Резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией

 

Использование: преобразовательная техника, в частности системы электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники. Цель изобретения: повышение КПД и расширение функциональных возможностей преобразователя. Сущность изобретения: в резонансном преобразователе, состоящем из полумостового резонансного инвертора с входным трансформатором и выпрямителем, рекуперирующие диоды включены встречно-параллельно соответствующему зарядному тиристору и первичной полуобмотке выходного трансформатора, причем каждый рекуперирующий диод зашунтирован встречно-параллельно включенным модулирующим тиристором. 5 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Известен инвертор [1], содержащий два последовательно соединенных конденсатора, включенных между входными выводами, к которым подключены две последовательно соединенные силовые цепи, состоящие из последовательно соединенных первичной обмотки импульсного трансформатора и тиристора, управляющий электрод каждого из тиристоров связан с вторичной обмоткой одного из двух импульсных трансформаторов, первичная обмотка которого связана с другим тиристором, два диода и нагрузку, включенную между общими точками конденсаторов и силовых цепей.

Недостатком такого инвертора является то, что при малом сопротивлении нагрузки в коммутирующем контуре имеет место излишек реактивной мощности, что вызывает перенапряжение на элементах схемы.

Указанного недостатка лишена схема инвертора с рекуперирующими диодами, включенными встречно-параллельно с тиристорами [2]. Инвертор содержит два последовательно соединенных резонансных конденсатора, включенных между положительной и отрицательной клеммами источника напряжения, два согласно-последовательно соединенных рекуперирующих диода, катод одного из которых подключен к положительной клемме, а анод другого - к отрицательной, а их общая точка через резонансный дроссель и первичную обмотку трансформатора подключена к общей точке конденсаторов; вторичные обмотки трансформаторов и два диода образуют схему выпрямления со средней точкой, подключенную к нагрузке, шунтированной конденсатором фильтра, два транзистора, каждый из которых шунтирует один из обратных диодов так, что его коллектор подключен к катоду диода, а эмиттер - к аноду.

Особенностью приведенного инвертора является то, что как прямой ток резонансного контура, так и обратный протекает через первичную обмотку трансформатора. Это приводит к тому, что при уменьшении сопротивления нагрузки до нуля выпрямленный ток возрастает практически в два раза по сравнению с номинальным, что приводит к перегрузке трансформаторов и диодов выпрямителя. Кроме того, рекуперация энергии происходит через трансформатор, КПД которого составляет 0,8 - 0,85, что снижает величину рекуперированной энергии и, следовательно, КПД инвертора уменьшается на 7 - 10%.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и положительному эффекту является преобразователь постоянного напряжения в переменное [3].

Преобразователь постоянного напряжения в переменное содержит последовательный тиристорный резонансный инвертор с выходным трансформатором и узлом рекуперации избыточной энергии указанного трансформатора, к вторичной обмотке которого, выполненной со средним выводом, через тиристорный делитель частоты подключена цепь нагрузки, состоящая из дросселя и двух диодов, анод первого из которых подключен к концу вторичной обмотки трансформатора, а анод второго через последовательно включенный дроссель - к началу этой обмотки, причем тиристорный делитель частоты выполнен мостовым и подключен анодной группой к катодам диодов, а катодной - к среднему выводу вторичной обмотки трансформатора.

Преобразователь [3] по сравнению с инверторами [1 и 2] имеет преимущество, заключающееся в том, что при уменьшении сопротивления нагрузки избыток реактивной мощности рекуперируется в источник питания, минуя нагрузку, что позволяет избежать перегрузки по току выпрямительных диодов и нагрузки.

Однако в преобразователе [3], как и в инверторе [2], рекуперация энергии осуществляется через выходной трансформатор, что также снижает его КПД на 7 - 10%.

Кроме того, у преобразователя [3] выходной трансформатор при сопротивлении нагрузки, согласованном с волновым сопротивлением резонансного контура, работает в режиме частного перемагничивания магнитопровода, так как по его первичным обмоткам, включенным согласно, ток протекает в одном направлении.

При работе трансформатора в режиме частного перемагничивания магнитопровода по сравнению с трансформатором, работающим по полному циклу перемагничивания, требуется большее число витков обмоток и магнитопровод с большим объемом сердечника. Это снижает КПД до 0,7 - 0,8 и соответственно приводит к уменьшению КПД всего устройства на 10 - 15%.

