Импульсный преобразователь постоянного напряжения

 

ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий источник питания, токоограничивающий реактор, основная обмотка которого. включена последовательно с силовым вентилем, а дополнительная - с рекуперирующим диодом, коммутирующий ключевой элемент и выводы для подключения нагрузки,, о т л и ч а ю щи и с я тем,.что, с целью повышения КПД и надежности, а также улучшения массогабаритных показателей, введены включенный между положительным и отрицательным полюсами источника питания емкостной делитель напряжения с числом последовательно соединенных конденсаторов, равным N, где N 2, 3 ..., и (N-I) соединенных указанным образом аналогичных дополнительных обмоток токоограничивающего реактора и рекуперирующих диодов, причем начало основной и конец первой дополнительной обмотки подключены к положительному полюсу источника питания, а начало первой дополнительной обмотки подключено через первый рекуперирующий диод в обратном направлении,к общей точке соединения первого и последующего конденсаторов делителя напря- § жения, а также конца последующей (Л дополнительной обмотки, конец последней дополнительной обмотки подс: соединен к общей точке предпоследнего , и последнего конденсаторов делителя , а начало этой обмотки через последний рекуперирующий диод в обратном направлении подсоединено к отрицательному полюсу источНика питания. 01 4 СП s

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (д) Н 02 М 3/135

Г

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМЪ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3359970/24-07 (22) 04.1 2. 81 (46) 30. 04. 83. Бюл . 9 16(72) (0.П. Гончаров, Н.A.Òèì÷åíêo и С.М. Никулочкин (71) Харьковский ордена Ленина политехнический институт им. В.И.Ленина (53) 621.314.1(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

9 312363, кл. Н 02 Р 3/14, 1970.

2; Авторское свидетельство СССР

9 543106 кл. Н 02 М 3/04, 1977.

3.. Патент ФРГ Р 2424369, кл. Н 02 М 3/135, 1974. (54)(57) ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий ист6чник питания, токоограничивающий реактор, основная обмотка которого включена последовательно с силовым вентилем, а дополнительная — с рекуперирующим диодом, коммутирующий ключевой элемент и выводы для подключения нагрузки,. о т л и ч а ю— шийся тем,-.что, с целью повышения КПД и надежности, а.также улучшения массогабаритных показателей, введены включенный между положитель„;SU„„1015475 А ным и отрицательным полюсами источника питания емкостной. делитель напряжения с числом последовательно соединенных конденсаторов, равным

N, где Й = 2, 3 ..., и (й-1} соединенных указанным образом аналогичных дополнительных обмоток токоограничивающего реактора и рекуперирую щих диодов, причем начало основной и конец первой дополнительной обмотки подключены к положительному полюсу источника питания, а начало первой дополнительной обмотки подключено через первый рекуперирующий диод в обратном направлении, к общей точке соединения первого и последующего конденсаторов делителя напряжения, а также конца последующей дополнительной обмотки, конец последней .дополнительной обмотки подсоединен к общей точке предпоследнего и последнего конденсаторов делителя, а начало этой обмотки через последний рекуперирующий диод в . обратном направлении подсоединено к отрицательному полюсу источника питания.

1015475

Изобретение относится к преобразовательной электротехнике, в частнос-. ти и импульсным преобразователям постоянного напряжения, и может найти применение в системах электроприво.да, электроснабжения и электротех- 5 нологии.

Известны импульсные преобразователи постоянного напряжения, которые содержат источник питания, силовые вентили и нагрузку, а в коммутирую-, 10 щее устройство помимо коммутирующих вентилей и LC-цепи входят токоогра„ничивающий реактор с основной и дополнительными обмотками и рекуперирующим вентилем (1 и (2 .

Если соотношение витков основной Wq и дополнительной W обмоток реактора

W /W 7i 1, то интервал размагничива-.

1 ния магнитопровода сокращается, но при этом напряжение на выходе коммутирующего устройства превышает напряжение источника питания на величину напряжения на обмотке М1. Если нагрузка некритична к этому, то для надежной работы преобразователя необходимо применять коммутирующие и силовые вентили с увеличенным клас.сом по напряжению, что повышает их установленную мощность.

Если соотношение витков .W /Wg <с1, то указанные недостатки уменьшаются, Однако при подключении нагрузки и в коммутационном интервале накопле-: ние энергии в магнитопроводе токоограничивающего реактора происходит при напряжении на дополнительной обмотке, значительно превышающем напряжение источника. Это напряжение прикладывается в обратном направлении к вентилю, посредством которого происходит рекуперация энергии, на- 40 копленной B магнитопроводе. В указанных устройствах этот вентиль имеет высокий класс по напряжению, либо заменяется последовательным соединением вентилей с устройствами деле- 45 ния напряжения в статическом и динамическом режимах. Потери в делителе напряжения снижают, КПД преобразователя. Обмотки токоограничивающего реактора должны иметь высокий класс изоляцин, чтО увеличивает габариты этого реактора.

