Способ преобразования напряжения переменного тока в напряжения постоянного тока и устройство для его осуществления

 

Союэ Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22)Заявлено 14.04.81 (21) 3277581/24-07 с присоединением заявки М (23) Приоритет (51)М. Кл.

Н 02 М 7/02

3Ьеудирстминый комитет

СССР

No делам изобретений и открытий (5Ç) УДК 621.314. .6 {088.8) Опубликовано 15.10.82. бюллетень М 38

Дата опубликования описания 17. 10. 82. 1 1 СЕ(Л)@ ф q

- 1 Ett7qg (72) Автор изобретения

8, И. Кадель (7l ) Заявитель (>4) СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 8 НАПРЯЖЕНИЯ

ПОСТОЯННОГО ТОКА и УСТРОИСТВО

ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в устройствах автоматики, связи, вычислительной техники, требующих постоянных напряжений питания.

Известно устройство для осуществления способа преобразования напряжения, включающего операции изменения мгновенного значения исходного переменного напряжения с помощью трансформатора, сдвига по фазе одного из

10 умноженных напряжений с помощью фазосдвигающих цепочек и устройств, выделение абсолютного значения переменного напряжения, выделение постоянной и переменных составляющих f11 .15

8 этом способе увеличено значение постоянной составляющей напряжения, уменьшено значение переменной составляющей, увеличена вдвое ее частота. Однако операция сдвига фазы приводит к необходимости применения громоздких фаэосдвигающих устройств, следствием чего является большая ди2 намическая ошибка преобразования при импульсном характере нагрузки, а при необходимости получения нескольких гальванически несвязанных постоянных напряжений требуется установка стольких же громоздких фазосдвигающих устройств. При этом операция выделения абсолютного значения отдельно для каждого из измененных переменных напряжений требует применения большого количества силовых выпрямительных we. ментов.

Известно также устройство для преобразования переменного напряжения в постоянное, содержащее трансформатор, первичная обмотка которого подключена к входным выводам, а вторичная содержит дополнительную обмотку, которая через управляемый полупроводниковый прибор подключается к нагрузке. С помощью устройства осуществляется способ преобразования, включающий операции изменения мгновенного значения переменного напряжения, выделение аба1 с81п—

К1

ОИ С81П—

1 к„

96682 солютных мгновенных значений переменного напряжения E 2 ).

Операция сложения абсолютных значений переменных напряжений требует применения управляемых ключей на стороне низкого напряжения, причем для каждого из формируемых постоянных напряжений необходим свой ключ. Ключ, управляемый полупроводниковым при-. бором, может быть выполнен на тирис- 10 торе, но при этом необходимы сложные схемы искусственной коммутации; выполнение его на транзисторе затруднено из-за коммутации больших токов, равных току нагрузки", выполнение его,18 та улравляемом тиристоре тамае ветру . нено, так как требуется формирование импульсов управления разной поля рности при одной и той же полярности переменного напряжения и ввиду малых го коэффициентов усиления по току, таких приборов на закрывание. Указанные обстоятельства не позволяют получить высокие удельные .энергетические показатели преобразования. гз

Цель изобретения — улучшение удельных энергетических характеристик преобразования.

Указанная. цель достигается тем, что согласно способу преобразования зв напряжения переменного тока в напряжения постоянного тока включающему операции изменения мгновенного значения исходного напряжения переменного тока, выделения абсолютного значения напряжения переменного тока, доползя нительно.производят операцию определения нулевого, минимального и максимального значений исходного напряжения переменного тока операцию разЭ ю биения каждого полупериода исходного напряжения переменного тока на временные интервалы, симметрично расположенные относительно моментов перехода этого напряжения через нулевые

is максимальные и минимальные значения исходного напряжения переменного то- . ка, операцию изменения мгновенных значений исходного напряжения переменного тока в свое- определенное число (K ) раз на каждом из выделенных временннх интервалов, операцию сложения измененных таким образоМ значе" ний напряжения переменного тока на всех вреМенных интервалах и затем операцией выделения абсолютного значения напряжения переменного тока, при этом длительности временных интервалов Ч и величины, в которые изменя8 ф ются мгновенные значения напряжени1" переменного тока, определяются из условий

