Преобразователь постоянного напряжения в переменное

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования постоянного напряжения в переменное синусоидальное и может быть использовано в электрическом транспорте и промышленных предприятиях. Задачей настоящей полезной модели является упрощение силовой части преобразователя постоянного напряжения в переменное, уменьшение потерь электрической энергии при преобразовании, а также повышение надежности работы за счет усиления регулировочной характеристики величины выходной мощности преобразователя, что позволит регулировать амплитуду и интенсивность управляющих синусоидальных сигналов при сохранении высокой стабильности частоты переменного тока на выходе преобразователя. Технический результат достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное, содержащий мощный источник постоянного высокого напряжения, генератор синусоидального напряжения, стабилизированный по частоте кварцевым стабилитроном, выполненный на полупроводниковом элементе в микроминиатюрном исполнении и подключенный к маломощному источнику постоянного низкого напряжения, слаботочный транзистор VT₁ с n-p-n переходом, силовой транзистор VT₂ с n-p-n переходом, резистор R₁ с ползунком для снятия переменного напряжения и изменения его по величине, резистор R₂, конденсатор C₁ и резонансный контур, содержащий параллельно соединенные конденсатор С₂ и индуктивности L₁ и L₂, с выхода которой снимается энергия нагрузки, при этом частота резонансного контура совпадает с номинальной рабочей частотой генератора синусоидального напряжения, согласно заявляемой полезной модели, дополнительно введены блок управления и последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель, определитель нуля, делитель частоты периодов синусоидального сигнала, блок пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности, при этом блок управления соединен со вторым входом делителя частоты периодов синусоидального сигнала, вход двухполупериодного выпрямителя подключен к выходу генератора синусоидального напряжения, а второй выход - ко второму входу блока пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности, выход которого соединен с началом дополнительно введенного резистора R₃ и с базой слаботочного транзистора VT₁ с n-p-n переходом, коллектор которого подключен к маломощному источнику постоянного низкого напряжения, а эмиттер - к началу резистора R₁ с ползунком для снятия переменного напряжения и изменения его по величине, подключенным к одной обкладке конденсатора С₁, другая обкладка которого одновременно подключена к началу резистора R₂ и к базе силового транзистора VT₂ с n-p-n переходом, коллектор которого подключен к мощному источнику постоянного высокого напряжения, а эмиттер - к концу резистора R₂ и к началу резонансного контура, причем конец резонансного контура, а также концы резисторов R₁ и R₃ одновременно заземлены. 1 ил.

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования постоянного напряжения в переменное синусоидальное и может быть использовано в электрическом транспорте и промышленных предприятиях.

Наиболее близким к настоящей полезной модели является преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное по патенту РФ на полезную модель 105093, МПК Н02М 7/53846, 27.05.2011, содержащий маломощный источник постоянного низкого напряжения, соединенный со стабилизированным по частоте кварцевым стабилитроном, генератором синусоидального напряжения, выполненным на полупроводниковом элементе в микроминиатюрном исполнении, к выходу которого подключен резистор R₁ с ползунком для снятия переменного напряжения и изменения его по величине, подключенным к одной обкладке конденсатора С ₁ другая обкладка которого одновременно подключена к базе слаботочного транзистора VT₁ с n-p-n переходом, имеющим коллекторно-эмиттерную нагрузку, и средней точке последовательно соединенных резисторов R₂ и R₃, при этом к коллекторной нагрузке слаботочного транзистора VT₁ представляющей из себя резистор R₄, подключен конденсатор С₂, а к эмиттерной нагрузке слаботочного транзистора VT₂ представляющей из себя резистор R₅, подключен конденсатор С₃, к выходу которого подключены начало резистора R₆ и база силового транзистора VT ₂ с n-p-n переходом, к выходу конденсатора С₂ подключены начало резистора R₇ и база силового транзистора VT₃ с n-p-n переходом, причем концы резисторов R ₂ и R₄ одновременно подключены к положительной полярности маломощного источника постоянного напряжения, а концы резисторов R₁ R₃, R₅, R ₆, R₇, эмиттеры силовых транзисторов VT ₂ и VT₃ одновременно заземлены, при этом коллекторы силовых транзисторов VT₂ и VT₃ подключены соответственно к началам индуктивностей L₁ L₂ резонансного контура, состоящего из параллельно соединенных конденсатора С₄ и двух одинаковых последовательно соединенных индуктивностей L₁ L₂, а также к первой и второй обкладкам конденсатора С₄; при этом к точке соединения индуктивностей L₁ L₂ подключена положительная полярность мощного источника постоянного высокого напряжения, причем частота резонансного контура совпадает с номинальной рабочей частотой генератора синусоидального напряжения, а с выхода индуктивности L₃, магнитно связанной с индуктивностями L₁ L₂, снимается энергия нагрузки.

