Регулируемый преобразователь переменного напряжения
Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании преобразователей переменного первичного напряжения одной амплитуды в регулируемое или стабилизируемое по амплитуде переменное вторичное напряжение той же частоты, причем гальванически не связанное с первичным и, возможно, - улучшенной формы.
Техническим результатом предложения является снижение массы, габаритов и стоимости устройства.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в регулируемый преобразователь переменного напряжения, содержащий четыре двунаправленных управляемых ключа 1, 2, 3, 4 со схемой управления 5, подключенной своим выходом к их управляющим выводам, и трансформатор 6, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным 7, 8 и выходным 9, 10 зажимам, причем первый вывод первой обмотки подключен к двум входным зажимам через первый и второй ключи, соответственно, отличающиеся тем, что в него введены четыре конденсатора 11, 12, 13, 14, причем второй вывод первой обмотки трансформатора подключен к двум входным зажимам через первый и второй конденсаторы, соответственно, а два вывода второй обмотки трансформатора подключены к двум выходным зажимам через третий и четвертый ключи и через третий и четвертый конденсаторы таким же образом, что и выводы первой обмотки к двум входным зажимам, а также тем, что каждый двунаправленный управляемый ключ состоит из двух последовательно-встречно соединенных транзисторов, зашунтированных соответствующими обратными диодами.
Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании преобразователей переменного первичного напряжения одной амплитуды в регулируемое или стабилизируемое по амплитуде переменное вторичное напряжение той же частоты, причём гальванически не связанное с первичным и, возможно, - улучшенной формы.
Известны регулируемые преобразователи переменного напряжения, состоящие из выпрямителя с импульсным корректором коэффициента мощности, фильтра и инвертора с синусоидальным выходным напряжением (известны системы бесперебойного питания, системы питания электроприводов переменного тока и т.п.).
К недостаткам известных регулируемых преобразователей переменного напряжения относятся: неспособность рекуперации в сеть реактивной мощности нагрузки; большие масса, габариты и стоимость из-за сложности схемы обеспечения синусоидальности формы выходного напряжения, низкая надежность и низкий КПД из-за каскадного преобразования и гальваническая связь выхода со входом.
Известны регулируемые преобразователи переменного напряжения, содержащие двунаправленные управляемые ключи со схемой импульсного управления ключами и трансформатор, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным или выходным зажимам (Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт. 1998 г., стр. 177, рис.5.9а-г).
Недостатком известных регулируемых преобразователей переменного напряжения являются большие масса, габариты и стоимость устройства из-за низкой частоты основной гармоники напряжения питания трансформатора (например, 50 Гц при питании от общепромышленной сети).
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является регулируемый преобразователь переменного напряжения (см. там же, на стр.177, рис.5г).
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является снижение массы, габаритов и стоимости устройства.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в регулируемый преобразователь переменного напряжения, содержащий четыре двунаправленных управляемых ключа со схемой управления, подключённой своим выходом к их управляющим выводам, и трансформатор, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным и выходным зажимам, причём первый вывод первой обмотки подключён к двум входным зажимам через первый и второй ключи, соответственно, введены четыре конденсатора, причём второй вывод первой обмотки трансформатора
подключён к двум входным зажимам через первый и второй конденсаторы, соответственно, а два вывода второй обмотки трансформатора подключены к двум выходным зажимам через третий и четвёртый ключи и через третий и четвёртый конденсаторы таким же образом, что и выводы первой обмотки к двум входным зажимам, а также тем, что каждый двунаправленный управляемый ключ состоит из двух последовательно-встречно соединённых транзисторов, зашунтированных соответствующими обратными диодами.
По существу, технический результат обеспечивается благодаря тому, что трансформатор работает не на низкой частоте питания устройства (например, 50 Гц), а на частоте импульсной модуляции управляемых ключей (например, 20-70 кГц при использовании транзисторов).
Дополнительным техническим результатом предложения являются:
гальваническая развязка между входом и выходом и отсутствие коммутационных перенапряжений и сверхтоков в транзисторных ключах благодаря наличию цепей рекуперации электромагнитной энергии рассеяния обмоток трансформатора и исключению режимов их короткого замыкания и сквозных транзисторных цепей.
Лабораторные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного регулируемого преобразователя переменного напряжения.
На фиг.1 приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого регулируемого преобразователя переменного напряжения.
На фиг.2 показаны временные диаграммы напряжений на входных (U1) и выходных (U 2) зажимах и на обмотках трансформатора (UT).
