Преобразователь постоянного напряжения

 

Использование: изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания и электропривода. Сущность изобретения: преобразователь постоянного напряжения включает ведущий и ведомый однофазные автогенераторы, имеющие насыщающиеся трансформаторы с расположенными на каждом из них первичной обмоткой и обмотками обратной связи, а также синхронизирующей обмоткой на трансформаторе ведущего автогенератора, включенной согласно-последовательно с первичной обмоткой ведомого автогенератора. Трансформатор ведомого автогенератора снабжен синхронизирующей обмоткой, включенной встречно-последовательно в цепь первичной обмотки ведущего автогенератора, оба трансформатора снабжены дополнительными обмотками обратной связи, включенными в цепь обмоток обратной связи согласно и встречно-последовательно для ведомого и ведущего автогенераторов соответственно, причем коэффициент трансформации между первичной и синхронизирующей обмотками ведомого автогенератора равен коэффициенту трансформации между соответствующими обмотками ведущего автогенератора, а соотношение числа витков дополнительных обмоток и обмоток обратной связи равно соотношению числа витков между синхронизирующей и первичной обмотками. Изобретение позволяет повысить точность задания угла сдвига фаз между выходными напряжениями в два раза и поднять КПД преобразователя на 10%. 5 ил., 1 табл.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания и электропривода.

Известен двухфазный автогенераторный преобразователь [1] для питания асинхронного двигателя, выполненный в виде двух параллельно соединенных ячеек и конденсатора, включенного между ними. Каждая ячейка имеет ветвь из последовательно соединенных конденсаторов, что уменьшает диапазон регулирования частоты выходного напряжения и делает неустойчивой работу схемы. Синхронизация фаз у данного преобразователя осуществляется с помощью конденсатора, что снижает точность и стабильность задания угла сдвига фаз.

Известны двухфазные автогенераторные преобразователи [2, 3] Рассматриваемый преобразователь состоит из двух однофазных автогенераторов, один из которых является ведущим, а другой ведомым. На каждом трансформаторе автогенераторов расположены первичная обмотка и обмотки обратной связи. На трансформаторе ведущего автогенератора с целью формирования сдвига фаз между выходными напряжениями расположена синхронизирующая обмотка, включенная согласно-последовательно с первичной обмоткой ведомого автогенератора. Синхронизацию фаз в таких преобразователях осуществляют путем изменения формы напряжения в первичных обмотках насыщающихся трансформаторов. Угол сдвига фаз между выходными напряжениями определяется по формуле α = 90·[1+K·(p-1)], где p отношение собственных частот однофазных автогенераторов, K - коэффициент трансформации между первичной и синхронизирующей обмотками. Изменяя p и K, можно получить любой угол сдвига фаз. Практически выбор величины K ограничен условиями работы базовых цепей транзисторов. Поскольку базовые обмотки преобразователя связаны с первичными обмотками общим потокосцеплением, то в базовой обмотке ведомого инвертора формируется ступенчатое напряжение. Необходимая величина тока управления транзисторов в этом случае выбирается по низшей ступени базового напряжения. Верхняя ступень создает дополнительные потери в схеме, ухудшает тепловой режим и КПД работы базовых цепей. Чем больше коэффициент K, тем меньше ступень напряжения. Однако при значениях K, больших 10, угол сдвига фаз получается неустойчивым. Поэтому практически K рекомендуется выбирать равным от 3,3 до 5. Величина p может изменяться от нуля до двух. Практически при ограничении K от 3,3 до 5 коэффициент p следует выбирать равным 0,7 1,3.

Элементы преобразователя (трансформаторы, транзисторы) всегда имеют технологической разброс параметров. Поэтому при данном ограничении значений K и p даже их незначительное изменение приводит к заметному (до 30^o) изменению угла сдвига фаз относительно заданной величины. Так, при изменении величины p в указанных выше пределах угол сдвига фаз меняется от 10^o до 173^o, т. е. при отклонении величины p на 10% угол сдвига фаз отклоняется от заданной величины в среднем на 30^o.

Задачей изобретения является повышение точности задания угла сдвига фаз и экономичности работы схемы.

