Преобразователь постоянного напряжения в переменное многоступенчатой формы

 

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в источниках электропитания с промежуточным звеном высокой частоты. Цель изобретения - улучшение качества выходного напряжения и упрощение. Преобразователь содержит инвертор, выполненный по схеме со средней точкой на ключах 1,2. Инвертор подключен входом к источнику питания 3, а выходом - к первичной обмотке основного трансформатора 5. Преобразователь имеет вспомогательные трансформаторы 6, 7 и цепочку из последовательно соединенных ключей 8-10 переменного тока. Основные управляемые ключи первой руппы 11-14 и второй группы 15-18 подключены к выводам вторичной обмотки трансформатора 5. Дополнительная обмотка 19 основного трансформатора 5 подключена к концам цепочки вспомогательных ключей 8-10. Преобразователь имеет упрощенную схему при улучшенном качестве выходного напряжения. 2 ил. Ьп с

СО!ОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (с!у Н 02 M 7/48

ГОСУДАРСТВЕННЫИ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

K АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4717177/07 (22) 11.07.89 (46) 23.10.91. Бюл. М 39 (72) С. И. Шеленок (53) 621.314.572(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 1203673, кл. Н 02 M 7/48, 1984.

Авторское свидетельство СССР

В 1302401, кл. Н 02 M 7/48, 1984. (54) ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО

НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ МНОГОСТУПЕНЧАТОЙ ФОРМЫ (57) Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в источниках электропитания с промежуточным звеном высокой частоты.

Цель изобретения — улучшение качества вы„„Я „„1686666 А1 ходкого напряжения и упрощение, Преобразователь содержит инвертор, выполненный по схеме со средней точкой на ключах

1, 2. Инвертор подкл!очен входом к источнику питания 3, а выходом — к первичной обмотке основного трансформатора 5.

Преобразователь имеет вспомогательные трансформаторы 6, 7 и цепочку из последовательно соединенных ключей 8-10 переменного тока, Основные управляемые ключи первой группы 11 — 14 и второй группы

15-18 подключены к выводам вторичной обмотки трансформатора 5. Дополнительная обмотка 19 основного трансформатора 5 подключена к концам цепочки вспомогательных ключей 8 — "10, Преобразователь имеет упрощенну!о схему при улучшенном качестве выходного напряжения. 2 ил.

)(Ь ОО (© (1

1686666

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в источниках электропитания с промежуточным звеном высокой частоты, а также в усилителях звуковой частоты класса

0 и в импульсных амплитудных модуляторах большой мощности.

Цель изобретения — улучшение качества выходного напряжения и упрощение.

На фиг. 1 представлена одна из возмож- ных модификаций схемы предлагаемого преобразователя; на фиг, 2 — временные диаграммы, поясняющие алгоритм переключения ключевых элементов и процесс формирования выходного напряжения преобразователя по фиг. 1.

Преобразователь (фиг. 1) содержит инвертор, выполненный по схеме со средней точкой на ключах 1 и 2 и подключенный своим входом к источнику 3 питания, а выходом к первичной обмотке 4 основного трансформатора 5, вспомогательные трансформаторы 6 и 7, цепочку из последовательно соединенных вспомогательных ключей

8 — 10 переменного тока. Основные управляемые ключи первой группы 11 — 14 и второй группы 15 — 18 подключены к выводам вторичной обмотки трансформатора 5.

Дополнительная обмотка 19 основного трансформатора 5 подключена к концам цепочки вспомогательных ключей 8 — 10. Основные первичные обмотки 20 и 21 вспомогательных трансформаторов 6 и 7 подключены параллельно соответствующим ключам 8 и 9 цепочки вспомогательных ключей. Каждый вспомогательный трансформатор 6 (7) имеет дополнительную первичную обмотку 22 (23). Обмотки 22 и 23 соединены последовательно согласно и подключены к дополнительной обмотке 19 основного трансформатора 5 через дополнительно введенный кл1оч 24 переменного тока. Вторичная обмотка основного трансформатора 5 разделена промежуточными (в средней части обмотки) и дополнительными (по краям обмотки) отводами на секции 2531, причем промежуточные отводы подключены через оснс/вные ключи 11-14 первой группы основных ключей к первому выходному выводу преобразователя.