Общим недостатком всех приведенных выше устройств [1 - 3] являются их ограниченные функциональные возможности в регулировании выходного напряжения. Регулирование в них может осуществляться только при использовании частотно-импульсной модуляции.

Недостатки такого способа известны: ограниченный диапазон регулирования; необходимость использования трансформатора, рассчитанного на сравнительно низкую частоту, что снижает его КПД и, следовательно, КПД всего устройства, увеличение габаритов и массы как трансформатора, так и конденсатора фильтра.

Цель изобретения - повышение КПД преобразователя и расширение его функциональных возможностей.

Повышение КПД достигается за счет снижения потерь при рекуперации энергии и за счет работы выходного трансформатора на высокой фиксированной частоте в режиме перемагничивания магнитопровода по полному циклу.

Расширение функциональных возможностей преобразователя, а именно широкодиапазонное регулирование выходного напряжения (тока), обеспечивается наличием широтно-импульсной модуляции напряжения (тока) первичных обмоток выходного трансформатора. Возможность широкодиапазонного регулирования выходного напряжения, в свою очередь, позволяет расширить область применения предлагаемого преобразователя.

Цель достигается тем, что в преобразователе постоянного напряжения в переменное, содержащем резонансный тиристорный инвертор с выходным трансформатором и узлом рекуперации, анод зарядного тиристора первой силовой цепи соединен с концом одной первичной обмотки трансформатора, начало которой подключено к положительной клемме источника питания, его катод соединен с анодом зарядного тиристора второй силовой цепи, катод которого подключен к концу другой первичной обмотки трансформатора, начало которой соединено с отрицательной клеммой источника питания; точка соединения анода и катода двух зарядных тиристоров через резонансный дроссель подключена к общей точке резонансных конденсаторов, а каждая силовая цепь шунтирована встречно-параллельно соединенными модулирующими тиристорами и рекуперирующим диодом так, что анод первого модулирующего тиристора соединен с положительной клеммой источника питания, а катод - с общей точкой двух зарядных тиристоров и анодом второго модулирующего тиристора, катод которого подключен к отрицательной клемме источника питания; резистор нагрузки шунтирован конденсатором фильтра.

На фиг. 1 представлена предлагаемая схема преобразователя; на фиг. 2 - диаграммы напряжений и токов, поясняющие его работу; на фиг. 3 - 4 - схемы аналогов; на фиг. 5 - схема преобразователя постоянного напряжения в переменное, принятого за прототип.

На чертежах и в тексте приняты следующие обозначения: 1 и 2 - рекуперирующие диоды; 3 - резонансный дроссель; 4 и 5 - резонансные конденсаторы; 6 и 7 - положительная и отрицательная клеммы источника питания; 8 и 9 - зарядные тиристоры; 10 и 11 - первичные обмотки трансформатора; 12 - трансформатор; 13 и 14 - вторичные обмотки трансформатора; 15 и 16 - диоды схемы выпрямления;
17 - резистор нагрузки;
18 - конденсатор фильтра;
19 и 20 - модулирующие тиристоры;
t₁ - сдвиг импульсов включения тиристоров 19 и 20 относительно импульсов включения тиристоров 8 и 9;
t₂ - половина периода собственных колебаний резонансного контура;
T - период следования импульсов включения тиристоров 8 и 9.

Предлагаемый резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (фиг. 1) содержит два рекуперирующих диода 1 и 2; резонансный дроссель 3, два последовательно соединенных резонансных конденсатора 4 и 5, включенных между положительной 6 и отрицательной 7 клеммами источника питания; две последовательно соединенные силовые цепи, каждая из которых образована последовательно включенными зарядными тиристорами 8, 9 и первичной обмоткой 10 и 11 трансформатора 12, причем анод зарядного тиристора 8 первой силовой цепи соединен с концом первичной обмотки 10 трансформатора 12, начало которой подключено к положительной клемме 6 источника питания, а катод соединен с анодом зарядного тиристора 9 второй силовой цепи, катод которого подключен к концу первичной обмотки 11 трансформатора 12, начало которой соединено с отрицательной клеммой 7 источника питания. Точка соединения зарядных тиристоров 8 и 9 через резонансный дроссель 3 подключена к общей точке резонансных конденсаторов 4 и 5. Кроме того, каждая силовая цепь шунтирована встречно-параллельно включенными модулирующими тиристорами 19, 20 и рекуперирующими диодами 1 и 2 так, что анод первого модулирующего тиристора 19 соединен с положительной клеммой 6 источника питания, а катод - с общей точкой резонансных конденсаторов 4, 5 и анодом второго модулирующего тиристора 20, катод которого подключен к отрицательной клемме 7 источника питания; схему выпрямления со средней точкой, содержащую вторичные обмотки 13 и 14 трансформатора 12 и диоды 15, 16, которая подключена к резонатору нагрузки 17, шунтированному конденсатором фильтра 18.

