

Базы модулирующих транзисторов 23, 24 подсоединены через токоограничивающий резистор 25 к выходу широтно-импульсного модулятора 26, а также подключены соответственно к катодам двух встречно включенных диодов 27 и 28, аноды которых объединены с общей точкой эмиттеров модулирующих транзисторов 23 и 24.

Управляющий вход широтно-импульсного модулятора 26 подключен к выходу автоматического регулятора 29, входы которого связаны с непоказанной для простоты типовой замкнутой системой автоматического регулирования, выполненной по принципу отрицательной обратной связи.

Вход питания и синхронизации широтно-импульсного модулятора 26 подключен к обмотке синхронизации 13 основного трансформатора 10.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При включении установки в сеть автогенератор 7 преобразует постоянное напряжение на входе в переменное напряжение прямоугольной формы высокой (до 100 кГц) частоты (см. диаграмму 1 на фиг. 3б)). Это напряжение трансформируется во вторичные обмотки 11, 12, 13 и, таким образом, поступает на синхронизирующий вход модулятора 26, представляющего собой типовую микросхему. В зависимости от сигнала задания ₃ и фактического сигнала обратной связи U_ф (фиг. 2) выходной сигнал модулятора преобразует симметричный "меандр" напряжения обмотки 13 в знакопеременные импульсы, "ширина" которых уменьшается с увеличением сигнала задания U₃.

В пределе минимальная "ширина" t ≥t_в, где t_в - время запирания транзисторов инвертора (см. диаграмму 2 на фиг. 3б)).

Соответственно, модулирующие транзисторы 23 и 24 оказываются отпертыми на неодинаковых интервалах времени. Эти транзисторы поочередно шунтируют диодные мосты 21 и 22, что иллюстрируется эквивалентной схемой фиг. 3а), где транзисторы заменены контактами.

Включение транзистора 23 приводит к подаче напряжения на обмотку 15 дополнительного трансформатора (диаграмма 3 на фиг. 3б), а его выключение с одновременным включением транзистора 24 приводит к закорачиванию трансформатора 14 и нулевому напряжению на всех его обмотках.

Напряжение обмотки 17 дополнительного трансформатора 14 алгебраически складывается с напряжением управляющей вторичной обмотки 11 основного трансформатора 10, в результате чего на управляющих входах транзисторов инвертора образуется напряжение отпирания и запирания (диаграмма 4 и 5 на фиг. 3б)). Поскольку обмотки 11 и 17 в диагональной паре транзисторов 1, 4 соединены началами, а в диагональной паре транзисторов 2, 3 соединены концами, транзисторные пары отпираются противофазно, в диагонали инвертора образуется переменное напряжение (диаграмма 6 на фиг. 3б)), действующее значение которого определяется сигналом задания U₃ на входе автоматического регулятора, а частота неизменна и задается автогенератором 7, выполняемым по любой известной типовой схеме автогенератора.

Конденсатор 5, включенный последовательно с нагрузкой 6, обеспечивает отсутствие постоянной составляющей в напряжении, что очень важно, если нагрузкой является трансформатор (например, сварочный). Конденсатор 5 обеспечивает также удвоение амплитуды напряжения на нагрузке, что для сварочных трансформаторов тоже важно, т.к. улучшает условия зажигания дуги.

Следует отметить, что нагрузка может быть и любой другой, не трансформаторной. В этом случае конденсатор 5 может быть исключен из устройства. Более того, предложенный принцип управления силовыми транзисторами универсален и может быть применен для самых различных транзисторных преобразователей с широтно-импульсным регулированием.

В отличии от прототипа дополнительный трансформатор - ненасыщающийся работает в режиме "включен-выключен", что резко уменьшает потери и, соответственно, позволяет уменьшить мощность автогенератора.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий: - средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области электротехники; - для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов; - средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Транзисторный преобразователь, подключенный к источнику постоянного напряжения и выполненный по схеме мостового транзисторного инвертора с обратным диодным мостом, а также содержащий систему управления упомянутым инвертором в составе автогенератора, основного и дополнительного трансформаторов и автоматического регулятора с типовой замкнутой системой автоматического регулирования по принципу отрицательной обратной связи, причем основной трансформатор подключен двумя первичными полуобмотками к выходу автогенератора, основной и дополнительный трансформаторы имеют по четыре управляющие вторичные обмотки по числу каналов управления транзисторами инвертора, объединенные началами для одной пары и концами для второй пары диагональных транзисторов моста и подключенные упомянутыми общими точками к резистору в своем канале управления, а другой вывод каждой управляющей вторичной обмотки дополнительного трансформатора в каждом канале управления объединен через диод в проводящем направлении в общую точку со вторым выводом упомянутого резистора, с эмиттером транзистора своего канала и с выводом резистора, шунтирующего переход база-эмиттер упомянутого транзистора, а свободный конец этого резистора связан со свободным концом вторичной управляющей обмотки основного трансформатора и базой транзистора своего канала, отличающийся тем, что дополнительный трансформатор снабжен двумя первичными обмотками, одна из которых подключена последовательно через диагональ переменного тока первого диодного моста к питающей вторичной обмотке основного трансформатора, вторая первичная обмотка дополнительного трансформатора подключена к выводам диагонали переменного тока второго диодного моста, упомянутые диодные мосты объединены минусовыми выводами с эмиттерами двух модулирующих транзисторов, первый из которых шунтирует диагональ постоянного тока первого, а второй шунтирует диагональ постоянного тока второго упомянутых диодных мостов, базы обоих модулирующих транзисторов через токоограничивающий резистор подключены к выходу широтно-импульсного модулятора и связаны с катодами встречно включенных диодов, общие аноды которых объединены с общими эмиттерами модулирующих транзисторов, вход управления широтно-импульсного модулятора подключен к выходу упомянутого автоматического регулятора с типовой замкнутой системой автоматического регулирования, а вход питания и синхронизации упомянутого широтно-импульсного модулятора подключен к синхронизирующей вторичной обмотке основного трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3