Вторичные обмотки 32 — 35 вспомогательных трансформаторов 6 и 7 соединены согласно последовательно и образуют вспомогательную (вольтодобавочную) вто ричную обмотку, содержащую две полуобмотки, каждая из которых состоит соответственно из одноименных обмоток 32 и 34 и одноименных обмоток 33 и 35 различных вспомогательных трансформаторов, а точка соединения полуобмоток образует

5

55 второй выходной вывод преобразователя.

Свободные концы и дополнительные отводы вторичной обмотки основного трансформатора подключены к противоположным по полярности концам вспомогательной вторичной обмотки через соответствующие ключи 15 и 16 (18 и 17). К выходным выводам преобразователя подключены приемники

36 электрической энергии (нагрузка).

В общем случае количество вспомогательных трансформаторов преобразователя равно и (i=1, 2...,, и), количество дополнительных первичных обмоток в каждом вспомогательном трансформаторе равно m O--1, 2,..., m), количество промежуточных отводов вторичной обмотки основного трансформатора равно Р, а количество дополнительных отводов в крайних секциях вторичной обмотки основного трансформаторэ равно t, где p=O, 2, 3,„., э !=О, 1, 2... При р=0 первым выходным выводом преобразователя является средняя точка вторичной обмотки основного трансформатора 5.

Для схемы преобразователя по фиг. 1

n=2, m=1, р=4, 1=1. При этом соотношение чисел витков в первичных обмотках 20, 22 первого вспомогательного трансформатора

6 выбрано равным W20:М/22=1:0,5, соотношение чисел витков в первичных обмотках

21, 23 второго вспомогательного трансформатора 7 выбрано равным W21:W23=1:0,75.

Числа витков во вторичных обмотках 32 и 33 (34 и 35) каждого вспомогательного трансформатора, а также числа витков в крайних секциях 25 и 31, промежуточных секциях 26 и 30, средних секциях 27-29 вторичной обмотки основного трансформатора соответственно равны между собой, т.е. М/32=И/зз, И/34=1/1/35, / /25=1/1/31, / /26=1/1/30, W27=W28=W29

Соотношение чисел витков в указанных вторичных обмотках преобразователя выбрано равным

W32:W34:W25:W26:W27=K1:3 I 2:5. 1;10, де K1=W20IW19, K2=W21/W19.

При электромагнитном расчете вспомогательных трансформаторов максимальной индукцией в их магнитопроводах следует задаваться для режима, когда полное напряжение дополнительной обмотки 19 основного трансформатора прикладывается к той первичной обмотке соответствующего вспомогательного трансформатора, число витков в которой является наименьшим. В частности, для схемы по фиг, 1 такими обмотками являются дополнительные первичные обмотки 22 и 23.

Алгоритм рабЬты преобразователя, представленный на фиг. 2, является одним из возможных и раскрывает принцип формирования кваэисинусоидального много1686666

45 ступенчатого напряжения. Нумерация диаграмм соответствует нумерации элементов схемы преобразователя (фиг. 1). Диаграмма

05 (напряжение инвертора) иллюстрирует форму и полярность напряжений на обмотках основного трансформатора 5, диаграммы Ое, 7 форму. полярность и амплитуду напряжений в выходных обмотках вспомогательных трансформаторов 6 и 7, диаграммы 011-1в, 24 — импульсы управления, подаваемые на ключи 11 — 18, 24 переменнога тока преобразователя. Полярность напряжений на диаграммах дана по отношению к обозначенным точкой концам обмоток. Диаграмма Озв иллюстрирует четверть периода напряжения, формируемого на нагрузке 36 (положительная полуволна—

"плюс" на правом по схеме фиг. 1 конце нагрузки).

Преобразователь работает следующим образом.

Часть схемы преобразователя (фиг. 1), содержащая вспомогательные трансформаторы 6, 7 и ключи 8 — 10, 24, является вольтодобавочным устройством, формирующим пять (включая и нулевой) уровней напряжения. Нулевой (первый) уровень формируется при замкнутых ключах 8 и 9 и разомкнутых ключах 10 и 24, когда вспомогательные трансформаторы 6 и 7 находятся в режиме короткого замыкания и на их выходных обмотках напряжение равно нулю.

Второй уровень напряжения формируется при замкнутых ключах 9 и 10 и разомкнутых ключах 8 и 24. В этом случае трансформатор 7 замкнут накоротко по первичной обмотке 21 и на его выходных обмотках 34 и 35 напряжение равно нулю, у трансформатора 6 задействована первичная обмотка 20 и в соответствии с выбранным соотношением витков в каждой его вторичной обмотке 32 (33) индуктируется напряжение, амплитуда которого равна 0> (диаграмма Uэ). Если теперь разомкнуть ключ 10 и замкнуть ключ 24,.то задействованной окажется дополнительная первичная обмотка 22 трансформатора 6.