Работа преобразователя будет рассмотрена при условии, что волновое сопротивление резонансного контура 4, 5, 3 и приведенное к обмоткам 10 и 11 сопротивление цепи резистора нагрузки 17 согласованы.

Принцип работы предлагаемого преобразователя с широтно-импульсной модуляцией заключается в следующем.

При включении тиристора 8 импульсом, подаваемым на его управляющий электрод (фиг. 2, a и b), через тиристор 3 начинает протекать ток резонансного контура: обмотка 10 трансформатора 12, тиристор 8, дроссель 3, конденсаторы 4 и 5. Этот ток представляет собой только полуволну "прямого" тока (фиг. 2b).

При включении тиристора 19 осуществляется широтно-импульсная модуляция тока в первичной обмотке 10 трансформатора 12. Действительно, при проводящем тиристоре 8 включение тиристора 19 вызывает шунтирование силовой цепи, состоящей из зарядного тиристора 8 и первичной обмотки 10. Протекает ток резонансного контура: тиристор 19, дроссель 3, конденсаторы 4 и 5. Поскольку эквивалентное сопротивление тиристора 19 много меньше суммы эквивалентного сопротивления тиристора 8 и приведенного к обмотке 10 сопротивления цепи резистора и нагрузки 17, ток через тиристор 8 становится соизмерим с током удержания. Кроме того, при включении тиристора 19 плюс напряжения обмотки 10 трансформаторы 12 прикладываются к катоду тиристора 8, а минус - к аноду. Под воздействием этих двух факторов происходит выключение тиристора 8. Ток обмотки 10 прерывается, что и обеспечивает широтно-импульсную модуляцию тока первичной обмотки 10 трансформатора 12 (фиг. 2, д).

Поскольку в образованном контуре 4, 5, 3 и 19 отсутствует активное сопротивление, то имеет место обратная полуволна тока контура, который протекает через диод 1. Тогда происходит выключение тиристора 19. Осуществляется рекуперация энергии в источник питания (клеммы 6 и 7).

При включении тиристора 9 импульсом, подаваемым на его управляющий электрод (фиг. 2 a и b), через тиристор 9 начинает протекать ток резонансного контура: конденсаторы 4, 5, дроссель 3, тиристор 9, первичная обмотка 11 трансформатора 12. Ток резонансного контура, протекающий через тиристор 9 и обмотку 11, аналогичен току обмотки 10 (фиг. 2, b) и создает в магнитопроводе трансформатора 12 магнитный поток, находящийся в противофазе с потоком, образованным током, протекающим по обмотке 10. Таким образом, трансформатор 12 работает в режиме, обеспечивающем перемагничивание магнитопровода по полному циклу.

При проводящем тиристоре 9 включение тиристора 20 вызывает шунтирование силовой цепи, состоящей из тиристора 9 и обмотки 11 трансформатора 12. При этом начинает протекать ток резонансного контура: конденсаторы 4 и 5, дроссель 3, тиристор 20. Поскольку эквивалентное сопротивление тиристора 20 много меньше суммы эквивалентного сопротивления тиристора 9 и приведенного к обмотке 11 сопротивления цепи резистора нагрузки 17, ток через тиристор 9 становится соизмерим с током удержания. Кроме того, при включении тиристора 20 плюс напряжения обмотки 11 прикладывается к катоду тиристора 9, а минус - к аноду. Под воздействием этих двух факторов происходит выключение тиристора 9. Ток обмотки 11 прерывается, что обеспечивает широтно-импульсную модуляцию тока первичной обмотки 11 трансформатора 12 (фиг. 2, g).

Поскольку в образованном контуре 4, 5, 3a, 20 отсутствует активное сопротивление, имеет место обратная полуволна тока контура, который протекает через диод 2. При этом происходит выключение тиристора 20. Осуществляется рекуперация энергии в источник питания (клеммы 6 и 7).

