Однофазный двухполупериодный преобразователь переменного напряжения в постоянное

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания. Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов. Устройство состоит из параллельно соединенных цепочек, каждая из которых, кроме первой и последней, выполнена в виде последовательно соединенных неуправляемого вентиля 2, конденсатора 1 и неуправляемого вентиля 3. Первая цепочка состоит из конденсатора 1 и вентиля 3, а последняя - из конденсатора 1 и вентиля 2. Катоды вентилей 2 через управляемый ключ 12 подключены к выходному выводу 19. Аноды вентилей 3 через управляемый ключ 13 подключены к выходному выводу 20. Параллельно первой цепочке включена цепь из последовательно соединенных вентилей 9, 10, катод первого из которых через встречно включенные вентили 5, 7 и анод второго через вентили 6, 8, включенные в обратном направлении по отношению к вентилям 5, 7, соединены с входным выводом 18. Анод вентиля 9 соединен с общим выводом 22. Блок 15 управления обеспечивает четырехтактное переключение ключей 11, 12, 13 в течение периода питающего напряжения. Ключ 11 своими выводами включен между анодом вентиля 7 и катодом вентиля 8. Устройство позволяет в каждый полупериод дважды заряжать конденсаторы от сети и разряжать их на нагрузку. При этом время их разряда меньше четверти периода. Частота пульсации выходного напряжения равна 4F сети. 2 з.п.ф-лы, 5 ил.

СВОЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 5 II 02 11 7/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К д BTGPCH0MV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4436427/24- 07 (22) 06,06.88 (46) 07.02.90. Бюл. У 5 (71) Новосибирский электротехнический институт (72) Л.1т.Браславский и А.I!.Сажнев (53) 621,314 ° 5 (088.8) (56) Патент CBIA Р 3743914, кл. Н 02 И 7/22, 1964.

Авторское свидетельствс СССР

N - 1422331, кл. Н 02 N 7/10, 1987. (54) ОДНО фАЗНЫЙ ДВУХПОЛУПЕРИОДНЬП

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЪ IIEPEHEHHOI 0 НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках электропитания.

Цель изобретения — улучшение массогабаритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов. Устройство состоит из параллельно соединенных цепочек, каждая из которых, кроме первой и последней, выполнена в виде последовательно соединенных неуправляемого вентиля 2, конденсатора 1 и неуправляемого вентиля 3. Первая цепочка состоит из

„„SU„„1541732 А 1

2 конденсатора l и вентиля 3, а последняя — из конденсатора 1 и вентиля 2.

Катоды вентилей 2 через управляемый ключ 12 подключены к выходному выво. ду 19. Аноды вентилей 3 через управляемый ключ 13 подключены к выходному выводу 20. Параллельно первой цепочке включена цепь из последовательно соединенных вентилей 9, 10, катод первого из которых через встречно включенные вен7или 5, 7 и анод второго через вентили 6, 8, включенные в обратном направлении по отношению к вентилям 5, 7, соединены с входным выводом 18. Анод вентиля 9 соединен с общим выводом 22. Блок 15 управления с е обеспечивает четырехтактное переключение ключей 11, 12, 13 в течение периода питающего напряжения. Ключ 11 своими выводами включен между анодом Cs вентиля 7 и катодом вентиля 8. Устройство позволяет в каждый полупериод дважды заряжать конденсаторы от сети и разряжать их на нагрузку. При этом время их разряда меньше четверти пе- CJl риода. Частота пульсации выходного I4h напряжения равна 4f сети. 2 з.lT. ф-лы, 5 ип.

1 54 1732

Изобретение относится к электротехнике и может бьггь использовано во вторичных источниках электропитания, Цель изобретения — улучшение мас5 согабаригных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов .

На фиг,1 приведена структурная схема предлагаемого устройства, на 10 фиг.2 — диаграммы, поясняющие его работу, на фиг,3 †.структурная схема блока управления; на фиг,4 — диаграммы, поясняющие его работу; на фиг.5 структурная схема синхронизатора. 15

Преобразователь (фиг.1) содержит

Il цепочек, каждая из которых„ кроме первой и последней, состоит из конденсатора 1 и двух неуправляемых вентилей 2 и 3, а первая и последняя — 20 из конденсатора 1 и вентилей 3 и 2 соответственно, каждая предыдущая цепочка соединена с последующей через неуправляемый вентиль 4, неуправляемые вентили 5-10, управляемые ключи 25

11-13, конденсатор 14 и блок 15 управления.

