Источник питания постоянного напряжения

 

Использование: при построении источников вторичного электропитания с бестрансформаторным входом. Сущность изобретения: в устройстве с двумя преобразователями частоты, двумя выпрямитетелями, блоком управления и фильтрами магнитопровод силового трансформатора выполнен трехстержневым, основная и вольтодобавочная вторичные обмотки выполнены состоящими из двух секций каждая, на первом крайнем стержне магнитопривода силового трансформатора расположены первичная и первые секции основной и вольтодобавочной обмоток. Центральный стержень не содержит обмоток, а второй крайний стержень содержит вторые секции основной и вольтодобавочной обмоток и обмотку управления. Изменением длительности импульсов блока управления осуществляется стабилизация выходного напряжения по методу шин. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при построении источников вторичного электропитания с бестрансформаторным входом различного назначения.

Известен преобразователь переменного напряжения низкой частоты в постоянное напряжение, содержащий входной выпрямитель и канал преобразования, подключенный своим входом непосредственно к входным выводам устройства для подключения сетевого напряжения и состоящий из последовательно соединенных инвертора повышенной частоты с силовым трансформатором, выходного выпрямителя и сглаживающего фильтра, выход которого соединен с выходными клеммами устройства для подключения нагрузки, вольтодобавочный канал, состоящий из последовательно соединенных дополнительного сглаживающего фильтра и управляемого генератора с трансформатором напряжения, вторичная обмотка которого включена последовательно в цепь первичной обмотки силового трансформатора инвертора повышенной частоты, блок управления, причем вольтодобавочный канал подключен своим входом к выходу входного выпрямителя [1] К недостаткам известного устройства следует отнести сложность, обусловленную наличием сравнительно большого числа элементов (применяются два трансформатора, силовой и вольтодобавочный), достаточно низкие массогабаритные показатели и динамические характеристики, что связано с высокими установленными мощностями применяемых элементов из-за подключения вольтодобавочного канала к сетевому напряжению и сравнительно большими потребными значениями реактивностей выходного фильтра из-за наличия в спектре выпрямленного напряжения низкочастотных гармоник с достаточно большими амплитудами.

Известен стабилизатор постоянного напряжения, содержащий силовой трансформатор, выполненный на трехстержневом магнитопроводе, на первом крайнем стержне которого размещены первичная обмотка, выводы которой соединены с входными выводами устройства для подключения сетевого напряжения, вспомогательная выходная обмотка и первая секция основной выходной обмотки, центральный стержень не содержит обмоток, а на втором крайнем стержне расположены вторая секция основной выходной обмотки и регулирующая обмотка, первый выпрямитель-фильтр, подключенный входными выводами к выводам последовательно соединенных первой и второй секций основной выходной обмотки, а выходными выводами к выходным выводам устройства для подключения нагрузки, второй выпрямитель-фильтр, соединенный входными выводами со вспомогательной выходной обмоткой, регулирующий элемент, питающий вход которого соединен с выходом второго выпрямителя-фильтра, узел управления, вход которого подключен к выходным выводам устройства, а выход к управляющему входу регулирующего элемента, причем регулирующая обмотка подключена к выходным выводам регулирующего элемента [2] К недостаткам известного устройства относятся низкие массогабаритные показатели и динамические характеристики из-за применения низкочастотного силового трансформатора и сравнительно больших потребных значений реактивностей выходного фильтра, что связано с достаточно большими амплитудами низкочастотных гармонических составляющих выпрямленного напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является источник питания постоянного напряжения, содержащий силовой трансформатор с первичной и двумя вторичными обмотками, одна из которых является основной, а другая дополнительной, два выпрямителя со сглаживающими фильтрами, один из которых является основным, подключенным своим входом к основной вторичной обмотке, а выходом к нагрузке, а другой вольтодобавочным, два преобразователя частоты, выходы которых соединены последовательно и подключены к первичной обмотке силового трансформатора, а входы соединены соответственно одного с сетевыми зажимами, другого через вольтодобавочный выпрямитель с дополнительной вторичной обмоткой силового трансформатора, коэффициент трансформации которой равен отношению постоянной составляющей выпрямленного напряжения сети к его амплитудному значению, и блок управления преобразователями частоты по величине выходного напряжения [3] К недостаткам такого устройства относятся низкие массогабаритные показатели, что объясняется достаточно большой установленной мощностью элементов, так как вольтодобавочный канал рассчитывается на высокое питающее напряжение, равное постоянной составляющей выпрямленного сетевого напряжения, и низкие динамические характеристики, что связано с наличием в выпрямленном напряжении низкочастотных гармонических составляющих сравнительно большой амплитуды.

Цель изобретения улучшение массогабаритных показателей и динамических характеристик устройства.