Поставленная задача решается использованием преобразователя постоянного напряжения, состоящего из ведущего и ведомого однофазных автогенераторов. Автогенераторы имеют насыщающиеся трансформаторы с расположенными на каждом из них первичной обмоткой и обмотками обратной связи, а также синхронизирующей обмоткой на трансформаторе ведущего автогенератора, включенной согласно-последовательно с первичной обмоткой ведомого автогенератора. Причем трансформатор ведомого автогенератора снабжен синхронизирующей обмоткой, включенной встречно-последовательно с первичной обмоткой ведущего автогенератора. Оба трансформатора снабжены дополнительными обмотками обратной связи, включенными в цепи обмоток обратной связи согласно-последовательно и встречно-последовательно для ведущего и ведомого автогенераторов соответственно. Коэффициент трансформации между первичной и синхронизирующей обмотками ведомого автогенератора равен коэффициенту трансформации между соответствующими обмотками ведущего автогенератора, а соотношение числа витков обмоток обратной связи и дополнительных обмоток равно коэффициенту трансформации между первичной и синхронизирующей обмотками.

Сущность изобретения пояснена чертежами. На фиг. 1 показана принципиальная электрическая схема двухфазного преобразователя постоянного напряжения. На фиг. 2 зависимость магнитной индукции B от напряженности магнитного поля H. На фиг. 3 изображена схема преобразователя для первого интервала постоянства структуры цепи. На фиг. 4 напряжения на первичных и синхронизирующих обмотках и фазные напряжения инверторов. Зависимость угла сдвига фаз от коэффициента трансформации K при различных соотношениях частот показана на фиг. 5. В табл. 1 приведены результаты анализа электромагнитных процессов в преобразователе. Двухфазный преобразователь постоянного напряжения (фиг. 1) содержит два однофазных мостовых автогенератора на транзисторах 1 8 и два трансформатора 9, 10 с прямоугольной петлей гистерезиса. На каждом трансформаторе расположено по одной первичной обмотке 11, 12, по одной синхронизирующей обмотке 13, 14, по четыре обмотки обратной связи 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 и по четыре дополнительных обмотки 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30. Первичная обмотка 11 ведущего автогенератора соединена встречно-последовательно с синхронизирующей обмоткой 14 ведомого автогенератора. Первичная обмотка 12 соединена согласно-последовательно с синхронизирующей обмоткой 13. Коэффициент трансформации между первичной 12 и синхронизирующей 14 обмотками ведомого автогенератора равен коэффициенту трансформации обмоток 11 и 13 ведущего автогенератора.

Дополнительные обмотки 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30 соединены с обмотками обратной связи 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22 аналогично синхронизирующим и первичным обмоткам соответствующих автогенераторов. Двухфазная нагрузка подключается в диагонали автогенераторов.

Преобразователь работает следующим образом. Пусть при подаче напряжения включились транзисторы 1, 4 и 6, 7. Трансформатор 9 находится в крайней точке отрицательного насыщения (точка a на фиг. 2а), а трансформатор 10 в точке г (фиг. 2а). Для точного поддержания заданного угла сдвига фаз между выходными напряжениями, например 90^o, коммутация транзисторов ведомого автогенератора должна осуществляться относительно транзисторов ведущего также через 90^o. На первом интервале периода ток синхронизирующей обмотки 13, включенной в цепь первичной обмотки 12 трансформатора 10, препятствует насыщению трансформатора 9, а его рабочая точка перемещается по петле гистерезиса из точки а в точку б (фиг. 2а). Токи в обмотках трансформатора 10 за первый интервал времени выводят его в насыщение, и его рабочая точка перемещается на фиг. 2а из точки г в точку а. При этом меняется полярность базовых напряжений и происходит переключение транзисторов ведомого инвертора. Аналогично можно рассмотреть работу преобразователя в течение следующих интервалов периода. Таким образом, сердечники трансформаторов 9, 10 входят в режим насыщения за интервал времени, равный T/2, причем сдвиг фаз между моментами насыщения сердечников составляет T/4 (фиг. 2б). Соответственно каждая пара транзисторов находится в открытом состоянии половину периода, а переключение транзисторов происходит через интервалы времени, равные Т/4.