Неуправляемые вентили 2 .образуют катодную группу, выход (шина) 16 которой образован объединенными положи- 30 тельными входами и выходом цепочек, а вентили 3 образуют анодную группу, выход (шина) 1? которой образован объединенными отрицательными входом и выходом цепочек . Входная (фаэная) шина .(входной вывод) 18 преобразова,теля через вентиль 5 в обратном вклю.чении соединена с одним выводом óï-! равляемого ключа 11 и анодом вентиля 7, катод которого соединен с като- 40 дом вентиля 9 и шиной 16, которая подключена через управляемый ключ 12 к положительной выходной шине (выходной вывод) 19 преобразователя. Кроме того, шина 18 через вентиль 6 в прямом включении соединена с другим выводом ключа 11 и катодом вентиля 8, анод которого соединен с анодом вентиля 10 и шиной 17, которая через управляемый ключ 13 соединена с отрица- -0 0 тельной выходной шиной (с отрицатель-. ным выходным выводом) 20 преобразователя. Конденсатор 14 включен между шинами 19 и 20. Анод вентиля 9 и катод вентиля 10 объединены и соединены . 5

55 с общей шиной (общим выводом) преобразователя, образованной объединенны1 ми входным 21 и выходным 22 выводами (шинами} . Вход блока 15 управления подключен к шинам 18 и 21, а выходы

23-25 — к соответствующим управляющим элек т родам управляемых кличей . Фазная шина источника переменного напряжения подключается к шине 18, а нейтрали — к шине 21. Нагрузка преобразователя одним выводом подключается к общей шине 22, а другим — к шине 19 или 20 в зависимости от требуемой полярности выходного напряжения. Кроме того, если требуется положительная полярность выходного напряжения, то шина 20 должна быть соединена с шиной 22, а если требуется отрицательная полярность, то с шиной 22 должна бьггь соединена шина 19, Блок 1 5 управления (фиг.3) содержит синхронизатор 26, генератор 27 тактовых импульсов (ГТИ), счетчик 28, четыре компаратора 29-32, комбинационный узел 33, два согласующих кас-.. када 34 и 35, устройство 36 задержки, триггер Шмитта 37, пусковой триггер

38 и ис точник 39 п итан ия .

Выход 40 синхронизатора 26 соеди-." нен с R-входом счетчика 28, С-вход которого соединен с выходом ГТИ 27, а выход информационной шиной 41 соединен с каждым компаратором 29-32, на другие входы которых заведены опорные числа t,, t, t u t соответственно.

Выходы 42-45 компараторов. соединены шичой 46 с входами комбинационного узла 33, выходы 47 и 48 которого через соответствующие согласующие каскады 34 и 35 соединены с управляющими электродами управляемых ключей, Выход 49 устройства 36 задержки через триггер Шмитта 37 выходной шиной

50 соединен с входом 51 комбинационного узла 33 и с входом 52 пускового триггера 38. Кроме того, входы 53 и

54 пускового триггера соединены соответственно с вьходами 40 и 55 синхронизатора и комбинационного узла, вход

56 которого соединен с выходом 57 пускового триггера.

Синхронизатор 26 (фиг.5) содержит усилитель-ограничитель 58, два идентичных формирователя 59 и 60 импульсов, инвертор 61 и схему 62 совпадения. Выход 63 усилителя-ограничителя

58 через формирователь 59 импульсов соединен с одним входом схемы совпадения, а через последовательно соединенные инвертор 61 и формирователь

60 импульсов — с другим входом схемы

62 совпадения.

15417

Ключи 11-13 управляются в соответствии с диаграммами, показанными на фиг,2 и 4, где U u U — преобразуемое напряжение и его амплитудное зна5 чение; П„и U — напряжение на на-грузке и его с,беднее значение

% ток заряда конденсаторов 1 (ток, потребляемый от первичного источника);

t и t — время заряда и разряда конденсаторов l; Т вЂ” период преобразуемого напряжения.

