Преобразователь постоянного тока в постоянный с магнитно-связанными индуктивностями

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, преобразовательной техники и электроники и может быть использована для энергоснабжения разветвленной сети потребителей постоянного тока, которым требуется селективная защита при коротких замыканиях, а также для питания потребителей, которым необходим широкий диапазон изменения уровня питающего напряжения по отношению к уровню напряжения первичного источника питания. В качестве такого источника может служить солнечная батарея, электрохимический генератор или другой нетрадиционный источник электроэнергии. Преобразователь постоянного тока в постоянный с магнитно-связанными индуктивностями содержит первую индуктивность 1, вторую индуктивность 2, магнитно-связанную с первой, первый конденсатор 3, второй конденсатор 4, третий конденсатор 5, диод 6, третью индуктивность 7, полупроводниковый ключ 8 с первым электродом 9, вторым электродом 10, третьим электродом 11 и системой управления 12. Причем первый вывод 13 индуктивности 1 подключен к первому входу 14 от источника питания, второй вывод 15 индуктивности 1 соединен с первым выводом 16 конденсатора 3 и с первым электродом 9 ключа 8, первый вывод 17 индуктивности 2 соединен с анодом 18 диода 6, катод 19 которого подключен к первому выводу 20 конденсатора 4, второй вывод 21 индуктивности 2 соединен со вторым электродом 10 ключа 8, со вторым выводом 23 конденсатора 5, первый вывод 22 конденсатора 5 соединен со вторым выводом 24 конденсатора 4 и с первым выводом 25 третьей индуктивности 7, второй вывод 26 третьей индуктивности 7 соединен с анодом 18 диода 6, с выводом 17 индуктивности 2, вторым выводом 27 конденсатора 3 и со вторым входом 28 от источника питания. Между вторым электродом 10 и третьим электродом 11 ключа 8 включена его система управления 12. Ил. 1.

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, преобразовательной техники и электроники и может быть использована для энергоснабжения разветвленной сети потребителей постоянного тока, а также для питания потребителей постоянного тока, которым необходим широкий диапазон изменения уровня питающего напряжения по отношению к уровню напряжения первичного источника питания. В качестве такого источника может служить солнечная батарея, электрохимический генератор или другой нетрадиционный источник электроэнергии.

Известно устройство для преобразования постоянного тока в постоянный с возможностью повышения и понижения выходного напряжения по отношению к уровню напряжения источника питания, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый и второй конденсаторы, полупроводниковый ключ и систему управления полупроводниковым ключом, причем, первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора и с первым электродом ключа, первый вывод второй индуктивности соединен с анодом диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен со вторым выводом второй индуктивности, второй электрод ключа соединен со вторым входом от источника питания, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления. (Силовая электроника. Розанов Ю.К., Рябчинский М.В., Кваснюк А.А.- Учебник для ВУЗов/ М., Издательский дом МЭИ, 2007, с.331).

Недостатками устройства являются повышенная нагрузка по току полупроводниковых приборов из-за того, что по ключу и диоду проходят токи нагрузки и источника питания, что увеличивает в них потери и снижает к.п.д. устройства. Кроме того, в устройстве ограничена возможность увеличения уровня выходного напряжения по отношению к входному, т.к. в нагрузку передается энергия, накопленная только в одном реактивном элементе - в конденсаторе.

Наиболее близким к предлагаемой полезной модели по технической сущности является устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, позволяющее повышать и понижать уровень выходного напряжения по отношению к напряжению источника питания, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, первый, второй и третий конденсаторы, первый и второй диоды, полупроводниковый ключ с системой управления, причем, первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора и с первым электродом полупроводникового ключа, первый вывод второй индуктивности соединен со вторым входом от источника питания, с анодом первого диода, катод которого подключен к первому выводу второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом третьего конденсатора и с анодом второго диода, катод которого соединен с анодом первого диода, со вторым выводом первого конденсатора и со вторым входом от источника питания, второй вывод второй индуктивности соединен со вторым выводом третьего конденсатора и со вторым электродом ключа, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления. (Патент на полезную модель 81013 Универсальный преобразователь постоянного тока в постоянный Бюл. 6 от 27.02.2009. Прототип).

Недостатком устройства является ограниченная возможность увеличения уровня выходного напряжения по отношению к входному, т.к. в нагрузку передается энергия, накопленная только в двух реактивных элементах: во втором конденсаторе и во второй индуктивности. Кроме того, ток заряда третьего конденсатора через диод носит импульсный характер и имеет значительную амплитуду, что существенно увеличивает эффективное значение тока зарядного контура, снижая к.п.д. устройства.

Поставленная задача, решаемая предлагаемой полезной моделью, заключается в устранении этих недостатков, а именно в повышении уровня выходного напряжения устройства по отношению к входному и снижении эффективного значения тока в контуре заряда конденсатора для снижения электрических потерь и повышения к.п.д. устройства.