Ч1 к„ а ярI- — к)а =к, (рва(- я)у ; .1 агсв1п-—

К1

С ГСВ1 П—

Ч, С11ас510—

1- К

К. (81П t- — 3Ч = К (i 81ПЧ) 3am;

1 К1/ агСЯП—

1 Ч °

1-1 с1гс8; П 1 с гс81п(-1- — )

Кп

К 81пЧi- — Ч= К 18 ПЧ1- — < »

КП 1 ., 1

Й К и Кп гд 1„° .° .° . K; ° ° Кп в

1 1... 1„... <„соответственно величины, в которые изменяются мгновенные значения напряжений переменного тока и длительности выделенных временных интервалов от первого до и -го.

Такой:способ может быть осуществлен устройством для преобразования напряжения переменного тока в напряжения постоянного тока, содержащим управляемый ключ, трансформатор, один из выводов первичной обмотки которого образует первый входной вывод, выпрямитель, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, фильтр, соединенный- с выходам выпрямителя и об)разующий выходные выводы, в которое введены селектор временных интервалов, коммутатор управляющих сигналов, дополнительные управляемые ключи и дополнительные трансформаторы, каждый из которых одним выводом первичной обмотки подключен к первому входному выводу, каждый из других выводов первичной обмотки соединен с первым выводом управляемого ключа, вторые выводы всех управляемых ключей объединены, образуя второй входной вывод, объединенные третьи выводы управляемых ключей соединены с первым входным .выводом, а управляющий вывод каждого из управляемых ключей подключен к соответствующему выходу коммутатора управляющих сигналов, вход которого соединен с выходом селектора временных интервалов, подключенного ко входным выводам, вторичные обмотки всех трансЬорматоров соединены согласно.-последовательно и

СО С5>п 1

К агсМпЧ

Ф1 Сз.>Гк—

Ку

С ГС81П к

docs«вЂ”

5 9бб8 подключены свободными выводами к входу выпрямителя.

На фиг. 1 изображены эпюры напряжений (а, б, в, г, д ) для случая разбиения полупериода переменного напря- 5 жения на.два временных интервала; на фиг. 2 - принципиальная схема устройства для осуцествления способа;,. на фиг. 3 " вариант осуществления схемы селектора временных интервалов.

Сущность способа поясняется фиг.l, где приведены эпюры напряжений для случая разбиения полупериода на два временных интервала: a - синусоидальное переменное напряжение (заштрихован выделяемый временной интервал с границами от -Y po g; оставшийся временной интервал от У до Л - 4

6 - переменное напряжение после операции сложения на вторичных обмот- 20 ках; 6 - выделяемое, абсолютное значение исходного напряжения переменного тока, 0 = - выделенная пост6янная составляющая; . - выделенная переменная составляющая; ф - увеличенное в масш- 5 табе по 6 абсолютное значение переменного напряжения; И - выделенная постоянная составляющая, B„ -... S средние значения(площади ) полуперио дов выделенной переменной составляю- 30, щей.

Последовательность операций способа преобразования следующая, Полупериод напряжения переменного тока (фиг. l aJ разбивается на целое

3S

i i v число временных интервалов с границаи, симметричными относительно углов

= О© и Ч" = Л/7, первый и последний участки содержат соответственно углы

O = =Q и Ч = (/2. Промежуточные временные интервалы между первым и последним состоят из двух участков, обозначенных штрих-пунктирными линиями на фиг. la и симметрично расположенными относительно угла Ч= О.

Затем осуществляют операцию изменения мгновенного значения напряжения переменного тока в свое определенное число (К ) раз с последующим их сложением. Результирующее напряжение для

50 двух интервалов приведено на фиг. 15, После этого осуцествляют операцию выделения абсолютного значения напряжения из мгновенных значений сложенных напряжений переменного тока. Затем выделяют переменные (фиг. 1 1.) и по 55 стоянные (U=- на фиг. 18 и- 1д) составляющие выделенных аб>солютных значений напряжения переменного тока.