Недостатком известного преобразователя является сложность его силовой части, большие потери электрической энергии при преобразовании и низкая надежность работы, обусловленная слабой регулировочной характеристикой величины выходной мощности преобразователя, особенно при малых значениях выходной мощности, а также при последовательно-параллельном включении силовых транзисторов преобразователя.

Задачей настоящей полезной модели является упрощение силовой части преобразователя постоянного напряжения в переменное, уменьшение потерь электрической энергии при преобразовании, а также повышение надежности работы за счет усиления регулировочной характеристики величины выходной мощности преобразователя, что позволит регулировать амплитуду и интенсивность управляющих синусоидальных сигналов при сохранении высокой стабильности частоты переменного тока на выходе преобразователя.

Технический результат достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное, содержащий мощный источник постоянного высокого напряжения, генератор синусоидального напряжения, стабилизированный по частоте кварцевым стабилитроном, выполненный на полупроводниковом элементе в микроминиатюрном исполнении и подключенный к маломощному источнику постоянного низкого напряжения, слаботочный транзистор VT₁ с n-p-n переходом, силовой транзистор VT₂ с n-p-n переходом, резистор R₁ с ползунком для снятия переменного напряжения и изменения его по величине, резистор R₂, конденсатор C₁ и резонансный контур, содержащий параллельно соединенные конденсатор С₂ и индуктивности L₁ и L ₂, с выхода которой снимается энергия нагрузки, при этом частота резонансного контура совпадает с номинальной рабочей частотой генератора синусоидального напряжения, согласно заявляемой полезной модели, дополнительно введены блок управления и последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель, определитель нуля, делитель частоты периодов синусоидального сигнала, блок пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности, при этом блок управления соединен со вторым входом делителя частоты периодов синусоидального сигнала, вход двухполупериодного выпрямителя подключен к выходу генератора синусоидального напряжения, а второй выход - ко второму входу блока пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности, выход которого соединен с началом дополнительно введенного резистора R₃ и с базой слаботочного транзистора VT₁ с n-p-n переходом, коллектор которого подключен к маломощному источнику постоянного низкого напряжения, а эмиттер - к началу резистора R₁ с ползунком для снятия переменного напряжения и изменения его по величине, подключенным к одной обкладке конденсатора С₁ другая обкладка которого одновременно подключена к началу резистора R₂ и к базе силового транзистора VT₂ с n-p-n переходом, коллектор которого подключен к мощному источнику постоянного высокого напряжения, а эмиттер - к концу резистора R₂ и к началу резонансного контура, причем конец резонансного контура, а также концы резисторов R₁ и R₃ одновременно заземлены.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена схема преобразователя постоянного напряжения в переменное синусоидальное.

Постоянное высокое напряжение от мощного (6-10 кВ) источника 1 подлежит преобразованию в переменное синусоидальное напряжение с промышленными параметрами.

Преобразователь содержит генератор 2 синусоидального напряжения, подключенный к положительной полярности маломощного (2,5-10 В) источника 3 постоянного низкого напряжения.

Генератор 2 синусоидального напряжения, выполнен на полупроводниковом элементе в микроминиатюрном исполнении, при этом частота генератора 2 стабилизирована кварцевым стабилитроном на номинальную рабочую частоту.

Преобразователь также содержит слаботочный транзистор VT ₁ с n-p-n переходом, силовой транзистор VT₂ с n-p-n переходом, резистор R₁ с ползунком для снятия переменного напряжения и изменения его по величине, резистор R₂, конденсатор С₁ и резонансный контур, содержащий параллельно соединенные конденсатор С₂ и индуктивности L₁ и L₂, при этом частота резонансного контура совпадает с номинальной рабочей частотой генератора 2 синусоидального напряжения.

С выхода индуктивности L₂, магнитно связанной с индуктивностью L₁ снимается энергия нагрузки Z_H, т.е. индуктивность L₂ служит для отбора энергии переменного тока резонансного контура в нагрузку.

