Устройство для преобразования напряжения

 

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в радиоэлектронике, технике связи, измерительной технике, в частности для преобразования переменного напряжения в переменное. В изобретении решается задача стабилизации выходного напряжения, изменения частоты, величины и формы выходного напряжения, а также энергоснабжения нагрузки при полном пропадании напряжении сети. Поставленная задача решается тем, что в преобразователь, содержащий входной высокочастотный фильтр 1, выпрямитель 2 тока, низкочастотный фильтр 3, ключ 4, блок 26 управления, транзисторный мост, датчик 11 напряжения, введены датчик 12 напряжения, датчики 14, 15, 16 тока, ключи 5, 6, дроссели 17, 18, диоды 19, 20, 21 накопительный конденсатор 27, выходной фильтр 25, функциональные преобразователи 22, 23 и источник 24 постоянного тока. 2 ил.

Изобретение относится к импульсной технике и может быть использовано в радиоэлектронике, технике связи, измерительной технике, в частности для преобразования переменного напряжения в переменное.

Известны устройства для преобразования переменного напряжения в переменное (Бальян Р.Х. Сиверс М.А. Тиристорные генераторы и инверторы. Л. 1982, с. 122), содержащие выпрямитель тока, тиристорный мост, дроссель, блок управления тиристорами.

Недостатком данного устройства являются значительная величина коэффициента несинусоидальности выходного напряжения, ведущая к низкой надежности подключаемого оборудования, большие массогабаритные показатели.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для преобразования переменного напряжения (или тока) в переменное (авт. св. СССР N 1688360, кл. Н 02 М 5/45, 1989), содержащее последовательно соединенные высокочастотный фильтр, выпрямитель тока, низкочастотный фильтр, первый ключ, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены соответственно с плечами управляемого транзисторного моста, первый вход блока управления является установочным входом, второй вход блока управления подключен к выходу первого датчика напряжения.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности стабилизации выходного напряжения при пониженном входном напряжении, невозможность параллельной работы с источником постоянного напряжения меньшей величины, чем основной, отсутствие возможности изменять частоты выходного напряжения.

Задача, на решение которой направлено изобретение, является создание устройства для преобразования напряжения, позволяющего стабилизировать выходное напряжение на желаемом уровне при изменении входного напряжения на +20% установить частоту выходного напряжения в диапазоне 0-500 Гц, величину выходного напpяжения от 20 до 220 В, а при полном пропадании входного напряжения обеспечить постоянное энергоснабжение нагрузки.

Поставленная техническая задача решается тем, что в преобразователь переменного напряжения в переменное, содержащий последовательно соединенные высокочастотный фильтр, выпрямитель тока, низкочастотный фильтр, первый ключ, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены соответственно с плечами управляемого транзисторного моста, первый вход блока управления является установочным входом, второй вход блока управления подключен к выходу первого датчика напряжения, введены второй датчик напряжения, первый, второй и третий датчики тока, второй и третий ключи, первый и второй дроссели, первый, второй и третий диоды, накопительный конденсатор, выходной фильтр, первый и второй функциональные преобразователи и источник постоянного тока, причем положительный выход низкочастотного фильтра подключен через последовательно соединенные первый ключ, пеpвый дроссель и первый диод к первому выводу первой диагонали транзисторного моста, второй вывод которой через первый датчик тока соединен с отрицательным выходом низкочастотного фильтра, положительный выход которого через второй датчик напряжения подключен к его отрицательному выходу, выход второго датчика напряжения через второй функциональный преобразователь подключен к третьему входу блока управления, параллельно первому и второму выводам первой диагонали подключен накопительный конденсатор и первый датчик напряжения, при этом выход первого ключа через второй диод подключен к отрицательному выходу низкочастотного фильтра, а выход первого дросселя соединен через второй ключ с вторым выводом первой диагонали моста, первый вывод второй диагонали которого подключен через второй датчик тока к первому входу выходного фильтра, второй вход которого соединен с вторым выводом второй диагонали транзисторного моста, вывод второго датчика тока через первый функциональный преобразователь подключен к четвертому входу блока управления, выход первого датчика тока подключен к пятому входу блока управления, причем положительный вывод источника постоянного тока через последовательно включенный второй дроссель и третий диод подключен к положительному выходу низкочастотного фильтра, выход третьего датчика тока подключен к шестому входу блока управления, а выход второго дросселя через третий ключ соединен с отрицательным выходом низкочастотного фильтра, управляющие входы второго и третьего ключей подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, седьмой и восьмой входы блока управления соединены с выходами второго датчика напряжения и второго датчика тока соответственно.

Введение перечисленных блоков и связей позволило создать устройство преобразования напряжения, позволяющее благодаря введению первого дросселя и второго ключа накапливать энергию в дросселе и, регулируя ее выдачу с помощью ключа 2, поддерживать стабилизированное напряжение на выводах устройства; наличие третьего ключа и второго дросселя позволяет путем регулирования тока во втором дросселе, с помощью блока управления, поддерживать необходимое напряжение на выходе низкочастотного фильтра и тем самым осуществить подключение источника постоянного тока, с помощью которого обеспечить стабилизацию напряжения на нагрузке; управление первым и вторым ключами по соответствующему закону, определяемому блоком управления, позволяет изменить частоту, величину и форму выходного напряжения.

