Преобразователь переменного напряжения в постоянное с бестрансформаторным входом

 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания с. бестрансформаторным входом. Цель изобретения - улучшение электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью и улучшение его массогабаритных показателей . Преобразователь содержит три ка-, нала преобразования, входы которых соединены с питающей сетью, имеющей нулевой вывод, а выходы образуют выходные выводы преобразователя. Каждый канал преобразователя состоит из делителя напряжения 1, включенного меж (Л

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИК

А1 (19) (И) (дц 4 Н 02 М 7/155

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4081254/24-07 (22) 02.07.86 (46) 07,01.88 . Бюл. Ф 1 (7 1) Институт электродинамики АН УССР и Специальное конструкторско-технологическое бюро Института электродинамики АН УССР (72) А.К.Шидловский, Ю.И.Драбович, Н.С.Комаров, Г.А.Москаленко, А.В.Козлов и П.С.Бойко (53) 621.314.5 (088.8) (56) Источникивторичного электропитания./Под ред. Ю.И.Конева. — M.: Радио и связь, 1983, с.226.

Авторское свидетельство СССР

У 1078559, кл. H 02 М 7/155, 1984.

Источники электропитания РЭА./Под ред. Г.С.Найвельта. — M. Радио и связь, 1985, с. 401-403. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ С БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВХОДОМ (57) Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве источника вторичного электропитания с. бестрансформаторным входом. Цель изобретения — улучшение электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью и улучшение его массогабаритных показателей. Преобразователь содержит три ка-, нала преобразования, входы которых соединены с питающей сетью, имеющей нулевой вывод, а выходы образуют выходные выводы преобразователя. Каждый канал преобразователя состоит из делителя напряжения 1, включенного меж1365302 ду входными выводами канала, дросселя

2, шунта 3, выпрямителя 4, транзистора 6 со схемой управления 5, диода 7, конденсатора 8, соединенного с входом инвертора 9. Выход инвертора 9 через высокочастотный. трансформатор соединен с входом выходного выпрямителя 11. Датчик 12 выходного напряжения включен между выходными выводами, Его выход соединен с управляющими входами делителей напряжения 1 всех каналов. Транзистор 6 подключен к выходу выпрямителя 4, вход которого через дроссель 2 и шунт 3 соединен с делителем напряжения 1. Входы схемы управления. 5 соединены с выходом де" лителя напряжения 1 и входом выпряИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания источников вторичного электропитания (ИВЭП) с бестрансформаторным входом.

Цель изобретения — улучшение электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью и улучшение его массогабаритных показателей.

На фиг.1 представлена структурная схема предлагаемого преобразователя; на фиг.2 — временные диаграммы, поясняющие работу преобразователя; на фиг,3 — вариант выполнения схемы управления силовым транзистором одного из каналов преобразователя.

Преобразователь содержит управляемый делитель 1,входного напряжения, высокочастотный дроссель 2, шунт 3, выпрямительный мост 4, схему 5 управления силовым транзистором 6, полупроводниковый диод 7, сглаживающий высокочастотный конденсатор 8, инвертор 9 напряжения, высокочастотный трансформатор 10, выходной выпрямитель 11, датчик 12 выходного напряжения, входные выводы 13 и 14 каналов преобразователя, управляющие вход 15, выходные выводы 16 и 17 каналов.

На фиг.2 приведены временные диаграммы изменения мгновенных значений фазных напряжений U>-трехфазной сети мителя 4, соединенным с шунтом 3.

Введение управляемого делителя напряжения 1, транзистора 6 со схемой управления 5, дросселя 2, шунта 3 и датчика 12 обеспечивает потребление от каждой фазы сети токов, форма которых практически повторяет форму прилагаемого синусоидального напряжения. При этом не требуется применения низкочастотных фильтрующих элементов, т.к. мгновенные мощности как на входе, так и на выходе преобразователя не зависят от времени, дополнительных устройств согласования с питающей сетью и нагрузкой, а также средств защиты сети от влияния электромагнитных помех. 3 ил.

Уд,, Uq и U, фазных токов нагрузки

i ä, iä и i и соответствующих фазных мощностей Р» Р и Р, суммарные значения мощностей Р, тока на5 грузки i è напряжения на нагрузке U .

Схема управления силовым транзистором одного из каналов преобразователя содержит схемы 18 и 19 выделения модулей сигналов эталонного У напря-

1О. жения и сигнала, пропорционального входному току i „ r, соединенные с входами схемы 20 сравнения, к выходу которой последовательно подключены усилительный элемент 21 с коэффици ентом усиления k „, релейный элемент

22 и усилитель 23 мощности.