Величины К и длительности Y временных интервалов и должны быть выбраны из условий не только, равенства постоянных и переменных составляющих на отдельных временных интервалах, выделяемых при операции выделения абсолютного значения, но также равенства поло" жительных и отрицательных значений функции /sin 4 /-K на каждом участке, т.е. эти условия могут быть записаны фи ° 13 ) S1 = SZ; SZ = 3, Sз,— 5+ S — S ; S б = S6 ° Однако два первых условия тождественны по составу переменных. Тогда эти условия (без первого и последнего), например для

n = 2, запишутся

arcs«вЂ”

К Ч

К f(S«V)- и=К (>S Vi- — V; к (lsinvl- — )av=x ((sinvl-1 >av;

ФГС5.>п—

6гсв1п Т!-—

° 1

К к

)™ =к - — )Bv;

1 К, = 2 К, И>т>1. UN2.. гДе К1=, К вЂ”И„- И»

U и U <- амплитуды приведенного

1 к выходу напряжения переменного тока при И = U =;

sin V - среднее значение абсолютного значения напряжения переменного тока соответственно на первом и втором интервале.

Из составленной системы уравнений видно, что она имеет три неизвестных

К1, К2; 4 . Поскольку по определению = - Ч„, при и 2 каждый новый

1 11 участок дает 2 неизвестных (М и К) и два уравнения: условие равенства площадей переменных составляющих (отрицательной и положительной относительно U = ) и условие равенства одной из этих плоцкадей переменной составляющей следующего (предыдущего ) участка. Таким:образом, аналогично могут быть записаны условия для пере.7 96682 менных интервалов и для них найдены значения («М

n-q l п 2 п- и K ...Кп. Так, для п = 2; К = 6,2,,К2 = 1,18, л = 22,5О. Для @ = 3;

К„= 16.7 l

ы 100 Y 37О.

На Фиг. 2 представлено устройство для осуществления способа.

Устройство содержит первый транс форматор 1, осуществляющий операцию изменения мгновенного значения исходного напряжения переменного тока на первом интервале на свое число раз, 1 второй трансформатор 2, осуществляющий указанную операцию на втором интервале, диоды 3-6 выпрямителя, осуществляющие операцию выделения абсолютного значения напряжения перемен- 26 ного тока (фиг. 16), фильтр 7, осуществляющий операцию выделения на его индуктивности переменной составляющей (Фиг. 1 ъ) абсолютного значения и операцию выделения на емкости фильт-75 ра и нагрузке постоянной составляющей абсолютного значения (U = на фиг. 1В, 13), управляемые ключи 8.1 и 9.1 с выводами 8.2., 8.3, 8.4, 8.5 и 9.2, 9.3, 9.4, 9.5, коммутатор 10 управ- щ ляющих сигналов, селектор 11 временных интервалов. Трансформаторы 1 и 2 одними выводами первичных обмоток объединены и подключены к первому входному выводу. Вторичные обмотки соединены согласно-последовательно и свободными выводами подключены к диодам 3-6 выпрямителя. Выход выпрямителя подключен через фильтр 7 к нагрузке, показанной на фиг. 2 пунктиром.

Другие выводы первичных обмоток трансформаторов 1 и 2 подключены к первым выводам 8.2 и 9.2 управляемых ключей 8. 1 и 9.1. Вторые выводы 8.3 и

9,3.управляемых ключей подключены к второму входному .выводу. Третьи выводы 8.4, 9.4 управляемых кпючей

8.1, 9. 1 соединены с первым входным выводом. Управляющие выводы 8.5, 9.5 управляемых ключей подключены к выходам коммутатора 1О управляющих сигналов, à его вход - к выходу селектора 11 временных интервалов, вход которого подключей к входным выво дам.

Устройство работает следующим образом.

Каждый полупериод исходного напряжения переменного тока разбивают по

8 .8 крайней мере на два временных интервала от - 4 до Q и от Ч до -4(фиг. l a ..

