Многоканальный стабилизирующий преобразователь переменного напряжения в постоянное

 

Использование: при проектировании многоканальных источников вторичного электропитания. Сущность изобретения: устройство содержит преобразователь постоянного напряжения в переменное, входом соединенный с выходом основного фильтра, выпрямители, каждый из которых подсоединен к соответствующей обмотке трансформатора, фильтрующие конденсаторы, управляемый ключевой элемент. В результате изменения длительности импульсов управления обеспечивается заданное значение выходного напряжения. 2 ил.

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

Известен источник питания постоянного напряжения [1] содержащий силовой трансформатор с первичной и вторичной обмотками, два выпрямителя со сглаживающими фильтрами, один из которых является основным, подключенным 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.

Несмотря на некоторое улучшение массогабаритных показателей и динамических характеристик вследствие уменьшения потребных значений параметров низкочастотных реактивных элементов к недостаткам известного устройства следует отнести необходимость применения LC-фильтров на выходе каждого канала в случае многоканального варианта построения устройства и выполнения преобразователей частоты, обеспечивающим централизованную стабилизацию выходных напряжений, что приводит к ухудшению массогабаритных показателей и жесткости выходной характеристики устройства.

Известно устройство для преобразования переменного напряжения в ряд постоянных напряжений [2] содержащее трансформатор, первичная обмотка которого выполнена со средней точкой, а крайние выводы подключены через соответствующие управляемые вентили к входным выводам, соединенным с катодами неуправляемых вентилей, аноды которых соединены, и ряд вторичных обмоток, каждая из которых подключена к двухполупериодному выпрямителю, выход которого соединен со сглаживающим фильтром, причем между средней точкой первичной обмотки трансформатора и общей точкой соединения анодов указанных неуправляемых вентилей включен дроссель.

Известное устройство обладает существенно лучшей жесткостью нагрузочной характеристики, так как требует применения на выходах каналов малогабаритных фильтров гармонических составляющих выпрямленного напряжения, имеющих достаточно малые амплитуды. Такие фильтры обладают существенно меньшим приведенным сопротивлением, которое и определяет жесткость выходной характеристики. Тем не менее, к недостаткам известного устройства следует отнести невозможность осуществления централизованной стабилизации выходных напряжений при изменении входного переменного напряжения и сравнительно низкие массогабаритные показатели из-за применения низкочастотных силового трансформатора и дросселя, работающих на частоте сетевого напряжения.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является многоканальный стабилизатор напряжений постоянного тока, содержащий централизованный регулятор напряжения, питающий вход которого соединен с клеммами для подключения первичного источника однофазного переменного напряжения, а выход с первичной обмоткой силового трансформатора, снабженного n вторичными обмотками n канальных выпрямителей, вход каждого из которых подключен к индивидуальной вторичной обмотке силового трансформатора, сглаживающий дроссельно-конденсаторный фильтр, вход которого соединен с выходом первого из канальных выпрямителей, а выход с клеммами для подключения нагрузки первого канала и через узел обратной связи с управляющим входом регулятора напряжения, n-1 фильтрующих конденсаторов, включенных между клеммами для подключения нагрузок остальных n-1 каналов, преобразователь постоянного напряжения в переменное с трансформатором, снабженным n-1 вторичными обмотками, и n-1 вспомогательных выпрямителей, причем питающий вход преобразователя напряжения соединен с выходом дроссельно-конденсаторного фильтра первого канала, вход которого из вспомогательных выпрямителей подключен к индивидуальной вторичной обмотке трансформатора преобразователя, число витков которой выбрано пропорциональным выходному напряжению одного из остальных n-1 каналов, а выход параллельно выходу соответствующего канального выпрямителя.