Преобразователь (фиг.1) состоит из трех каналов, каждый из которых снабжен двумя входными 13 и 14 и двумя выходными 16 и 17 выводами, одни одноименные входные выводы 13

:подключены к фазам питающей сети, другие одноименные входные выводы 14 — к нулевому проводу сети, одно25 именные выходные выводы 16 и 17 объединены между собой, образуя выходные выводы преобразователя, между входными выводами 13 и 14 каждоro канала включен управляемый делитель 1 входЗ0 ного напряжения, к входным выводам

13 и 14 подключены соответственно высокочастотный дроссель 2 и шунт 3, 1365302 связанные с выводами переменного тока выпрямительного моста 4, между выводами постоянного тока последнего включен силовой транзистор 6, со схе5 мой 5 управления, входы которой подключены к выходу управляемого делителя 1 и соединенному с шунтом выводу переменного тока выпрямительного моста 4. Кроме того, положительный вывод 10 постоянного тока выпрямительного моста 4 через полупроводниковый диод 7 подключен к сглаживающему конденсатору 8 и входу инвертора 9 напряжения, другие выводы которых соединены с от- 15 рицательным. выводом постоянного тока выпрямительного моста 4, выходы инвертора 9 через высокочастотный трансформатор 10 соединены с входами выходного выпрямителя 11, а между 20 выходными выводами 16 и 17 включен датчик 12 выходного напряжения, выход которого связан с управляющими входами 15 делителей 1 входных напряжений каждоro иэ каналов. 25 (5) ° 2П н .».н

sinut

3U

З0 . 2UнIí ° 2н — sin(аt+ )

3U 3 с

° 2Up?н ° 4

sin(ut+ ) .

3U

3 (6)

Иэ (6) следует, что амплитуда потребляемого тока прямо пропорциональна току нагрузки, а мгновенное значение фазного тока пропорционально мгновенному значению фаэного напряжения. Это определяет необходимость уп40 равления ИВЭП по двум координатам— уровню выходного напряжения и форме кривой потребляемого тока.

45 Мгновенное значение потребляемой мощности для симметричной трехфазной сети согласно (2) и (5) находят как:

2U Ig 1 2н

P(t) = — — — (sin2(at+s in2 (gt+ — ) + з 3

4д 1 UnIq Г

+sin (+ ) =--" —" 3-cos2rat-cos (2яс+ з) з

+ ) cos(2ut+ ") =U I и " (cos2ut

3 33 °" з

Бд

s .п»» »

55 4н (1) -cas2ut cos — — sin2ut

4Т

sin-- +

Uв ° 2н

s in (at+ — );

R 3

Uc ° 4» — sin(et+ — ) .

Кэ 3

Преобразователь с бестрансформаторным входом работает следующим образом.

В основу принципа построения преобразователя положено принудительное формирование симметричных и синусоидальных входных токов, совпадающих по фазе с напряжениями сети, для чего каждый канал преобразователя содержит преобразователь на основе импульсного стабилизатора тока повышающего типа, содержащий (фиг.1) делитель 1 напряжения, высокочастотный дроссель 2, шунт 3, выпрямительный мост 4, ключевой элемент (транзистор) 6 со схемой

5 управления, диод 7, сглаживающий конденсатор 8, Выражения для мгновенных значений токов, формируемых на входе рассматриваемого преобразователя, можно получить, исходя иэ мгновенных значений фазных напряжений сети UA Us u U и эквивалентного сопротивления системы источник — нагрузка Кэ.

Мгновенная мощность во входных цепях преобразователя определяется выражением

Uв, 2д Uс

P(t)=-Е п2ut+-вsinz (ца+ -")+Л „ э

3 R

47

М $1П2 ((2t+ — ) .

3 (2)

Действующее значение мощности, потребляемой за период сетевого напряжения, определяется иэ (2) как т

P =-)P(t)dt= (U +U +U ).

1 1

A Т 2R 4 (3) о э

С другой стороны, P =U„I где

Р„ — мощность нагрузки.

Приравняв P =P„- находят значение R

z 2 2

Uä +Us+U

R (4) э 2Uí Ií

Для симметричной трехфазной сети

<р»

3U <р

R э 2Uí Ií

Подставив (5) в (1), находят:

8 81

+со$2ыс «os — — sin2G)t sin †J I—

3 31

V.Z,Г 1 -Г3 . соз2и - -cos2Mt+ — sin2vt—

3 2

-Гз .