2 соответственно заштрихованнйе и незаштрихованные области) . Это разбиение в устройстве осуществляется работающими в противофазе управляемыми ключами 8,1 и 9.1 так, что на первом интервале выводы 8.3, 8.2, а также 9.4, .9.2 замкнуты. Таким образом, на первом временном интервале напряжение переменного тока приложено к первичной бмотке трансформатора 1, а первичая обмотка трансформатора 2 оказывается закорочвнной. Этот режим длится до момента времени Ч, в котором уп- равляемые ключи 8.1 и 9.1 меняют свое положение, замыкая выводы 8.4, 8.2, а также 9.3, 9.?. С этого момента (второй временной интервал ) к источнику напряжения переменного тока подключена первичная обмотка трансформа- . тора 2, а первичная обмотка трансформатора 1. закорочена. Вследствие этого на первом интервале к первичной обмотке трансформатора 1 прикладывается все напряжение переменного тока, обозначенное штриховкой на фиг. la а нв втором интервале все напряжение переменного тока прикладывается к пер. вичной обмотке трансформатора 2. 3атем производит я операция изменения мгновенного значения напряжения переменного тока на каждом интервале на свое значение К - на первом интервале - на коэффициент трансформации трансформатора 1-К, на втором интервале - на коэффициент трансформации трансформатора 2-К2.

Затем производится операция сло) жения измененных в свое число К раз мгновенных значений напряжения переменного,тока с помощью соединенных по следовательно-согласно вторичных обмоток трансформаторов 1 и 2. На первом интервале напряжение на вторичной обмотке .трансформатора 1 равно К U а йа вторичной обмотке трансформатора 2 напряжение равно О, ее сопротивление близко к О, поскольку первичная обмотка закорочена. Таким образом, напряжение на свободных выводах вторичных обмоток трансформаторов 1 и 2 на первом интервале равно QU Аналогично на втором интервале это напряжение равно К Ц... В результате на свободнйх выводах вторичных. обмоток сформируется напряжение, эпюра которого приведена на фиг. 16 . После операции сложения производится операция

9 966828 10 жений переменного тока, определяются может быть выполнен по любой схеме, например по схеме пересчетного коль- из условий

a> cstn—

М .

1. к ((sin»1 „" )Й»=к„(/Ув»/- )t>»

1 (мгся1п-— .К1 с 1 с51П— ч;-„ и св1п К

К (Isbn»l — >»=К, >в п» вЂ” „.4»;

К1( — 91 „

1 ца. Для случая двух временных интервалов это может быть, например, оптоэлектронный триггер.