Наиболее близким к предлагаемому являетея импульсный преобразОйатель постоянного напряжения, содержащий источник питания, силовые вентили, коммутирующий ключевой элемент, ..вхлючающий коммутирующую LC-цепь и коммутирукиций вентиль, токоограничивающий реактор с основной и дополнительной обмотками и рекуперирующий @1 диод (31.

Недостатками известного устройства являются уменьшенная надежность работы вентилей, сниженный КПД преобразователя и ухудшение массогаба- 65 ритных показателей токоограничивающего реактора из-за перенапряжений, возникающих при работе устройства.

Цель изобретения - повышение.КПД и надежности, а также улучшение массогабаритных показателей импульсного преобразователя постоянного напряжения с:токоограничивающим реактором.

Поставленная цель достигается тем, что в импульсном преобразователе постоянного напряжения, содержащем источник питания, токоограничивающий реактор, основная обмотка которого включена последовательно с силовым вентилем, а дополнительнаяс рекуперирукицим диодом, коммутирую щий ключевой элемент и выводы для подключения нагрузки, введены включенный между положительным и отрицательным полюсами источника питания емкостной делитель напряжения с числом последовательно соединенных конденсаторов, равным М, где М

2,3...,и М-1 соединенных указанным образом аналогичных дополнительных обмоток токоограничивающего .реактора и рекуперирующих диодов, причем начало основной и конец первой дополнительной обмоток подключены к .положительному полюсу источника питания, а начало первой дополнительной обмотки подключено через первый рекуперирующий диод в Обратном направлении к общей очке соединения первого и последующего конденсаторов делителя напряжения, а также конца последующей дополнительной обмотки, конец последней дополнительной обмотки подсоединен к общей точке предпоследнего и последнего конденсаторов делителя, а начало этой обмотки через последний реку перирующий диод в обратном направлении цодсоединено к отрицательному полюсу источника питания.

На фиг. 1 приведена схема предлагаемого преобразователя; на фиг. 2 временные диаграммы токов и напряжений, возникающих .при работе устройства.

Импульсный преобразователь постоянного напряжения содержит источник 1 питания, емкостной делитель 2 напряжения, состоящий из последовательно соединенных. конденсаторов

3-5; токоограничивакиций реактор 6 с основной 7 и дополнительными обмотками 8-10, рекуперирующче диоды

11-13, коммутирукиций. ключевой элемент 14, блок 15 силовых вентилей и нагрузку 16.

К положительному полюсу источника 1 питания подключено начало основной обмотки 7 токоограничивающего реактора 6, конец обмотки 7 соединен с общей точкой подключения коммутирующего ключевого элемента 14 и блока 15 силовых вентилей, соединен1015475.ного по схеме реверсивного или обратимого преобразователя с нагрузкой

16. К второй общей точке элемента

14 и блока 15 подсоединен отрицательный полюс источника 1. Между поло- . жительным и отрицательным полюсами источника 1 подключен емкостной делитель 2 напряжения. Количество конденсаторов делителя 2 определяется классом по напряжению рекуперирующих диодов 11,-13. Конец первой из допол- 10 нительиых обмоток 8 реактора 6 подключен к положительному полюсу источника 1 питания, а начало обмотки

8 подсоедийено к катоду первого ре-. куперирующего диода 11 (при этом 15 число рекуперирующих диодов и число- дополнительных обмоток реактора.б.равно числу последовательно соединен-. ных конденсаторов делителя 2 ). Анод диода 11.подключен к общей точке соединейия конденсаторов З.и 4 делителя 2 и последующей дополнительной обмотки. 9. Начало обмотки 9 подсоединено к катоду последующего рекуперирующего диода 12, а анод диода

12 подключен к общей точке соединения конденсаторов 4 и 5 и конца дополнительной обмотки 10. Начало обмотки 10 нодсоедияено к катоду рекуперирующего диода 13, а анод диода -13 подсоединяется к общей точке соединения последующих конденсаторов. емкостного делителя 2 и конца последующей дополнительной обмотки 6.

Анод последнего рекуперирующего. диодад .совпадающего с числом конденсаторов . делителя 2,:подключен к отрицательному полюсу источника 1 питания.

Преобразователь. работает следующим образом.