На фиг. 1 приведена структурная схема устройства для преобразования напряжения; на фиг. 2 структурная схема блока управления.

Устройство для преобразования напряжения (фиг. 1) содержит высокочастотный фильтр 1, выпрямитель 2 тока, низкочастотный фильтр 3, ключи 4, 5, 6, транзисторный мост 7 с ключами 8-11, датчики 12 и 13 напряжения, датчики 14-16 тока, дроссели 17, 18, диоды 19-21, функциональные преобразователи 22 и 23, источник 24 тока, выходной фильтр 25, блок 26 управления, конденсатор 27 и нагрузку 28.

Напряжение сети через входной фильтр 1, выпрямитель 2 тока и низкочастотный фильтр 3 подается на ключ 4. Датчик 12 напряжения, контролирующий напряжение на входе устройства преобразования напряжения, соединен с блоком 26 управления и функциональным преобразователем 22. Накопительный конденсатор 27 через диод 20 и дроссель 17 подключен к ключу 4. Параллельно конденсатору 27 подключен датчик 13 напряжения. Датчик 14 тока подключен к аноду диода 19 и ключу 5. Транзисторный мост 7, содержащий ключи 8-11, одной своей диагональю подключен к конденсатору 27, а другой через датчик 15 тока к выходному фильтру 25. Выход датчика 15 тока соединен с блоком 26 управления и функциональным преобразователем 23. Источник 24 тока через дроссель 18, диод 21 и датчик 16 тока соединен с выходом низкочастотного фильтра 3. Ключ 6 соединен с анодом диода 21 и датчиком 16 тока. Блок 26 управления имеет восемь входов, к которым подключены внешняя уставка максимального тока, датчики 12 и 13 напряжения, датчики 14-16 тока, функциональные преобразователи 22 и 23 и пять входов, соединенных соответственно с ключами 4-6 и транзисторным мостом 7.

Блок 26 управления (фиг. 2) содержит блоки 28-30 сравнения, триггеры Шмидта 31 и 32, генератор 33 эталонного напряжения, формирователь 34 импульсов, распределитель 35 импульсов, логические элементы И 36-42, логические элементы ИЛИ 43-45, инвертор 46.

Сигналы, поступающие от датчиков напряжения и датчиков тока, после обработки в блоках 28-30 сравнения и триггерах Шмидта 31, 32, поступают на логические элементы 36-46. Генератор 33 эталонного напряжения соединен с входами блока 28 сравнения, триггера Шмидта 31 и формирователя 34 импульсов. Выход формирователя 34 импульсов соединен с входом распределителя 35 импульсов.

Входной, выходной и низкочастотный фильтры выполнены по известным схемам с использованием LC-контуров. Функциональные преобразователи 22 и 23 также могут быть выполнены по одной из известных схем с использованием операционных усилителей, обеспечивая на выходе линейную зависимость изменения напряжения с заданным наклоном и ограничением по уровню.

Блоки сравнения, генератор эталонного напряжения, формирователь импульсов и распределитель импульсов выполнены по известным схемам.

Устройство для преобразования напряжения работает следующим образом.