Управляемые ключи 11-) 3 (фиг.1), усилитель-ограничитель 58 (фиг. Ь), согласующие каскады 34 и 35, источник 39 питания, комбинационный узел

38, генератор тактовых импульсов 27, триг.rep Имитта 37 и пусковой триггер

38 (фиг,3) могут быть выполнены по известным схемам на пифровьж элемен- 20 тах.

Преобразователь работает следующим обра зом.

Фаза источника переменного напряжения подключается к шине 18 (фиг, I), 25 а нейтраль — к шине 21 ° Пусть на нагрузке требуется напряжение положительной полярности относительно нейтрали, Тогда нагрузка подключается к шинам 19 и 22, а шина 20 должна быть 30 соединена с шиной 22 (если на нагрузке требуется напряжение отрицательной полярности относительно нейтрали, то она должна подключаться к шинам

20 и 22, а шина 19 должна быть соединена с шиной 22) . В установившемся режиме на конденсаторах 1 и 14 имеется напряжение, полярность которого указана на фиг.1, а форма — на Ьиг.2 и 4. 40

С момента t (фиг.2) до момента управляемый ключ 11 (фиг.l) открыт, а ключи 12 и 13 закрыты. Во время заряда > конденсаторы 1 подзаряжаются током i > по цепи: шина 18 — вентиль 45

6 — ключ 11 .— вентиль 7 — последовательно включенные через вентили 4 конденсаторы 1 — шина 17 — вентиль

10 — шина 21, а напряжение U ц на нагрузке поддерживается конденсатором

14, раэряжающимся по цепи: конденсатор 14 — шина 19 — нагрузка — соеди- ненные шины 22 и 20 — конденсатор 14.

С момента t 1 после задержки для полного закрывания ключа 11 (фиг.4) от-, крываются ключи 12 и 13, и все конденсаторы 1 параллельно и одновременно (каждый через свои разрядные вентили 2 и 3) разряжаются на параллель32 6 но соединенные конденсатор 14 и нагрузку по цепи: конденсатор 1 — вентиль 2 — ключ 12, шина 19, конденсатор 14 и нагрузка — шина 22 и соединенная с ней шина 20 — ключ 13 — вентиль 3 — конденсатор 1, в течение времени разряда t<. При этом форма напряжения на подзаряжающемся конденсаторе 14 и на нагрузке будет такой, как указано на фиг.2 и 4. С учетом времени задержки С „„ для полного закрывания ключей 12 и 13 длительность этого первого цикла (такта) заряд-разряд от момента t до момента

t3 рави t ++ t „„+ tр + t з з«л

Т/4, С момента t3 и до момента (фиг.2) в этот же положительный полупериод преобразуемого напряжения осуществляется второй цикл работы аналогично первому. В отрицательный полупериод преобразуемого напряжения также будет два цикла заряда — разряда конденсаторов 1, Работа преобразователя отличается только цепью прохождения тока заряда i конденсато3 ров 1. В третьем (от t + до t ) и четвертом (от t до t ) циклах в течение

t конденсаторы l подзаряжаются током

i > по цепи: шина 21 — вентиль 9 — последовательно включенные через вентили 4 конденсаторы 1 - вентиль 8 ключ 11. — вентиль 5 — шина 18. Таким образом, с помощью одного управляемого ключа ll и шести неуправляемых вентилей 5-10 обеспечивается двухполупериодное преобразование рода тока с общей для входа и выхода преобразователя шиной 21 -22. Кроме того, за период преобразуемого напряжения.осуществляется четыре цикла (такта) заряда — разряда, конденсаторов реактивной части преобразователя. Длительность одного цикла равна Т/4,т.е. частота преобразования в четыре раза выше частоты преобразуемого напряжения. Такой режим работы преобразователя обеспечивается блоком управле-. ния.

Блок 15 управления (фиг ° 3) работает следующим образом.