Поскольку число витков обмот и 22 р два

pQQQ меньше нища Витков обмотки 20 то в выходной обмотке 32 (ЭЗ) будет индуктиро= еднр напряжение g амплитудой 201, т,е, сформируется третий по счету уровень на= пряжения вольтодобавки (диаграмма Оо)

"IQTBopTblA уровень выходного напря жения вольтодобавачным устройством формируется при замкнутых ключах 8 и 10 и разомкнутых ключах 9 и 24. При этом трансформатор 6 находится в режиме короткого . замыкания, задействована основная первичная обмотка 21 трансформатора 7, а во

35 вторичных обмотках 34 (35), в соответствии с выбранным соотношением витков, индуктируется напряжение 30 . Дальнейшее замыкание ключа 24 и размыкание ключа 10 приводит к задействованию обмотки 23 трансформатора 7. При этом в обмотках 34 (35) наводится напряжение пятого уровня с амплитудой 401 (диаграмма 07), Таким образом, вольтодобавочное устройство последовательно формирует на своем выходе напряжения с амплитудами О.

01, 201, 301, и 40l. Цикл формирования этих напряжений периодически повторяется (фиг. 2), Выход вольтодобавочного устройства (обмотки 32, 34 и 33, 35) включен последовательно с нагрузкой 36 и вторичной обмоткой основного трансформатора 5 посредством ключей 15 — 18 основного модулятора. Соотношение витков в секциях 25-31 выбрано таким образом, что в этих секциях индуктируются напряжения с амплитудами соответственно Uzs= 50>, Огв= 0>, 0z7=Uze=Use=100<, Озо=01, Uat=5Ul. Выходное напряжение Оза преобразователя формируется из суммы напряжений секций 25 (31) 26 (30), 27, 28, 29 и обмоток 32 (33), 34 (35), подключаемых к нагрузке 36 в различных комбинациях и в различной полярности (в зависимости от полярности напряжения инвертора и требуемой полярности выходного напряжения преобразователя).

Рассмотрим принцип формирования отдельных ступенек в кривой выходного напряжения (фиг. 2).

При формировании, например, пятой ступеньки Озб=50> в кривой выходного напряжения на интервале положительной полярности напряжения Ug инвертора (фиг.2) замыкаются ключи 8, 24, 11, 16. При этом к нагрузке подключаются последовательно согласно соединенные обмотки 26, 32 и 34.

Поскольку для данного интервала времени

Оз2=0, Оз4=401, а напряжение Uzg=Ul, то

Оз6=076+032+Оз4=01+0+401=501.

Формирование 23-й ступеньки в выходном напряжении 035=2301 происходит (фиг.

2) на интервале отрицательной полярности напряжения 0в инвертрра, В этом алучае замыкаются ключи 9, 24, 12 и 17 и к нагрузке

36 подключаются в требуемой (прложитель= ной) полярности последовательно согласно соединенные обмотки 28, 29, ЗО, ЗЗ и 35. Для рассматриваемого интервала времени напряжение на обмотке ЗЗ равно 20 . а на обмотке 35 равно нулю (трансформатор 7 в режиме короткого замыкания). Тогда напряжение на нагрузке

Оз6=028+029+0 зо+Озз+Оз5=1001+

+10U1+01+2 0 <+0=230 >, 1686666

Формирование 36-й ступеньки в выходном напряжении 036=3601 происходит при двух полярностях напряжения инвертора

U . На интервале положительной полярности напряжения 06 (фиг. 2) замкнуты ключи

8, 9, 14 и 15 и последовательно с нагрузкой включа)отся обмотки 29, 28, 27, 26, 25,32 и 34. Поскольку в данном случае (замкнуты ключи 8 и 9) оба трансформатора 6 и 7 работают в режиме короткого замыкания, то 032=0 и 03л=О. Тогда

036= 029+ 028+ U27+ 026+ 025= 1 0 U 1+

+ 1 00>+1001+U (+50>-+3601.. На интервале отрицательной полярности напряжения

05 кл)очи 8, 9 остаются замкнутыми, ключи

14 и 15 размыкаются, а взамен их замыкаются ключи 11 и 18. К нагрузке оказываются подключенными обмотки 27 — 31, 33, 35 так, что полярность напряжения на выходных зажимах преобаазователя остается неизменной (положительной), При этом

U 3 6= 0 2 7+ 0 2 8+ 0 2 9+ 0 3 О+ U 3 1 = 1 О 0 1

+1О0т+1О01- 01 -501= -3601, (Оээ=о, 036=О).