Для питания многих нагрузок необходимо введение дополнительных (по ко личеству нагрузок ) вторичных обмоток трансформаторов, выпрямителей и фильт ров на фиг. 2 не показано ). Однако для любого количества выходных постоянных напряжений количество управляемых ключей остается постоянным — совыделения абсолютного значения сложен- ответствующим числу выделенных временных напряжений переменного тока. Она ных интервалов. осуществляется с помощью диодов 3-6 Таким образом в описанном техничес" выпрямителя. В результате этой опера- ком решении достигается улучшение .ции на .выходе выпрямителя и входе удельных энергетических характеристик, фильтра 7 формируется напряжение, эпю. выраженное в уменьшении массогабаритра которого приведена на фиг. 1 8 . ных показателей, управляемых ключей, Для разбиения полупериода на три вре- количества вентилей, а также значименных интервала необходимо введение - тельном уменьшении рассеиваемой мощ,еще одного трансформатора, подклю- 10 ности, что повышает КПД. ченного одним выводом первичной об- формула изобретения мотки к соответствующим объединенным 1. Способ преобразования напряжевыводам этих же обмоток трансформа.- . ния переменного тока в напряжения по торов 1 и 2,а вторым - к третьему уп- стоянного тока, включающий операции равляемому ключу с соответствующим под-.yg изменения мгновенного значения исход.ключением четырех его выводов. После ного напряжения переменного тока, выоперации. выделения абсолютного значе- деление абсолютного значения напряия производится операция выделения, женил переменного тока, о т л и ч аro постоянной и переменной составля е шийся тем, что, с целью улучющих. В устройстве эта операция вы- 2е шенил удельных энергетических харакполняется с помощью фильтра 7. На по- теристик, производят дополнительные следовательно включенном с нагрузкой операции определения нулевого, миниэлементе фильтра-индуктивности - вы- мального и максимального значений деляется переменная. составляющая на- исходного напряжения переменного топряжения, а на параллельно включенном ка, затем дополнительную операцию с нагрузкой элементе фильтра - емкос- разбиения каждого полупериода исходти - постоянная составляющая этого ного напряжения переменного тока на напряжения. временные интервалы, симметрично расВременной интервал определяется положенные относительно моментов песелектором 11 временных интервалов, е рехода этого напряжения через нулеон может быть выполнен, например, по вые, максимальные и минимальные знасхеме амплитудного селектора, как ченил исходного напряжения переменноэто для случая двух временных интер- го тока, затем операцию изменения валов показано на фиг. 3. В моменты мгновенных значений исходного напрядостижения мгновенным значением пере- жения перемейного тока в свое опре35 менного напряжения значения, соответ-: деленное число(К) - раз на каждом из ствующего времени >Р, стабилитрон про- выделенных временных интервалов, забивается и разность входного напряже- тем дополнительную операцию сложения и напряжения стабилизации прикла- ния измененных таким образом значе. дывается к сопротивлению. ний напряжения переменного тока на

40 .Селектор 11 может быть выполнен всех временных интервалах и затем по схеме временного селектора, т.е, операцию выделения абсолютного знав виде счетчика, вырабатывающего сиг- чения напряжения, переменного тока, налы, поступающие на коммутатор в мо- нр этом длительности временныМ ин,менты времени Ч„ ...ч>„.

45 тервалов Чи величины, в которые изКоммутатор 10 управляющих сигналов меняются мгновенные значения напря96682

11 вал Г1 opcsknЬ-Л- 1 (-„

K„((s nvl — ")av=a„(js nv " )aq.

arcsin—

<и где. К„... К„ ... Кп, Ч„.. М ... Чп - со1 ответственно величйны, в которые изменяются мгновенные значения напряжений переменного тока и длительности ,. выделенных временных интервалов от первого доп -ro.

2. Устройство для осуществления способа преобразования напряжения переменного тока в напряжения постоянного тока по и. 1, содержащее управляемый ключ, трансформатор, один из выво- щ дов первичной обмотки которого,обра-. зует первый входной вывод, выпрямитель, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, йильтр, соединенный с выходом выпрямителя и обре 2$ зующий выходные выводы, о т л и ч а . ю щ е е с я тем, что, в устройство введены селектор временных интерва8 . 12 лов, коммутатор управляющих сигналов, дополнительные управляемые ключи и дополнительные трансформаторы, каждый из которых одним выводом первичной обмотки подключен к первому входному выводу, каждый из других выводов первичной обмотки соединен с первым выводом управляемого ключа, вторые выво"

< ды всех управляемых. ключей объединены, образуя второй входной вывод, объединенные третьи выводы управляе" мых ключей соединены с первым входным выводом, а каждый управляющий вывод управляемых ключей подключен к соответствующему выходу коммутатора управляющих сигналов, вход которого соединен с выходом селектора временных нтервалов, подключенного к входным выводам, вторичные обмотки всех трансформаторов соединены согласно-последовательно и подключены свободными выводами к входу выпрямителя..

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

Патент Великобритании Р 1072508, кл. Н 2 F 1967.

2. Патент ФРГ М 1167437, кл. 21 д 1-72/02, 1964.

966828

Фиг. 2

Составитель Е. Мельникова

Редактор О. Колесникова Texpeg И. Гайду Корректор 6. Макаренко

Вака 7896/73 Тираж 721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035 Москва, Н-35 Раушская наб., д, 4/5 филиал ППП "Патент", г. Ужгород, ул. Проектная,