Поставленная задача решается тем, что в устройство для преобразования постоянного тока в постоянный, содержащее первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый, второй и третий конденсаторы, полупроводниковый ключ и систему управления полупроводниковым ключом, в котором первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, второй вывод первой индуктивности соединен с первым выводом первого конденсатора и с первым электродом ключа, первый вывод второй индуктивности соединен со вторым входом от источника питания, со вторым выводом первого конденсатора и с анодом диода, катод которого соединен с первым выводом второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора подключен к первому выводу третьего конденсатора, второй вывод третьего конденсатора соединен со вторым выводом второй индуктивности и со вторым электродом ключа, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления, дополнительно введена третья индуктивность, причем первый вывод третьей индуктивности соединен с первым выводом третьего конденсатора, а второй вывод третьей индуктивности соединен с анодом диода и со вторым входом от источника питания.

Физическая сущность предлагаемой полезной модели состоит в изменении характера тока заряда третьего конденсатора в виде узких импульсов и придании этому току колебательного характера, близкого к синусоидальному, что снижает электрические потери в зарядном контуре и повышает к.п.д. устройства в целом. Повышение выходного напряжения по сравнению с прототипом достигается за счет использования энергии дополнительной третьей индуктивности и за счет более эффективного использования имеющихся реактивных элементов в новой структурной схеме устройства, которая позволяет накапливать в них больше энергии.

На фиг.1 приведена принципиальная электрическая схема предлагаемой полезной модели.

Преобразователь постоянного тока в постоянный с магнитно-связанными индуктивностями, схема которого показана на фиг.1, содержит первую индуктивность 1, вторую индуктивность 2, магнитно-связанную с первой, первый конденсатор 3, второй конденсатор 4, третий конденсатор 5, диод 6, третью индуктивность 7, полупроводниковый ключ 8 с первым электродом 9, вторым электродом 10, третьим электродом 11 и системой управления 12. Причем, первый вывод 13 индуктивности 1 подключен к первому выводу 14 от источника питания, второй вывод 15 индуктивности 1 соединен с первым выводом 16 конденсатора 3 и с первым электродом 9 ключа 8, первый вывод 17 индуктивности 2 соединен с анодом 18 диода 6, катод 19 которого подключен к первому выводу 20 конденсатора 4, второй вывод 21 индуктивности 2 соединен со вторым электродом 10 ключа 8, со вторым выводом 23 конденсатора 5, первый вывод 22 конденсатора 5 соединен со вторым выводом 24 конденсатора 4 и с первым выводом 25 третьей индуктивности 7, второй вывод третьей индуктивности 7 соединен с анодом 18 диода 6, с выводом 17 индуктивности 2, со вторым выводом 27 конденсатора 3 и со вторым входом 28 от источника питания. Между вторым электродом 10 и третьим электродом 11 ключа 8 включена его система управления 12.

Преобразователь постоянного тока постоянный с магнитно-связанными индуктивностями работает следующим образом. Процессы, протекающие в полезной модели, можно проследить по диаграмме, представленной на фиг.1.

В установившемся режиме при замкнутом ключе 8 ток индуктивности 1 равен току индуктивности 2, т.к. они включены последовательно. Соответственно, средние значения этих токов равны входному току Id устройства от источника питания, что следует из анализа структурной схемы преобразователя. Пульсационная составляющая токов может не учитываться при рассмотрении качества процессов, т.к. она мала. В этом режиме происходит накопление энергии в реактивных элементах устройства.

В момент времени t1, определяемый сигналом Uзг системы управления, размыкается электронный ключ 8. При этом формируются две цепи передачи в нагрузку энергии, накопленной в реактивных элементах устройства от источника питания. Первая цепь состоит из конденсатора 5 и включенной последовательно с ним индуктивности 2. Параллельно первой цепи к контуру нагрузки подключается вторая цепь в виде индуктивности 7. Обе цепи замыкаются на нагрузку через диод 6, обеспечивающий отделение повышенного напряжения нагрузки от остальных элементов устройства. С момента t1 начинается перезаряд конденсатора 5, который происходит до точки t3, что прослеживается по кривой Uкон5 на графике 1. В точке t3 напряжение на конденсаторе 5 достигает максимума со знаком, противоположным тому, что был в момент t1.

На графике 2 диаграммы видно, что с момента времени t1 до момента t0 ток Iвхн на входе контура нагрузки складывается из тока Iкон5 первой параллельной цепи и тока IL7 второй параллельной цепи. Численные значения токов отмечены на графике в точках t4 и t5. Из анализа кривых токов на графиках 2 и 3 следует, что при выключенном ключе 8 ток первой параллельной цепи - кривая Iкон5, - равен току Id на входе устройства, т.е. ток индуктивности 2 равен току Id, что и отмечалось выше.

Среднее за период рабочей частоты устройства значение тока Iвхн должно быть равным току нагрузки. Действительно, на графике 3 видно, что кривая Iн тока нагрузки и кривая Iнср среднего значения тока Iвхн сливаются после завершения переходного процесса в пусковом режиме. Анализ структуры составляющих тока Iвхн, передающего энергию от источника питания в нагрузку, показывает, что эта энергия складывается из энергии, накопленной в конденсаторе 5, индуктивности 7, индуктивности 2 и магнитно-связанной с ней индуктивности 1. Увеличенное количество реактивных элементов, передающих накопленную энергию в нагрузку, определяет возможность повышения выходного напряжения в предлагаемой модели по сравнению с прототипом. Кроме того, структура электрических связей элементов предлагаемой модели позволяет увеличить уровень энергии, накапливаемой во всех этих элементах.