Аналогичным образом формируются все 40 ступенек в кривой выходного напряжения предлагаемого преобразователя.

Количество формируемых ступенек в кривой выходного напряжения определяется выражением N=(n(m+1)+1)(i+1)p, соотношением чисел витков в обмотках, эаключенных между соседними дополнительными и промежуточными отводами, и чисел витков в секциях, заключенных между промежуточными отводами вторичной обмотки основного трансформатора, выбрано соответственно равным

Ki((I-1)(m+1)+1):(n(m+1)+1);1;(I+1)(n(m+1}+1), где К(— отношение числа витков основной первичной обмотки i-ro вспомогательного трансформатора к числу витков дополнительной обмотки основного трансформатора, I — количество дополнительных отводов крайней секции вторичной обмотки основного трансформатора.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения в переменное многоступенчатой формы, содержащий инвертор, выходом подключенный к первичной обмотке основного трансформатора, вспомогательные трансформаторы, цепочку последовательно соединенных вспомогательных ключей переменного тока, количество которых равно числу трансформаторов преобразователя, две группы основных ключей переменного тока, причем вторичная обмотка основного трансформатора разделена ка секции промежуточными отводами, подключенными

+1)+1 15 (j+(i — 1)(m+1)+1) 5О

5

1О

40 через основные кл)очи первой группы к первому выходному выводу преобразователя, вторичные обмотки вспомогательных трансформаторов соединены между собой согласно последовательно и образуют вспомогательную вторичную обмотку, разделенную на две полуобмотки, каждая из которых состоит из одноименных вторичных обмоток вспомогательных трансформаторов, а точка соединения полуобмоток подключена к второму выходному выводу преобразователя, каждая крайняя секция вторичной обмотки основного трансформатора снабжена одинаковым количеством дополнительных отводов, причем свободный конец и дополнительные отводы каждой из упомянутых крайних секций соединены с соответствующим концом вспомогательной вторичной обмотки через основные ключи второй группы,а дополнительная обмотка основного трансформатора подключена к концам цепочки вспомогательных ключей, отличающийся тем, что, с целью улучшения качества выходного напряжения и упрощения, основная первичная обмотка каждого вспомогательного трансформатора подключена параллельно соответствующему ключу цепочки вспомогательных ключей, вспомогательные трансформаторы снабжены одинаковым количеством дополнительных первичных обмоток, одноименные дополнительные первичные обмотки соединены между собой согласно последовательно и подключены к дополнительной вторичной обмотке основного трансформатора через соответствующий дополнительно введенный ключ переменного тока, причем соотношение чисел витков основной NIoj и соответствующей j-й (j==1, 2... m) дополнительной Иу первичных обмоток i-го (i=1, 2... n) вспомогательного трансформатора выбрано равным соотношение чисел витков во вторичных обмотках NI2) соответствующих 1-х вспомогательных трансформаторов, чисел витков в обмотках, эаключенных между дополнительными отводами, а также дополнительными отводами и концами крайних секций вторичной обмотки основного трансформатор, чисел витков в обмотках Nfjp, заключенных между соседними дополнительными и промежуточными отводами, и чисел витков в секциях NI>, заключенных между промежуточными отводами вторичной обмотки основного трансформатора, выбрано соответственно равным

1686666

"1 тельной обмотки Wpp,основного трансформатора (Kj=Wp(/Wqp); ) — количество дополнительных отводов крайней секции вторичной обмотки основного трансформаW2I:WI:WIр. Wp К I f(I 1)(m+1)+1)

: t n (а+1)+1):1:(I+1)(n(m+1)+1), где К вЂ” отношение числа витков основной первичной обмотки 1-го вспомогательного тпансфо а и и 9

Ил@

4 6

К . и

Dig и«

Nrs

Кв

ИР

Or@

:б

Фиг.Z

Составитель В. Поляков

Редактор В. Бугренкова Техред М.Моргентал Корректор M. Максимишинец

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

Заказ 3609 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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