Несмотря на некоторое улучшение массогабаритных показателей из-за возможности уменьшения установленной мощности преобразователя постоянного напряжения в переменное и исключения в выходных фильтрах всех каналов, кроме первого, дросселей, и обеспечение централизованной стабилизации выходных напряжений, известное устройство обладает достаточной сложностью, связанной с наличием двух преобразователей напряжения (централизованного регулятора переменного напряжения и преобразователя постоянного напряжения в переменное) и сравнительно большого числа выпрямителей и обмоток трансформаторов. Устройство также имеет низкие массогабаритные показатели и динамические характеристики из-за наличия низкочастотного силового трансформатора и сравнительно больших потребных значений реактивностей LC-фильтра первого канала, низкий коэффициент мощности устройства вследствие потребления достаточно большой мощности искажений, связанной с наличием нулевой отсечки в форме кривой потребляемого из сети тока.

Изобретение направлено на решение задачи упрощения известного устройства, улучшения его массогабаритных показателей, динамических характеристик и коэффициента мощности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в известном устройстве исключены централизованный тиристорный регулятор переменного напряжения с выходным силовым трансформатором и n-1 канальных выпрямителей, соединенных со вторичными обмотками силового трансформатора, вместо чего введены вольтодобавочная вторичная обмотка в выходном трансформаторе преобразователя постоянного напряжения в переменное, содержащая вывод средней точки, вольтодобавочный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, соединенный по входу с выводами вольтодобавочной обмотки, вспомогательный диод, включенный между положительным выводом выпрямителя первого канала и входным выводом основного дроссельно-конденсаторного фильтра, причем анод вспомогательного диода соединен с положительным выводом выпрямителя первого канала, управляемый от узла обратной связи ключевой элемент, включенный между выводом средней точки вольтодобавочной обмотки и анодом вспомогательного диода, дополнительный дроссельно-конденсаторный фильтр, соединенный своим входом с выходом основного дроссельно-конденсаторного фильтра первого канала, а выходом с выходными зажимами для подключения нагрузки первого канала, вспомогательная обмотка выходного трансформатора преобразователя, выводы которой соединены с питающим входом узла обратной связи, положительный вывод вольтодобавочного выпрямителя соединен с катодом вспомогательного диода, узел обратной связи содержит дополнительный управляющий вход, причем входные выводы выпрямителя первого канала и дополнительного управляющего входа узла обратной связи соединены с входными клеммами устройства, предназначенными для подключения однофазного сетевого напряжения.

Технический результат, который может быть получен при реализации изобретения, выражается в упрощении устройства, в улучшении его массогабаритных и динамических характеристик, а также в повышении коэффициента мощности преобразователя.

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

Преобразователь содержит последовательно соединенные входной сетевой выпрямитель 1, вспомогательный диод 2, основной сглаживающий LC-фильтр 3 и дополнительный сглаживающий LC-фильтр 4, преобразователь постоянного напряжения в переменное 5, питающий вход которого соединен с выходом основного фильтра 3, с выходным трансформатором 6, в общем случае n-1 (где n количество каналов выходных напряжений) канальных выпрямителей 7, 8, каждый из которых подключен к индивидуальной вторичной обмотке трансформатора 6, n-1 фильтрующих конденсаторов 9, 10, каждый из которых подключен параллельно выходным выводам соответствующего канала, двухполупериодный выпрямитель со средней точкой 11, подключенный к вольтодобавочной вторичной обмотке трансформатора, управляемый ключевой элемент 12 и узел 13 обратной связи, питающий вход которого соединен со вспомогательной обмоткой трансформатора 6, а дополнительный управляющий вход с входными клеммами устройства для подключения сетевого напряжения.

Преобразователь работает следующим образом.