Уровень накопленной в реактивных элементах устройства определяется величиной тока Id, которая устанавливается в переходном процессе, состоящем из нескольких циклов перезарядки конденсатора 5. К моменту t1 напряжение на конденсаторе 5 достигает максимума. С этого момента после выключения ключа 8 начинается его разряд до момента t0 в контуре: конденсатор 5 - индуктивность 2 - контур нагрузки - конденсатор 5. Далее, с момента t0 до момента t2 разряд продолжается по контуру: конденсатор 5 - индуктивность 2 - индуктивность 7 - конденсатор 5 за счет энергии индуктивности 2 и магнитно-связанной с ней индуктивности 1. На этом интервале меняется полярность напряжения на конденсаторе 5. На интервале t1-t0 ток в индуктивности 7 возрастает до уровня тока индуктивности 2. С момента t2 до момента t3 накопленная на интервале t1-t0 энергия в индуктивности 7 начинает заряжать конденсатор 5 по контуру: индуктивность 7 - конденсатор 5 - конденсатор 3 - индуктивность 7. Таким образом, структурная схема предлагаемой модели позволяет с помощью введенной в нее индуктивности 7 передать в конденсатор 5 дополнительную энергию от индуктивности 2 и индуктивности 1, что связано с увеличением тока Id, которое обеспечивает необходимый энергетический баланс в преобразовательном устройстве. Таким образом, решается задача увеличения накопленной энергии в реактивных элементах устройства, что позволяет повысить уровень выходного напряжения по сравнению с прототипом.

Далее, с момента t3 направление тока конденсатора 5 и индуктивности 7 меняется на противоположное. Конденсатор 5 перезаряжается в колебательном режиме по контуру: конденсатор 3 - конденсатор 5 - индуктивность 7 - конденсатор 3 до момента t4, когда накопления в нем максимальная за период работы энергия в новом цикле начинает передаваться в нагрузку после очередного выключения ключа 8.

Описанные процессы перезаряда конденсатора 5 иллюстрируются кривыми токов и напряжений на элементах предлагаемой модели, приведенных на графиках 1 и 2 диаграммы.

Синусоидальный характер тока в контуре перезаряда конденсатора 5, с частотой, близкой к рабочей частоте устройства, снижает эффективность тока контура, что уменьшает в нем электрические потери и повышает к.п.д. устройства.

На фиг.3 представлены сравнительные регулировочные характеристики предлагаемой полезной модели - кривая Uнагр1, и прототипа - кривая Uнагр2. Характеристики построены по результатам расчета моделей с помощью программы Micro-Cap 7.1 при одинаковых параметрах основных элементов, равных условиях нагружения и режимах работы. Напряжение источника питания было принято равным 12 Вольт. Регулировка выходного напряжения проводилась при изменении коэффициента скважности Кскв от значения, близкого к единице до Кскв=8.

Анализ изменения уровня выходного напряжения преобразователей с изменением Кскв показывает, что уровень выходного напряжения Uнагр1 предлагаемой модели в широком диапазоне выше уровня выходного напряжения Uнагр2 прототипа. При этом, кривая Uнarp1 имеет большую крутизну, чем кривая Uнагр2, что обеспечивает более эффективное регулирование выходного напряжения и, соответственно, более эффективное ограничение аварийного тока при селективном отключении аварийного потребителя в многонагрузочной системе.

На фиг.4 представлены сравнительные нагрузочные характеристики предлагаемой полезной модели - кривая Uнагр1,- и прототипа - кривая Uнагр2. Кривые изменения уровня выходного напряжения с изменением нагрузочного сопротивления построены для фиксированного значения Кскв.

По характеристикам, представленным на фиг.3 и фиг.4, можно судить о преимуществах предлагаемой полезной модели над прототипом в части получения на выходе преобразователя более высокого напряжения.

Преобразователь постоянного тока в постоянный с магнитно-связанными индуктивностями, содержащий первую и вторую магнитно-связанные индуктивности, диод, первый, второй и третий конденсаторы, полупроводниковый ключ и систему управления полупроводниковым ключом, в котором первый вывод первой индуктивности подключен к первому входу от источника питания, второй вывод первой индуктивности соединён с первым выводом первого конденсатора и с первым электродом ключа, первый вывод второй индуктивности соединен со вторым входом от источника питания, со вторым выводом первого конденсатора и с анодом диода, катод которого соединён с первым выводом второго конденсатора, второй вывод второго конденсатора соединен с первым выводом третьего конденсатора, второй вывод третьего конденсатора подключен ко второму выводу второй индуктивности и ко второму электроду ключа, а между вторым и третьим электродами ключа включена его система управления, отличающийся тем, что дополнительно введена третья индуктивность, причем первый вывод третьей индуктивности соединен с первым выводом третьего конденсатора, а второй вывод третьей индуктивности соединен с анодом диода и со вторым входом от источника питания.