При подаче напряжения питания 0„ 40 (момент времени t на фиг. 2) на каждом из и кондейсаторов делителя

2 устанавливается.разность потенциалов:01/n". Для ка кдого из рекуперирующих диоцов 11-.13 это наиряже" 45 ние,прикладывается s обратном направлении.: . Для реверсивного преобразователя изменения йаправления тока в нагрузке 16 происходит при изменении полярности выходного напряжения преобразователя U>6 . Для обратимого преобразователя изменение направления тока -от источника 1 к нагрузке

16 и от нагрузки .16 к источнику 1 происходит при неизменной полярности вйходного напряжения 0 - . Указанные операции зависят.от схемы соединений и последовательности включений вентилей блока 15.

Рассмотрим прямое преобразование 60 напряжения источника 1 в напряже-. ние на нагрузке 16, В интервале t,„-й (Фиг. 2) в цепи через обмотку 7, вентили блока 15 и нагрузку 16 начинает протекать ток. К каждому иэ, 65 рекуперирующих диодов 11-13 прикладывается обратное напряжение 0 б состоящее из напряжения на одной из дополнительных обмоток реактора 6 и напряжения на.одном из конденсаторов делителя 2 (0> О+ = U5).его величина ,:U,6 =.u W /в%1+О -.u„W 1п% +У /п =

=ф „/п)(% /щ„+1) р где Ы1-и M< — число витков, соответственно, основной 7 и суммарного количества дополнительных обмоток

8 — 10 реактора 6.

Интервал й3й, (фиг. 2) соответствует замкнутому состоянию элемента 14..Выходное напряжение.преобразователя 015 равно нулю .так как напряжение источника 1 приложено к обмотке 7. На каждом из рекуперирующих диодов 11-13 возникает перенапряжение, его величина равна 0он

Длительность коммутационного интервала. выбирается достаточной для восстановления запирающих свойств вентилей блока 15. Приращение тока в обмотке 2 обусловлено приращением .намагиичнвающего:тока реактора б и определяется индуктивйостью этого реактора.

После размякания ключевого элемента 14 в момент 4+ в интервал — t+ происходит рекуперация знер4 гии, накопленной в магнитопроводе реактора 6. Напряжение на обмотках

7-10 изменяет знак., рекуперирующие .диоды 11-13 открываются. Суммарное напряжение на дополнительных обмот ках 8-10 равно -01, а иа каждой из обмоток 8 — 10 равно 01/0. Ток рекуперации протекает в источник 1 по цепи, состоящей из последовательно соединенных обмоток 8 - 10, и диодов 11-13. С момента времени+6 процессы в преобразователе повторяются.

При обратной передаче энергии от нагрузки 16 в источник 1 изменяется временная диаграмма тока в обмотке

7, а процессы коммутации происходят аналогично.

В схеме..прототипа к рекуперирующему диоду в интервалах 1. — 4> и

t> — t+ прикладывается обратное напряжение величиной об =U1 (®я ®1Щ

Поскольку в рассматриваемых преобразователях принято соотнсиаение %j /vjl p) 1, то величина. 0 . =0 и /пж, 2,.Ф 1

О6Р 0- у p q

Это допускает снижение в предлагаемой схеме по сравнению. с схемой прототипа класса рекуперирующих диодов по напряжению примерно в п раз, при этом установленная мощность этих диодов ие возрастает, а надежНость работы преобразователя повыщается..

В схеме прототипа на дополнительной обмотке %2 действуют перенапряже1015475

Llgg

4g (i у

Составитель Т. Добровольскис

Редактор Н. Ковалева Техред Ж.Кастелевич КорректорЕ. Рошко

Тираж 687 ° Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Заказ 3228/50 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 ния ущ =О„ЧЧ /W определяющие класс изоляции. При равенстве суммарного числа витков дополнительных обмоток Ц=1Ц и исходном условии Ф2 /Ф )) 1 класс изоляции обмоток реактора в предлагаемой схеме определяется перенапряжениями, действующими только на одной из дополнительных обмоток, так как эти обмотки разделены закрытыми рекуперирующими диодами. Снижение допустимого класса изоляции обмоток ведет к уменьшению габаритов токоограничивающего реактора.

Исключение цепей выравнивания обратных токов последовательно соединенных рекуперирующих диодов схемы прототипа снижает потери энергии и повышает, тем самым КПД предлагае— мой схемы.

Кроме того, при помощи нагрузки

10-50 кВт и частоте коммутации 250 Гц в предлагаемом устройстве в сравнении со схемой прототипа габариты

10 токоограничивающего реактора меньше примерно в 1,1 раза, а КПД выше примерно в 1,05 раза.