Цель достигается тем, что в известном устройстве изменена конструкция магнитопровода силового трансформатора, а именно применен трансформатор с трехстержневым магнитопроводом, основная и вольтодобавочная вторичные обмотки трансформатора выполнены состоящими из двух секций каждая, причем на первом крайнем стержне расположены первичная обмотка и первые секции основной и вольтодобавочной обмоток, центральный стержень не содержит обмоток, а на втором крайнем стержне расположены вторые секции основной и вольтодобавочной обмоток и введенная обмотка управления, выполненная с отпайкой, первая и вторая секции основной обмотки соединены согласно-последовательно и подключены к входу первого выпрямителя, соединенного через выходной фильтр с выходными выводами устройства для подключения нагрузки, первая и вторая секции вольтодобавочной обмотки также соединены согласно-последовательно и подключены к входу второго выпрямителя, соединенного своим выходом через дополнительный фильтр с входными выводами второго преобразователя частоты, выход второго преобразователя частоты соединен с выводами обмотки управления и введен управляемый от блока управления ключевой элемент с двухсторонней проводимостью, включенный между отпайкой обмотки управления и одним из выходных выводов второго преобразователя частоты, причем выход первого преобразователя соединен с первичной обмоткой.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, выражается в улучшении массогабаритных показателей и динамических характеристик устройства за счет уменьшения установленной мощности элементов вольтодобавочного канала, питающее напряжение которого может быть выбрано произвольно, и уменьшения потребных значений реактивностей выходного и дополнительного фильтров из-за уменьшения в 2-2,5 раза амплитуд низкочастотных гармонических составляющих выпрямленных напряжений, поступающих на вход фильтров.

На фиг.1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг.2 временные диаграммы, поясняющие его работу.

Предлагаемое устройство содержит первый преобразователь 1 частоты, подключенный непосредственно к напряжению сети, силовой трехстержневой трансформатор 2, на первом крайнем стержне которого расположены первичная обмотка 2.1, первая секция основной выходной обмотки 2.2 и первая секция вольтодобавочной выходной обмотки 2.3, центральный стержень магнитопровода не содержит обмоток, а на втором крайнем стержне расположены вторая секция основной выходной обмотки 2.4, вторая секция вольтодобавочной выходной обмотки 2.5 и обмотка 2.6 управления, первый выпрямитель 3, выходной сглаживающий фильтр 4, второй выпрямитель 5, дополнительный сглаживающий фильтр 6, второй преобразователь 7 частоты, ключевой элемент 8, блок 9 управления.