Регулируемый преобразователь переменного напряжения содержит четыре двунаправленных управляемых ключа 1, 2, 3, 4 со схемой управления 5, подключённой своим выходом к их управляющим выводам, и трансформатор 6, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным 7, 8 и выходным 9, 10 зажимам, а также четыре конденсатора 11, 12, 13, 14. Первый вывод первой обмотки трансформатора 6 подключён к двум входным зажимам 7, 8 через первый 1 и второй 2 ключи, соответственно, а второй вывод той же обмотки - к тем же зажимам через первый 11 и второй 12 конденсаторы, соответственно. Два вывода второй обмотки трансформатора подключены к двум выходным зажимам 9, 10 через третий 3 и четвертый 4 ключи и через третий 13 и четвертый 14 конденсаторы таким же образом, что и выводы первой обмотки к двум входным зажимам.
Обмотки трансформатора 6 могут содержать также вспомогательные отпайки, которые с помощью дополнительно введённых вспомогательных двунаправленных ключей (например, механических и электромеханических) могут быть подключены к тем же общим точкам соединения ключей (1, 2 или 3, 4) или конденсаторов (11, 12 или 13, 14).
Каждый двунаправленный управляемый ключ (1-4) состоит из двух последовательно-встречно соединённых транзисторов, зашунтированных соответствующими обратными диодами, как показано на фиг.1.
Регулируемый преобразователь переменного напряжения работает следующим образом.
В пределах каждого полупериода низкочастотного входного переменного напряжения (U 1) ключи 1, 2 и конденсаторы 11, 12 работают в режиме известного полумостового инвертора высокочастотного прямоугольного переменного напряжения (UT) с широтно-импульсной модуляцией, т.е. в режиме модулятора (см. фрагмент напряжения трансформатора U T на фиг.2). Так, например, в пределах полупериода с положительным напряжением U1 периодически поочередно с высокой постоянной частотой включаются верхние транзисторы ключей 1 и 2, а их нижние транзисторы постоянно открыты. При этом с помощью выбора величины относительной длительности (ширины) импульсов можно регулировать амплитуду синусоидальной кривой средневыпрямленных импульсных значений. В пределах того же полупериода ключи 3, 4 выполняют роль управляемого выпрямителя, т.е. демодулятора. Для этого достаточно на все время полупериода открыть нижние транзисторы ключей 3 и 4. При этом напряжение на выходных зажимах 9, 10 будет отфильтровано с помощью конденсаторов 13, 14 (см. кривую U2 на фиг.2).
В течение следующего полупериода с отрицательным напряжением U1 модуляция осуществляется аналогичным образом с помощью нижних транзисторов ключей 1 и 2 (при этом верхние постоянно открыты), а выпрямление (циклоконверторная демодуляция) - с помощью верхних транзисторов ключей 3 и 4. Далее процессы периодически повторяются с частотой питания.
Следует отметить, что в течение пауз между включениями транзисторов ключей электромагнитная энергия рассеяния первичных обмоток трансформатора рекуперирует обратно в конденсаторы 11, 12 через постоянно открытые транзисторы ключей 1 и 2.
Если преобразователь работает на индуктивную или индуктивно-активную нагрузку, то на интервалах рекуперации индуктивной энергии в питающую сеть пары ключей 1, 2 и 3, 4 меняются ролями, т.е. ключи 3, 4 вместе с конденсаторами 13, 14 выполняют роль инверторов (модуляторов), а ключи 1, 2 - роль выпрямителей (циклоконверторных демодуляторов).
Таким образом, несмотря на низкочастотное преобразование (50 Гц) транформаторные обмотки питаются только высокочастотным (без существенных субгармоник) напряжением (20-70 кГц), багодаря чему снижается масса, габариты и стоимость всего устройства. При этом осуществляется гальваническая развязка между входом и выходом, а также отсутствуют коммутационные перенапряжения и сверхтоки в транзисторных ключах благодаря наличию цепей рекуперации электромагнитной энергии рассеяния обмоток трансформатора и исключению режимов их короткого замыкания и сквозных транзисторных цепей (при гарантированной минимальной величине межкоммутационных пауз).
1. Регулируемый преобразователь переменного напряжения, содержащий четыре двунаправленных управляемых ключа со схемой управления, подключенной своим выходом к их управляющим выводам, и трансформатор, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным и выходным зажимам, причем первый вывод первой обмотки подключен к двум входным зажимам через первый и второй ключи соответственно, отличающийся тем, что в него введены четыре конденсатора, причем второй вывод первой обмотки трансформатора подключен к двум входным зажимам через первый и второй конденсаторы соответственно, а два вывода второй обмотки трансформатора подключены к двум выходным зажимам через третий и четвертый ключи и через третий и четвертый конденсаторы таким же образом, что и выводы первой обмотки к двум входным зажимам.
2. Регулируемый преобразователь переменного напряжения по п.1, отличающийся тем, что каждый двунаправленный управляемый ключ состоит из последовательно-встречно соединенных транзисторов, зашунтированных соответствующими обратными диодами.