Отличием преобразователя постоянного напряжения в переменное синусоидальное является то, что в него дополнительно введены последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель 4, определитель 5 нуля, делитель 6 частоты периодов синусоидального сигнала, блок 7 пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности, а также блок 8 управления. Блок 8 управления соединен со вторым входом делителя 6 частоты. Вход двухполупериодного выпрямителя 4 подключен к выходу генератора 2 синусоидального напряжения. Второй выход двухполупериодного выпрямителя 4 подключен ко второму входу блока 7 пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности. Выход блока 7 соединен с началом дополнительно введенного резистора R₃ и с базой слаботочного транзистора VT₁ с n-p-n переходом. Коллектор слаботочного транзистора VT ₁ подключен к маломощному источнику 3 постоянного низкого напряжения, а эмиттер - к началу резистора R₁ с ползунком для снятия переменного напряжения и изменения его по величине. Резистор R₁ подключен к одной обкладке конденсатора C₁, другая обкладка которого одновременно подключена к началу резистора R₂ и к базе силового транзистора VT₂ с n-p-n переходом. Коллектор силового транзистора VT₂ подключен к мощному источнику 1 постоянного высокого напряжения, а эмиттер - к концу резистора R₂ и к началу резонансного контура. Конец резонансного контура, а также концы резисторов R₁ и R₃ одновременно заземлены.

Двухполупериодный выпрямитель 4 выполняет функцию формирования полусинусоидального сигнала положительной полярности.

Определитель 5 нуля - определитель перехода синусоидального сигнала через нуль - выполняет функцию определения начала периода синусоиды и выработки импульсного сигнала длительностью, равной периоду синусоидального сигнала для подачи его на вход делителя 6 частоты.

Делитель 6 частоты выполняет функцию деления количества выходных периодов синусоидальных сигналов.

Блок 7 пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности выполняет функцию пропуска количества периодов полусинусоидальных сигналов положительной полярности, установленных блоком 8 управления. Блок 7 выполнен по схеме «И».

Блок 8 управления выполняет функцию установления коэффициента К деления в делителе 6 частоты. Этот коэффициент К может быть равным 1, 1/2, 1/3, 1/41/N. Частота выходного сигнала блока 7 равна произведению номинальной частоты на коэффициент деления.

Таким образом, предлагаемый преобразователь является мощным преобразователем постоянного тока в переменный (с относительно хорошей синусоидальностью выходного сигнала), состоящим из двух частей: управляющей части, содержащей блоки 2, 4, 5, 6, 7, 8, слаботочный транзистор VT ₁ постоянные резисторы R₂ и R₃, переменный резистор R₁ с ползунком, конденсатора С₁ и силовой части, включающей в себя силовой транзистор VT ₂ с подключенным к его эмиттеру резонансным контуром.