Устройство работает следующим образом. При подключении сетевого напряжения U_вх с частотой f_c к входным выводам устройства и подаче сигналов управления с выхода блока 9 на управляющие входы преобразователей 1, 2 и ключевого элемента 8 на выходе преобразователя 1 формируется импульсное знакопеременное напряжение U₁ с частотой _fпр, имеющее огибающую сетевого напряжения (фиг.2). Частота преобразования f_пр выбирается, исходя из условия исключения режима одностороннего намагничивания магнитопровода, и определяется равенством f_пр 5nf_c, где n1, 3, 5, 7 и т.д. При этом в первом крайнем стержне трансформатора 2 создается магнитный поток, уравновешивающий напряжение U₁. Это приводит к формированию в обмотках 2.2 и 2.3 напряжений такой же формы, определяемых коэффициентами трансформации соответствующих обмоток. Кроме того, магнитный поток, наводимый в первом крайнем стержне, замыкается через центральный и второй крайний стержни. При этом в обмотках второго крайнего стержня будут формироваться напряжения, определяемые величиной магнитного потока и коэффициентами трансформации соответствующих обмоток. Так как в начальный момент напряжение на выходе фильтра 6 отсутствует, преобразователь 7 на этапе запуска будет работать в обращенном режиме, т.е. напряжение, наводимое в обмотке 2.6 от работающего преобразователя 1, будет выпрямляться в преобразователе 7 и поступать на выход фильтра 6. В это же время напряжения, наводимые в обмотках 2.3 и 2.5, выпрямляются в выпрямителе 5 и поступают на вход фильтра 6. При этом будет происходить накопление энергии в фильтре. В этом режиме магнитные потоки в центральном и во втором крайнем стержнях будут определяться магнитным потоком, наводимым в первом крайнем стержне от работы преобразователя 1. Поэтому и напряжения, наводимые в обмотках 2.4, 2.5 и 2.6, будут по форме совпадать с напряжениями, наводимыми в обмотках первого крайнего стержня, за исключением моментов времени 2-3, 7-8 и т.д. в течение которых происходит закоротка обмотки управления ключевыми элементами 7.1, 7.3 или 7.2, 7.4. Как только напряжение на выходе фильтра 6 достигнет установленного значения, устройство переходит в стационарный режим работы. Преобразователь 7 при этом получает питание с выхода фильтра 6 и преобразует постоянное напряжение в переменное U₇ с частотой f_пр, причем преобразование синхронизировано с работой преобразователя 1. Напряжение U₇ прикладывается к обмотке 2.6. При этом во втором крайнем стержне создается второй магнитный поток, уравновешивающий приложенное напряжение U₇. В результате в обмотках 2.4 и 2.5 формируются напряжения, пропорциональные U₇ в соответствии с выбранными коэффициентами трансформации этих обмоток. Магнитные потоки, создаваемые в крайних стержнях магнитопровода, замыкаются через центральный стержень. Для устройства характерным является наличие трех режимов работы: большой вольтодобавки, малой вольтодобавки и закоротки. Эти режимы реализуются путем управления работой преобразователя 7 и ключевого элемента 8. Управление ключевым элементом 8 производится напряжением U_упр таким образом, что на интервалах 0-1, 4-5, 5-6, 9-10, 10-11 и т. д. ключевой элемент оказывается замкнут, а в остальные моменты времени разомкнут, чем осуществляется изменение коэффициента трансформации для обмоток, находящихся на втором крайнем стержне. Замкнутое положение ключевого элемента 8 соответствует режиму большой вольтодобавки. При этом напряжение U_2.4, наводимое на обмотке 2.4, и напряжение, наводимое на обмотке 2.5, имеют большую амплитуду. На интервалах 1-2, 3-4, 6-7, 8-9 и т.д. когда 8 разомкнут, а напряжение U₇ на выходе 7 продолжает формироваться, реализуется режим малой вольтодобавки. Режим закоротки, когда напряжение на обмотке 2.6, а следовательно, и на обмотках 2.4 и 2.5 равно нулю, обеспечивается в течение интервалов 2-3, 7-8 и т.д. путем одновременного замыкания ключевых элементов 7.1, 7.3 или 7.2, 7.4. В результате в обмотках 2.4 и 2.5 формируются вольтодобавочные напряжения, определяемые коэффициентами трансформации этих обмоток, которые суммируются с соответствующими напряжениями, наводимыми в обмотках 2.2 и 2.3. Осуществление управления по обмотке 2.6 не изменяет магнитный поток первого крайнего стержня, который определяется напряжением U₁, подводимым к обмотке 2.1. Поэтому и напряжения, наводимые в обмотках 2.2 и 2.3, будут повторять по форме U₁. Суммарное выпрямленное напряжение U₃, поступающее на вход фильтра 4, имеет пониженное (по сравнению с прототипом) содержание низкочастотных гармонических составляющих, чем и достигается уменьшение потребных значений реактивностей фильтра 4. Выпрямленное напряжение, поступающее на вход фильтра 6, будет иметь такую же форму, что также позволяет уменьшить потребные значения реактивностей фильтра 6. Изменяя длительность импульсов управления блока 9, поступающих на преобразователи 1 и 7, можно осуществлять стабилизацию выходного напряжения по методу широтно-импульсной модуляции.

Формула изобретения

ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий силовой трансформатор с первичной и двумя вторичными обмотками, одна из которых является основной, а другая вольтодобавочной, последовательно соединенные первый выпрямитель, соединенный входом с основной обмоткой, и выходной сглаживающий фильтр, подключенный своим выходом к выходным выводам устройства для подключения нагрузки, соединенным с входом блока управления, последовательно соединенные второй выпрямитель, подключенный своим входом к вольтодобавочной обмотке, и дополнительный сглаживающий фильтр, первый и второй преобразователи частоты, питающий вход первого из которых соединен с входными выводами устройства для подключения однофазного сетевого напряжения, питающий вход второго преобразователя частоты соединен с выходом дополнительного сглаживающего фильтра, отличающийся тем, что магнитопровод силового трансформатора выполнен трехстержневым, основная и вольтодобавочная вторичные обмотки выполнены из двух секций каждая, на первом крайнем стержне магнитопровода расположены первичная и первые секции основной и вольтодобавочной обмоток, на втором крайнем стержне расположены вторые секции основной и вольтодобавочной обмоток и введенная обмотка управления, выполненная с отпайкой, первая и вторая секции основной и вольтодобавочной обмоток соединены согласно последовательно, выход первого преобразователя частоты соединен с первичной обмоткой силового трансформатора, выход второго преобразователя частоты соединен с крайними выводами обмотки управления, между отпайкой которой и одним из выходных выводов второго преобразователя частоты включен введенный управляемый блоком управления ключевой элемент с двусторонней проводимостью.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2