Схема преобразователя для первого интервала постоянства структуры цепи изображена на фиг. 3. При анализе электромагнитных процессов в схеме преобразователя не учитывались индуктивности рассеяния обмоток трансформаторов и активные сопротивления всех элементов системы управления, а также считалось, что вторичные обмотки не оказывают влияния на намагничивающую силу первичных обмоток, т.е. трансформаторы работают в режиме холостого хода. Если обозначить собственную индуктивность первичной обмотки L₁-L, то в соответствии с принятыми допущениями собственная индуктивность синхронизирующей обмотки равна: L_c=L/K². Коэффициент трансформации K=W₁/W_c. Для схемы, изображенной на фиг. 3, можно записать два контурных уравнения: L₁pi₁ Mpi₂ + L_cpi₁ + Mpi₂ U L_cpi₂ Mpi₁ + L₁pi₂ + Mpi₁ U где p= d/dt оператор дифференцирования. Решая эту систему относительно производных токов, получим следующие соотношения для напряжений на первичных и синхронизирующих обмотках: U_A1 K · (K -1) · U/(K² + 1) U_AС K · (K + 1) · U/ (K² + 1) U_B1 K · (K 1) · U/ (K² + 1) U_BC K · (K 1) · U/ (K² + 1)
Фазные напряжения преобразователя получаются суммированием соответствующих напряжений обмоток (фиг. 4). Аналогично составляются и решаются контурные уравнения для всех остальных интервалов постоянства структуры цепи. Результаты анализа электромагнитных процессов сведены в табл. 1, а форма фазных напряжений показана на фиг. 4.

В соответствии с вышеизложенными ограничениями коэффициент K следует выбирать равным 3,33 5. Тогда при изменении величины p в пределах 0,7 1,3 угол сдвига фаз меняется от 42 до 125 градусов (фиг. 5). То есть при изменении на 10% угол сдвига фаз меняется на 15 градусов. Таким образом введение синхронизирующей обмотки 14 позволяет повысить точность задания угла сдвига фаз между выходными напряжениями в два раза. Введение дополнительных обмоток в базовые цепи транзисторов обеспечивает формирование базовых напряжений прямоугольной формы. Необходимая величина тока управления транзисторов, определяемая по меньшему значению напряжения, будет неизменной в течение всего полупериода напряжения. Благодаря этому потери мощности в базовых цепях уменьшаются, что повышает КПД инвертора.

Проведены испытания макетного образца двухфазного преобразователя, предназначенного для питания двигателя стиральной машины. Преобразователь собран на трансформаторах, имеющих тороидальные сердечники. Однофазные автогенераторы выполнены на транзисторах марки КТ 847 А. Частота преобразователя 200 Гц, коэффициент полезного действия 0,8, коэффициент мощности 0,9. Мощность двигателя составила 250 Вт, скорость вращения 6000 об/мин.

Формула изобретения

Преобразователь постоянного напряжения, включающий ведущий и ведомый однофазные автогенераторы, имеющие насыщающиеся трансформаторы с расположенными на каждом из них первичной обмоткой и обмотками обратной связи, а также синхронизирующей обмоткой на трансформаторе ведущего автогенератора, включенной согласно-последовательно с первичной обмоткой ведомого автогенератора, отличающийся тем, что трансформатор ведомого автогенератора снабжен синхронизирующей обмоткой, включенной встречно-последовательно в цепь первичной обмотки ведущего автогенератора, оба трансформатора снабжены дополнительными обмотками обратной связи, включенными в цепи обмоток обратной связи согласно и встречно-последовательно для ведомого и ведущего автогенераторов соответственно, причем коэффициент трансформации между первичной и синхронизирующей обмотками ведомого автогенератора равен коэффициенту трансформации между соответствующими обмотками ведущего автогенератора, а соотношение числа витков дополнительных обмоток и обмоток обратной связи равно соотношению числа витков между синхронизирующей и первичной обмотками.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6