В установившемся режиме синхронизатор 26 в моменты перехода напряжения сети 11„ (фиг.4) через нуль вырабатывает синхроимпульсы, которые по-. ступают на вход установки нуля счетчика 28 и каждый полупериод сети сбрасывают счетчик. На его счетный вход поступают импульсы с выхода ГТИ

154 l 732

27. С выходов счетчика текущее значение счета A,,...,A, по информационной шине 41 поступает на входы цифровых компараторов 29-32 на другие

3 5 входы которых заведены опорные числа

В „...В, определяющие моменты (t и с

С:,, ., и с, на фиг. 1) начала и конца заряда конденсаторов l (фиг, 1) по Уровню

0,7 U . В момент равенства числа импульсов, поступающих от ГТИ 27 через счетчик 28, и опорного числа (Л „

Б„Л2 — В, A — В и А.p — В ) кандbBI компаратор вырабатывает синхроимпульс (t1, t, t 3 и tq на фиг.4). f5

Эти импульсы поступают на комбинационный узел 33, который формирует управляющие импульсы заряда, разряда и задержки (фиг ° 4) соответствующей длительности. Эти импульсы через сог- 20 ,ласующие каскады 34 и 35 .управляют работой ключей 11-13 (фиг .1) .

В установившемся режиме конденсатор устройства 36 задержки заряжен до напряжения U„ èñòî÷íèêà 39 питания и на выходе триггера Шмитта 37 будет низкий уровень напряжения ("Лог. ,лИ 0 ), который разрешает комбинационному узлу 33 управлять ключами 11-13 и удерживает пусковой триггер 38 в ус- 30 тойчивом состоянии.

В переходном режиме при включении преобразователя в сеть пусковой ! триггер 38 совместно с триггером Шмитта 37 и устройством 36 задержки обеспечивает заряд конденсаторов 1

35 ,.(фиг. l ) один раз каждый полупериод напряжения сети, начиная с момента перехода его через нуль. Количество полупериодов сети для выхода преоб- g0 разователя на установившийся режим работы определяется постоянной време" ни ВС- цепи устройства 36 задержки. Во время переходного процесса нарастает напряжение питания U „ и с запаздыва- 45 нием нарастает напряжение на конденсаторе устройства 36 задержки. На выходе 50 триггера Шмитта имеет место высокий уровень напряжения .("Лог.l") .

Эта единица по входу 51 запрещает

50 комбинационному узлу 33 управлять ключами 11-13, снимая с нйх управляющие сигналы, и разрешает по входу 52 работу пускового триггера 38, который сигналом с синхронизатора ?6 по

55 входу 53 переводится в единичное состояние, а сигналом с выхода 43 компаратора 30 через комбинационный узел

33 (выход 55) по входу 54 переводится в нулевое состояние. Этот импульс через комбинационньп узел и согласующий каскад 34 передается на управляемый ключ 11 и тем самым обеспечивается плавное нарастание тока, потребляемого от сети, т.е. мягкий запуск преобразователя, Синхронизатор 26 (фиг.5) работает следующим образом.

На вход 18 усилителя-ограничителя

58 поступает переменное напряжение сети. С его выхода 63 прямоугольное напряжение передается на формирователь 59 коротких импульсов, вырабатывающий сигнал по положительному перепаду напряжения один раз эа период сети. Инвертированное с помощью инвертора 61 прямоугольное напряжение передается на другой формирователь

60. Сигнал на его выходе соответствует по времени отрицательному перепаду прямоугольного напряжения, снимаемого с усилителя-ограничителя.

Оба коротких импульса объединяются схемой 62 совпадения,:выход 39 которой является и выходом синхронизатора. Выходные синхроимпульсы (фиг.l) соответствуют переходу напряжения се— ти через ноль.

Таким образом, предлагаемый преобразователь является двухполупериодным четырехтактным. Кго частота преобразования в два раза вьппе,чем у. известного, а время разряда конденсаторов в два раза меньше. Поэтому при одинаковых выходных параметрах суммарная емкость реактивной части предлагаемого преобразователя по сравнению с известным в два раза меньше и, следовательно, меньше масса и объем реактивной части и преобразователя в целом, Кроме улучшения массогабаритных показателей предлагаемьпМ преобразователь обладает высокой надежностью, так как уменьшено количество управляемых элементов в силовой части и обеспечен мягкий запуск при включении преобразователя в сеть. Частота пульсации выхоцного напряжения по первой гармонике равна 4f сети. Поэтому при дальнейшем сглаживании пульсации дополнительное фильтрующее устройство имеет меньшие массу и объем.