Тиристоры 19 и 29 включаются при сдвиге импульсного включения относительно импульсов включения тиристоров 8 и 9, большем нуля, но меньшем половины периода собственных колебаний резонансного контура, т.е. при 0 < t₁ < t₂. При сдвиге импульсов включения тиристоров 19 и 20 относительно импульсов включения тиристоров 8 и 9 на величину, большую половины периода собственных колебаний резонансного контура, но меньшую половины периода следования импульсов включения тиристоров 8 и 9, т.е. при t₂ < t₁ < T/2, тиристоры 19 и 20 не включаются, так как отсутствует разность потенциалов между анодом и катодом.

Изменяя сдвиг импульсов включения тиристоров 19 и 20 относительно импульсов включения тиристоров 8 и 9 в интервале 0≅t₁≅t₂, получаем изменение действующего значения тока (напряжения) первичных обмоток 10 и 11 трансформатора 12, что позволяет осуществлять регулирование выпрямленного напряжения на резисторе нагрузки 17. Номинальная величина выходного напряжения на резисторе 17 будет при сдвиге импульсов включения тиристоров 19 и 20 относительно импульсов включения тиристоров 8 и 9 на величину, равную половине периода собственных колебаний резонансного контура 4, 5, 3, 9 и 11 или 10, 8, 3, 4 и 5, т.е. при t₁ = t₂. Минимальная величина выходного напряжения на резисторе нагрузки 17, практически равная нулю, будет при отсутствии этого сдвига, т.е. при t₁ = 0.

К основным преимуществам предлагаемого преобразователя по сравнению с прототипом следует отнести следующее:
трансформатор работает в режиме с полным циклом перемагничивания магнитопровода;
рекуперация энергии осуществляется, минуя обмотки трансформатора;
использование широтно-импульсной модуляции напряжения первичных обмоток трансформатора позволяет регулировать напряжение на нагрузке от нуля до номинального значения;
в процессе регулирования выходного напряжения трансформатор работает на фиксированной высокой частоте.

Вышеперечисленные свойства обеспечивают повышение КПД преобразователя на 10 - 15%, снижение его массы и габаритов и расширение функциональных возможностей.

Литература
1. Авторское свидетельство СССР N 1003272, кл. H 02 M 7/515, H 02 P 13/18, Инвертор/ Н.А.Зуев, Роб. Х. Гизатуллин и Рин. Х. Гизатуллин, БИ, N 9, 1983.

2. Мелешин В.И., Новинский В.Н. Транзисторные преобразователи напряжения с последовательным резонансным контуром. Электротехника, N 8, М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 47 - 53, рис. 1, B.

3. Авторское свидетельство СССР 1 285 552, кл. H 02 M 7/519. Преобразователь постоянного напряжения в переменное. Шварц А.Н., Курчик Б.З., БИ, N 13, 1987.

Формула изобретения

Резонансный преобразователь с широтно-импульсной модуляцией, содержащий рекуперирующий диод, резонансный дроссель, два последовательно соединенных резонансных конденсатора, включенных между положительной и отрицательной клеммами источника питания, две последовательно соединенные силовые цепи, каждая из которых образована последовательно включенными зарядными тиристором и первичной обмоткой трансформатора, вторичные обмотки трансформатора и два диода, образующие схему выпрямления со средней точкой, подключенной к резистору нагрузки, отличающийся тем, что анод зарядного тиристора первой силовой цепи соединен с концом одной первичной обмотки трансформатора, начало которой подключено к положительной клемме источника питания, его катод соединен с анодом зарядного тиристора второй силовой цепи, катод которого подключен к концу другой первичной обмотки трансформатора, начало которой соединено с отрицательной клеммой источника питания, точка соединения анода и катода двух зарядных тиристоров через резонансный дроссель подключена к общей точке резонансных конденсаторов, каждая силовая цепь шунтирована встречно-параллельно соединенными модулирующими тиристором и рекуперирующим диодом так, что анод первого модулирующего тиристора соединен с положительной клеммой источника питания, а катод - с общей точкой двухзарядных тиристоров, анодом второго модулирующего тиристора, катод которого подключен к отрицательной клемме источника питания, резистор нагрузки шунтирован конденсатором фильтра.

РИСУНКИ

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