При подключении преобразователя к сети тока напряжения U_вх происходит выпрямление сетевого напряжения выпрямителем 1, и через диод 2 выпрямленное напряжение поступает на вход основного 3 и далее дополнительного 4 сглаживающих фильтров. Как только напряжение на входе основного фильтра достигает некоторого установленного уровня, происходит запуск преобразователя 5, начинают формироваться переменные напряжения во вторичных обмотках трансформатора 6. Вспомогательная обмотка трансформатора 6, соединенная с узлом обратной связи 13, обеспечивает необходимое переменное напряжение для питания узла обратной связи. Это напряжение в узле 13 выпрямляется и поступает на накопительный конденсатор. При достижении требуемого постоянного питающего напряжения на накопительном конденсаторе на выходе узла обратной связи начинает формироваться напряжение управления U_упр, поступающее на управляющий вход ключевого элемента 12. При замкнутом состоянии 12 к вспомогательному диоду 2 прикладывается выпрямленное вольтодобавочное напряжение U_вд, которое суммируется с выпрямленным напряжением выпрямителя 1. В результате, на вход фильтра 3 будет поступать выпрямленное суммарное напряжение U_в, с увеличенным средним значением выпрямленного напряжения и пониженным содержанием низкочастотных гармонических составляющих. Напряжения на выходе фильтров 3 и 4 возрастают. Поскольку питание преобразователя 5 осуществляется с выхода фильтра 3, напряжения во вторичных обмотках трансформатора 6 также увеличиваются по амплитуде. В результате изменяется длительность импульсов управления U_упр таким образом, чтобы обеспечить требуемое значение выходного постоянного напряжения первого канала, а следовательно, и всех остальных каналов. По окончании переходного процесса на выходе всех каналов устанавливаются постоянные стабилизированные напряжения требуемых номиналов. Сглаживающий фильтр 4 предназначен для сглаживания высокочастотных составляющих выходного напряжения фильтра 3, вызванных коммутацией ключевых элементов преобразователя 5, поэтому фильтр 4 имеет небольшие габариты и массу. Так как выпрямленное напряжение U_в, поступающее в установившемся режиме работы устройства на вход фильтра 3, имеет пониженное содержание низкочастотных гармоник, потребные значения реактивностей фильтра существенно уменьшается. Это приводит к улучшению массогабаритных показателей фильтра и динамических характеристик стабилизатора напряжения. Дополнительный управляющий вход узла управления 13 необходим для обеспечения требуемой синхронизации импульсов напряжения U_упр с сетевым напряжением. При обеспечении непрерывности тока дросселя фильтра 3 устраняется нулевая отсечка в кривой потребляемого от сети тока, что снижает потребляемую мощность искажения и повышает коэффициент мощности устройства.

Формула изобретения

МНОГОКАНАЛЬНЫЙ СТАБИЛИЗИРУЮЩИЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ, содержащий выпрямитель первого канала, основной сглаживающий LC-фильтр, соединенный одним своим входным выводом с отрицательным выводом выпрямителя первого канала, преобразователь постоянного напряжения в переменное с выходным трансформатором, содержащим n вторичных обмоток, питающий вход преобразователя соединен с выходом основного сглаживающего фильтра первого канала, n канальных выпрямителей, каждый из которых своим входом соединен с соответствующей вторичной обмоткой выходного трансформатора, а выходом с выходными клеммами для подключения нагрузки соответствующего канала, n фильтрующих конденсаторов, включенных между клеммами для подключения нагрузок каналов, узел обратной связи по напряжению первого канала, отличающийся тем, что выходной трансформатор преобразователя содержит введенные вспомогательную обмотку, выводы которой соединены с питающим входом узла обратной связи, и вольтодобавочную обмотку, имеющую вывод средней точки, узел обратной связи содержит дополнительный управляющий вход, введены вольтодобавочный двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, соединенный своим входом с выводами вольтодобавочной обмотки, вспомогательный диод, включенный между положительным выводом выпрямителя первого канала и входным выводом дросселя основного сглаживающего LC-фильтра, положительный вывод вольтодобавочного выпрямителя соединен с общей точкой соединения катода вспомогательного диода и входного вывода дросселя основного LC-фильтра, управляемый с выхода узла обратной связи ключевой элемент, включенный между выводом средней точки вольтодобавочной обмотки и общей точкой соединения положительного вывода выпрямителя первого канала и анода вспомогательного диода, и дополнительный сглаживающий LC-фильтр, вход которого соединен с выходом основного сглаживающего фильтра, а выход с выходными клеммами для подключения нагрузки первого канала, причем входные выводы выпрямителя первого канала и дополнительного управляющего входа узла обратной связи соединены с входными клеммами устройства для подключения однофазного сетевого напряжения.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2