Формула из об ре тения

I . Однофазный двухполупериодный преоб ра зов атель переменного нап ряже154 ) 732

10

5G

55 ния в постоянное > соде ржащий пе рвые входной и выходной и вторые входной и выходной выводы для подключения соответственно источника питания и нагрузки, блок деления напряжения, сос— тоящий иэ последовательных цепочек, каждая из которых, кроме первой и последней, состоит иэ последовательно соединенных первого неуправляемого вентиля, конденсатора и второго неуправляемого вентиля, а первая и последняя цепочки состоят соответственно из последовательно соединенных конденсатора с вторым неуправляемым вентилем и конденсатора с первым неуправляемым вентилем, причем разноименные обкладки конденсаторов смежных цепочек соединень1 через третий неуправляемый вентиль, катоды первых вентилей указанных цепочек объединены в общую точку, подключенную через первый управляемый ключ к первому выходному выводу, аноды вторых вентилей указанных цепочек объединены в общую точку, подключенную через вт;— рой управляемый ключ к второму выходному выводу, а также выходной конденсатор, включенный между выходными выводами, один из которых объединен с вторым входным выводом, образуя общий вывод, четвертый неуправляемый вентиль, катодом соединенный с общим выводом, третий управляемый ключ и блок управления управляемыми ключами, выполненный обеспечивающим в течение каждого периода питающего напряжения поочередное переключение управляемых ключей в соответствии с циклами заряда-разряда конденсаторов блока деления напряжения, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей путем уменьшения суммарной емкости конденсаторов, вывод свободной обкладки конденсатора первой цепочки блока деления напряжения подключен к общей точке соединения катодов указанных первых неуправляемых вентилей, вывод свободной обкладки конденсатора последней цепочки подключен к общей точке соединения анодов указанных вторых неуп— равляемых вентилей и дополнительно введены пятый, шестой, седьмой, восьмой и девятый неуправляемые вентили, причем катод пятого вентиля соединен с первым входным выводом и с анодом шестого вентиля, катод которого соединен с катодом восьмого вентиля и с

45 одним иэ выводов третьего управляемого ключа, другой вывод которого соединен с анодами чятого и седьмого вентилей., катод последнего иэ которых соединен с катодом девятого вентиля и с обшей точкой соединения катодов указанных первых вентилей, анод девятого вентиля соединен с катодом четвертого вентиля, анод. которого соединен с анодом восьмого вентиля и с общей точкой соединения анодов указанных вторых вентилей, а блок управления выполнен обеспечивающим в течение каждого периода четырехтактное цереключение управляемых ключей.

2. Преобразователь по п.1, о т л и ч а ю шийся тем, что блок управления содержит синхронизатор, генератор тактовых имп Ътьсов, счетчик, четыре компаратора, комбинационный узел, два согласующих каскада, устройство задержки, триггер Рмитта, пусковой триггер и источник питания, причем вход синхронизатора соединен с второй входной шиной преобразователя, а выход — с P; — входом счетчика, С-вхоц которого соединен с выходом генератора тактовых импульсов, а выход счетчика соединен информационной шиной с каждым компаратором, другие входы которых соединены с источником опорных чисел, при этом выходы всех компараторав соединены с соответствующими входами комбинационного узла, выходы которого через согласующие каскады соединены с управляющими электродами соответствующих управляемых ключей, выход источника питания соединен с входом устройства задержки, выход которого через триггер

Шмитта соединен с одним иэ входов пускового триггера и одним из входов комбинационного узла, один из выходов комбинационного узла соединен с другим входом пускового триггера, выход которого соединен с другим входом комбинационного узла, а выход синхронизатора соединен с третьим входом пуского триггера.

3. Преобразователь по п.2, о т л и ч а ю шийся тем, что синхронизатор содержит усилитель-ограничитель, два идентичных <Ьормирователя импульсов, инвертор и схему совпадения, причем вход усилителя-ограничителя образует вход синхронизатора, а выход через первый формирователь импульсов соединен с одним входом схемы совпадения, выход которой образует выход синхронизатора, и через последовательно соединенные инвертор и

1541732 12 второй формирователь импульсов — с другии входом указанной схемы совпадения .

ФигЗ

1541732

0744

Сина. инп.

Редактор H.Яцола

Заказ 287 Тираж 496 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 101

ГТИ о

Мир. каче

Rotted

Составитель Л.Устинкина

Техред Л.Сердюкова Корректор И.Муска