При подключении устройства к сети через некоторое время на выходе низкочастотного фильтра 3 устанавливается напряжение, соответствующее сетевому уровню. От датчиков 12, 13 напряжения и датчиков 14-16 тока поступают сигналы на блоки 28-30 сравнения, триггеры Шмидта 31, 32 и функциональные преобразователи 22, 23. Выходные сигналы блоков 28-32 в виде логических уровней "0" или "1" поступают на логические элементы 36-46. Если сигналы от датчиков 14, 15 тока и датчика 13 напряжения равны нулю, то на выходе 1 блока 26 управления появится логическая "1" и включается ключ 4. Это вызывает протекание тока по цепи: ключ 4, дроссель 17, диод 20, датчик 14 тока и конденсатор 27. Дроссель 17 регулирует скорость нарастания тока. В результате протекания тока растет напряжение на конденсаторе 27. Величина этого напряжения непрерывно контролируется датчиком 13 напряжения. Как только напряжение на конденсаторе 27 превысит мгновенное значение напряжения, вырабатываемое генератором эталонного напряжения блока 26 управления, происходит отключение ключа 4. Для того, чтобы отключение ключа не приводило к коммутационному перенапряжению, в цепь введен диод 19, и ток начинает протекать по контуру: диод 19, дроссель 17, диод 20, конденсатор 27. Если энергия, накопленная в дросселе 17, столь велика, что при данной нагрузке напряжение на конденсаторе 27 продолжает расти, то на выходе блока 26 управления появляется логическая "1", включается ключ 5 и шунтирует дроссель 17. При снижении напряжения на конденсаторе 27, в результате его разряда на нагрузку 28 через пару управляемых ключей 13, 15 или 14, 16 транзисторного моста 7, ниже мгновенного значения напряжения, вырабатываемого эталонным генератором блока 26 управления, на выходе 4 блока 26 управления появляется логический "0" и ключ 5 отключается. Это заставляет дроссель 17 отдавать накопленную энергию в конденсатор 27 и увеличить напряжение на его зажимах. В случае, если этой энергии недостаточно и напряжение на конденсаторе 27 продолжает снижаться, включается ключ 4 и подключает конденсатор 27 к входу низкочастотного фильтра. Далее процесс повторяется по описанному алгоритму. Если в сети в данный момент времени наблюдается понижение напряжения до уровня 20% от номинального, то на выходах 1 и 4 блока 26 управления появляются логические "1" и одновременно включаются ключи 4 и 5. Ток через дроссель 17 увеличивается до значения, определяемого мощностью нагрузки, что контролируется датчиком 15 тока и фиксируется на этом уровне путем отключения ключа 5. Избыточная энергия, накопленная в дросселе 17, передается в конденсатор 27 и приводит к увеличению напряжения на нем. Таким образом, устройство вступает в режим стабилизации напряжения. С увеличением напряжения на конденсаторе 27 снова включается ключ 5, и процесс повторяется. При еще большем понижении напряжения автоматически вступает в работу источник 24 постоянного тока. Происходит это при подаче команды с выхода 5 блока 26 управления на открытие ключа 6. Ток от источника начинает протекать по цепи: дроссель 18, ключ 6, датчик тока 16. При достижении током заданного значения, что определяется мощностью нагрузки, ключ 6 размыкается, и энергия, накопленная в дросселе 18, через диод 21 сбрасывается в конденсаторы фильтры 3, обеспечивая поддержание напряжения на его зажимах на заданном уровне. При полном пропадании напряжения сети устройство переходит в режим работы от источника 24 постоянного тока. Подключение источника 24 к выходу низкочастотного фильтра позволяет в процессе работы стабилизировать выходное напряжение, а также свести к минимуму количество силовой коммутационной аппаратуры и упростить систему управления процессом переключения.

Блок 26 управления работает следующим образом.

Сигналы от датчиков напряжения и тока, обработанные блоками 28-30 сравнения и триггерами Шмидта 31, 32, в виде логических "0" и "1", поступают на входы логических элементов 36-46. Выходы логических элементов 36, 37, 44, 45 управляют ключами устройства преобразования напряжения. Генератор эталонного напряжения вырабатывает напряжение заданной частоты и формы, которые поступают на блок 28 сравнения, триггер Шмидта 31 и формирователь 34 импульсов. Формирователь 34 импульсов формирует прямоугольные однополярные импульсы, поступающие на вход распределителя импульсов 35 и далее поочередно на входы логических элементов 36, 37, управляющих ключами транзисторного моста 7. Выход блока 29 сравнения непосредственно соединен с ключом 6.

Таким образом, данный преобразователь по сравнению с известными позволяет стабилизировать выходное напряжение, изменять частоту, величину и форму выходного напряжения, а также переходить на работу от источника постоянного тока, обеспечивая постоянное энергоснабжение нагрузки.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ, содержащее последовательно соединенные высокочастотный фильтр, выпрямитель тока, низкочастотный фильтр, первый ключ, управляющий вход которого соединен с первым выходом блока управления, второй и третий выходы которого соединены соответственно с плечами управляемого транзисторного моста, первый вход блока управления является установочным входом, второй вход блока управления подключен к выходу первого датчика напряжения, отличающееся тем, что в него введены второй датчик напряжения, первый, второй и третий датчики тока, второй и третий ключи, первый и второй дроссели, первый, второй и третий диоды, накопительный конденсатор, выходной фильтр, первый и второй функциональные преобразователи и источник постоянного тока, причем положительный выход низкочастотного фильтра подключен через последовательно соединенные первый ключ, первый дроссель и первый диод к первому выводу первой диагонали транзисторного моста, второй вывод которой через первый датчик тока соединен с отрицательным выходом низкочастотного фильтра, положительный выход которого через второй датчик напряжения подключен к его отрицательному выходу, выход второго датчика напряжения через второй функциональный преобразователь подключен к третьему входу блока управления, параллельно первому и второму выводам первой диагонали подключен накопительный конденсатор и первый датчик напряжения, при этом выход первого ключа через второй диод подключен к отрицательному выходу низкочастотного фильтра, а выход первого дросселя соединен через второй ключ с вторым выводом первой диагонали моста, первый вывод второй диагонали которого подключен через второй датчик тока к первому входу выходного фильтра, второй вход которого соединен с вторым выводом второй диагонали транзисторного моста, вывод второго датчика тока через первый функциональный преобразователь подключен к четвертому входу блока управления, выход первого датчика тока подключен к пятому входу блока управления, причем положительный вывод источника постоянного тока через последовательно включенный второй дроссель и третий диод подключен к положительному выходу низкочастотного фильтра, выход третьего датчика тока подключен к шестому входу блока управления, а выход второго дросселя через третий ключ соединен с отрицательным выходом низкочастотного фильтра, управляющие входы второго и третьего ключей подключены соответственно к четвертому и пятому выходам блока управления, седьмой и восьмой входы блока управления соединены с выходами второго датчика напряжения и второго датчика тока соответственно.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2