-cos2ut- — sin2a)t =U l . (7)

2 2 н н

1365302 мощности фаз сети, а также суммарные значения токов нагрузки, напряжения и мощности нагрузки. Последние постоянны

Преобразователь работает следуюИз выражения (7) следует, что мгновенные мощности как на входе, так и на выходе не зависят от времени, т.е. запас энергии, которым должен обладать предлагаемый преобразователь равен нулю, при этом низкочастотные пульсации выходного напряжения отсутствуют, что является идеальным с точки зрения согласования с нагрузкой и достижения хороших массогабаритных показателей, так как не требуется применение дополнительных фильтрующих элементов. Наличие реактивных элементов схемы — дросселей, конденсаторов и трансформаторов, работающих на повышенной частоте (1020 кГц), практически не оказывает влияния на массогабаритные .показатели ИВЭП. Потребление токов синусоидальной формы и отсутствие низкочастотных пульсаций в выходном напряжении обусловливают хорошую электромагнитную совместимость ИВЭП спитающей сетью и нагрузкой.

Следовательно, задача создания источника электропитания с улучшенной электромагнитной совместимостью и высокими массогабаритными показателями при использовании структурной схемы (фиг.1) может быть сведена к разработке отдельных полупроводниковых преобразователей для каждой фазы сети, осуществляющих требуемый закон изменения входного тока при неизменном результирующем напряжении на выходе. Форма составляющей выходного тока в таком преобразователе (например, для фазы А) определяется выражением

Рж 1 Ын?н 1 I»

=- = — (— --(1-cos2gtl) = — (1

" PA 11,, 13„(3 ) 3

-cos2mt). (8)

Следовательно, форма выходного тока отдельного преобразователя практи.чески повторяет характер изменения мгновенной мощности на входе. Сложение трех токов, с учетом сдвига фаз, дает неизменное значение как мощности, так и тока нагрузки. На фиг.2 приведены кривые фазных напряжений сети, составляющие токов нагрузки, потребляемых фаз сети, мгновенные

10 щим образом.

Принцип действия преобразователя основан на накоплении энергии в магнитном поле сердечника входного дросселя 2 с последующей передачей накопленной энергии в нагрузку. При этом. за счет изменения соотношения длительности интервалов накопления и

15 отдачи энергии можно осуществлять управление потоком энерГии между питающей сетью и выходом преобразователя. Наличие дросселя на входной цепи обусловливает непрерывный характер

20 потребляемого тока, что и требуется для работы преобразователя.

На вход схемы управления силовым транзистором 6 поступают сигналы о величине эталонного напряжения U .э

25 пропорционального величине фазного напряжения питающей сети U, которое снимается с делителя 1 напряжения, < У а также сигналы, пропорциональные входному току х e(I ш с шунта 3 °

30 Схема управления (фиг. 3) содержит схемы 18 и 19 выделения модулей эталонного напряжения и напряжения, пропорционального входному току, схему 20 сравнения, усилительный элемент

21 с коэффициентом усиления k„, ре- . лейный элемент 22, усилитель 23 мощности, Схемы 18 и 19, реализованные, нап ример, на основе операционных усилителей, осуществляют выделение модулей входных сигналов, которые поступают на входы схемы 20 сравнения, причем токовой сигнал поступает на вычитающий вход. На выходе схемы сравнения

45 формируется разностный сигнал U6 =

= jU 1 — )is„ r (, поступающий на вход усилительного элемента 21. На выходе последнего имеют разностный сигнал

Бд=(!U /-fie,„ã„,/) ° k», по которому осу50 ществляется управление работой релейного элемента 22, передаточная характеристика которого должна обладать гистерезисом. На выходе релейного элемента формируется сигнал, временные соотношения импульса и паузы которого пропорциональны величине разностного сигнала U<. Согласование высокоомного выхода релейного элемента с входной цепью силового транзис7

1365302 тора осуществляется с помощью усилителя мощности, Пусть в некоторый момент времени мгновенное значение входного. тока стало меньше величины эталонного напряжения U с делителя 1. В этом случае на выходе схемы сравнения формируется положительный разностный сигнал U,,вызывающий.отпирание силового О транзистора 6 (фиг.1 и 3), что приводит к увеличению входного тока преобразователя и накоплению энергии в магнитном поле дросселя 2.