Работа преобразователя осуществляется следующим образом. После включения маломощного источника 3 постоянного низкого напряжения и мощного источника 1 постоянного высокого напряжения генератор 2 синусоидального напряжения начинает вырабатывать управляющий синусоидальный сигнал, стабилизированный кварцевым стабилитроном на номинальную рабочую частоту. На первом и втором выходе двухполупериодного выпрямителя 4 появляются непрерывно следующие друг за другом полусинусоидальные сигналы положительной полярности. С первого выхода двухполупериодного выпрямителя 4 полусиносоидальные сигналы положительной полярности поступают в определитель 5 нуля - блок определения перехода синусоидального сигнала через ноль - и в моменты нулевого потенциала превращаются определителем 5 нуля в импульсы положительной полярности, следующие непрерывно с постоянным интервалом во времени. С выхода определителя 5 нуля полусинусоидальные сигналы положительной полярности поступают в делитель 6 частоты периодов сигналов, где непрерывно следующие импульсы по заданной блоком 8 управления программе делятся в соотношении 1:1, 1:2, 1:3, 1:4, 1:5, 1:6 или 1:N. Далее непрерывно следующие друг за другом полусинусоидальные сигналы положительной полярности поступают на первый вход блока 7 пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности, совпадающих с выходным сигналом делителя 6 частоты. На второй вход блока 7 поступают полусинусоидальные сигналы положительной полярности, чередующиеся с разной скважностью. На выходе блока 7 появляются только те полуволны синусоидальных сигналов, выход которых разрешается выходными импульсами делителя 6 частоты, что позволяет регулировать в итоге энергию, подаваемую на резонансный контур, не меняя режима работы силового транзистора VT₂ . Выход блока 7 подключается к базе слаботочного транзистора VT₁ с n-p-n переходом, которая через резистор R ₃ подключается к земле, что обеспечивает запертое состояние слаботочного транзистора VT₁ в отсутствии положительной полярности положительных полуволн синусоидальных сигналов. На базу слаботочного транзистора VT₁, подключенного к выходу блока 7, подаются управляющие сигналы, представляющие из себя положительные полупериоды синусоидального сигнала. Силовой транзистор VT₂ является транзистором с односторонней проводимостью, работающим в ключевом режиме. Для того чтобы силовой транзистор VT₂ не открылся при отрицательном полупериоде, потенциалы на базе и эмиттере должны быть равны. Для этого преобразователь имеет резистор R₂, между базой и эмиттером силового транзистора VT₂, и конденсатор С₁ после резистора R₁ с ползунком. С ползунка резистора через конденсатор C₁ полусинусоидальный сигнал положительной полярности поступает на базу силового транзистора VT₂ . Амплитуду синусоидального сигнала можно регулировать ползунком резистора R₁. Ползунок резистора R₁ позволяющий менять сопротивление резистора, а, следовательно, режим работы силового транзистора VT₂, подключается к базе силового транзистора VT₂, что является дополнительным вторым регулятором мощности, подаваемой на резонансный контур, подключенного к эмиттеру силового транзистора VT₂, коллектор которого подключается к мощному источнику 1 постоянного напряжения. С изменением положения ползунка резистора R₁ меняется уровень напряжения синусоидального сигнала, поступающего на базу силового транзистора VT₂, что меняет ток, поступающий через силовой транзистор VT₂, на вход резонансного контура, параметры которого рассчитываются таким образом, чтобы собственная частота резонансного контура совпадала с частотой генератора 2 синусоидального напряжения. Отбираемая в нагрузку энергия восполняется энергией, поступающей в резонансный контур, уровень которой регулируется уровнем напряжения, снимаемого ползунком резистора.

Таким образом, использование предлагаемой полезной модели позволит упростить силовую часть преобразователя постоянного напряжения в переменное, уменьшить потери электрической энергии при преобразовании, а также повысить надежность работы при сохранении высокой стабильности частоты переменного тока на выходе преобразователя за счет возможности улучшения регулировочных характеристик выходной мощности преобразователя в широких пределах - от самой минимальной мощности до самой максимально возможной.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное синусоидальное, содержащий мощный источник постоянного высокого напряжения, маломощный источник постоянного низкого напряжения, генератор синусоидального напряжения, стабилизированный по частоте кварцевым стабилитроном, выполненный на полупроводниковом элементе в микроминиатюрном исполнении и подключенный к маломощному источнику постоянного низкого напряжения, слаботочный транзистор VT₁ с n-p-n переходом, силовой транзистор VT₂ с n-p-n переходом, резистор R₁ с ползунком для снятия переменного напряжения и изменения его по величине, резистор R₂, конденсатор C₁ и резонансный контур, содержащий параллельно соединенные конденсатор C₂ и индуктивности L₁ и L ₂, с выхода которой снимается энергия нагрузки, при этом частота резонансного контура совпадает с номинальной рабочей частотой генератора синусоидального напряжения, отличающийся тем, что в него дополнительно введены блок управления и последовательно соединенные двухполупериодный выпрямитель, определитель нуля, делитель частоты периодов синусоидального сигнала, блок пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности, при этом блок управления соединен со вторым входом делителя частоты периодов синусоидального сигнала, вход двухполупериодного выпрямителя подключен к выходу генератора синусоидального напряжения, а второй выход - ко второму входу блока пропуска полусинусоидальных сигналов положительной полярности, выход которого соединен с началом дополнительно введенного резистора R₃ и с базой слаботочного транзистора VT₁ с n-p-n переходом, коллектор которого подключен к маломощному источнику постоянного низкого напряжения, а эмиттер - к началу резистора R₁ с ползунком для снятия переменного напряжения и изменения его по величине, подключенным к одной обкладке конденсатора С₁, другая обкладка которого одновременно подключена к началу резистора R₂ и к базе силового транзистора VT₂ с n-p-n переходом, коллектор которого подключен к мощному источнику постоянного высокого напряжения, а эмиттер - к концу резистора R₂ и к началу резонансного контура, причем конец резонансного контура, а также концы резисторов R₁ и R₃ одновременно заземлены.