При превышении токовым сигналом

„гы величины эталонного напряжения на выходе схемы сравнения формируется отрицательный разностный сигнал -U вызывающий запирание силового транзистора 6. При этом энергия, накоплен- 2(1 ная в магнитном поле дросселя 2, вызывает протекание тока, заряжающего сглаживающий конденсатор 8. Диод 7 служит для предотвращения разряда конденсатора 8 через силовой транзис- 25 тор 6 на интервалах его открытого состояния.

Таким образом, в схеме преобразователя каждого из каналов осуществляется непрерывное слежение за вели- 30 чиной потребляемого от сети тока, форма которого вследствие высокой частоты коммутации силового транзистора 6 практически повторяет форму эталонного напряжения. .Выходные выводы постоянного тока преобразователей каждого из каналов через высокочастотный инвертор 9, трансформатор 10 и выпрямитель 11 подключены к выходным выводам 16 и 4б

17 преобразователя. При этом вследствие потребления от сети преобразователем каждого из каналов синусоидальных входных токов в выходном напряжении и токе отсутствуют низкочастотные пульсации. Высокочастотные пульсации сглаживаются конденсатором 8.

Для стабилизации величины выходного напряжения применяют датчик 12 SO выходного напряжения, включенный между выходными выводами 16 и 17. При отклонениях величины выходного напряжения от номинальных значений датчик

12 формирует на своих гальваничесжи развязанных выходах сигналы управления, которые поступают на управляющие входы 15 делителей 1 напряжения всех каналов, вызывают изменение величины эталонного напряяення, в соответствнв с выражен ием (6) изменяется величин а потребляемых от сети тока и мощности.

Таким образом, применение дополнительных элементов и схем в каждом канале преобразователя позволяет значительно улучшить электромагнитную совместимость преобразователя с сетью и нагрузкой за счет потребления от каждой фазы сети токов, форма которых практически повторяет форму прилагаемого синусоидального напряжения. Кроме того, в предлагаемом преобразователе не требуется применение низкочастотных фильтрующих элементов вследствие того, что мгновенные мощности как на входе, так и на выходе преобразователя не зависят от времени. При этом не требуется, дополнительных устройств согласования с питающей сетью и нагрузкой, средств защиты сети (фильтров) от влияния электромагнитных помех, возникающих при потреблении импульсных токов, что существенно улучшает массогабаритные показатели и позволяет значительно улучшить режим работы сети, коэффициент мощности, параметры качества электроэнергии, благоприятно сказывается на работе других потребителей. электроэнергии.

Формула и з о б р е т е н и я, Преобразователь переменного напряжения в постоянное с бестрансформаторным входом, содержащий три идентичных канала, каждый из которых снабжен двумя входными и двумя выходными выводами, при этом одни одноименные входные выводы подключены к соответствующим фазам трехфазной сети, другие одноименные входные выводы соединены с нулевым проводом сети, а одноименные выходные выводы каналов объединены между собой, образуя выходные выводы преобразователя, при этом каждый иэ каналов содержит вь)прямительный мост, отрицательный вывод постоянного тока которого соединен со сглаживающим конденсатором, к которому подключены входные выводы инвертора напряжения, выходные выводы которого через высокочастотный трансформатор подключены к входам выходного выпрямителя, выводы постоянного тока которого образуют.13 65302

Рф н<р выходные выводы канала, о т л и— ч а ю шийся тем, что, с целью улучшения электромагнитной совместимости преобразователя с питающей сетью и улучшения его массогабаритных показателей, каждый канал дополнительно снабжен управляемым делителем входного напряжения, включенным между входными выводами канала, высокочастотным дросселем и шунтом, каждый из которых включен между соответствующим входным выводом канала и выводом переменного тока выпрямительного моста, силовым транзистором со схемой управления, включенным между выводами постоянного тока выпрямительного моста, причем входы схемы управления соединены соответ-, ственно с выходом управляемого делителя входного напряжения, соединенного с шунтом, выводом переменного тока выпрямительного моста, а выход

5 схемы управления подключен к базе силового транзистора, полупроводниковым диодом, включенным в проводящем направлении между положительным выводом постоянного тока выпрямительного моста и другим выводом сглаживающего конденсатора, при этом преобразователь дополнительно снабжен общим для всех каналов датчиком выходного нап15 ряжения, включенным между выходными выводами преобразователя, причем выход датчика соединен с управляющими входами делителей входного напряжения каждого из каналов.

1365302

Составитель Л.Устинкина

Техред Л.Сердюкова Корректор Л.Пилипенко

Редактор И. Горная

Заказ 6653/53 Тираж 665 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 1 3035 ° Москва, Ж-35, Раушская наб ° ° д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, r. Ужгород, ул. Проектная, 4