Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное

) 4 Н 02 М 5/257 ОС т п ныхик ДАРСТ 8 ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(71) Научно-исследовательский интут автоматики и электромеханикиТомском институте автоматизировасистем управления и радиоэлектро(57) Изобретениеэовательной технния - повышение видетельство СССР02 М 5/257, 1986.1 И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ относится к преобра" ике, Цель изобретекоэффициента полезного деиствия за счет рекуперацииэнергии намагничивания. Регулирование напряжения на выходе осуществляют изменением относительности времени и направления включения вольтодобавочной обмотки высокочастотноготрансформатора 11 между выводами15,18 и выходным фильтром 1. Преобразователь содержит две одинаковыеоднотактные силовые ячейки (ОСЯ) 2,3ОСЯ 2,3 работают поочередно,Во времяработы одной из ОСЯ высокочастотныйтрансформатор 11 другой ОСЯ размагничивается. Размагничивание высокочастотного трансформатора 11 осуществляетсяпутем отдачи накопленной энергии всеть через ключи размагничивания17,19, за счет чего достигается поставленная цель. 1 з.п. ф-лы, 5 ил,Изобретение относится к преобразоательной технике и может найти приме- ение в системах электропитания апаратуры средств связи, измерительной 5 вычислительной техники. Цель изобретения - повьппение КПДза счет рекуперации энергии намагниивания. На фиг. 1 приведена функциональная 10 схема устройства; на фиг. 2,3 - при-ер выполнения блоков распределениямпульсов; на фиг. 4 - .пример выполнения блока контроля полярности; наг, 5 - временные диаграммы, пояс няющие работу устройства в различных режимах, обусловленных изменением управляющего сигнала,Функциональная схема содержит выхо)ной Фильтр 1, две однотактные силовые ячейки 2,3, блок 4 управления, блок 5 контроля полярности, Т-триггер 6, блоки 2-10 распределения импульсов. Каждая силовая ячейка 2,3 включает высокочастотный трансформа тор 11, выводы 12,13 первичной обмотки 14 которого присоединены к выводу 15 входного Фильтра, через ключ 16 переменного тока, выполненный полностью управляемым и ключ 17 размагничивания, а к выводу 18 (входного фильтра) через ключ 19 размагничивания и ключ 20 переменного тока ключи 17 и 19 размагничивания включают транзисторы 21,22, каждый из которых зашунтирован обратным диодом 23,24, 35 Вторичная обмотка высокочастотного трансформатора 11, выполненная по схеме со средней точкой, крайними выводами через ключи 25,26 переменного тока, выполненные полностью управляемыми, подключена к одному из выводов выходного фильтра 1, а средней точкой 27 - к выводу 15. Базы транзисторов 21 ключей 17,19 силовых ячеек 2,3 подключены к прямым выходам, а базы транзисторов 22 - к инверсным выходам соответственно блоков 7-10 распределения импульсов.Блок 4 управления включает задающий генератор 28 генератор пилообразного напряжения 29, амплитудный детектор 30, дифференциальный усилитель 31, два компаратора 32, 33 и логический элемент 2 И-НЕ 34. Выход задающего генератора 28 соединен с входами Т-триггера б и генератора 29 пилообразного напряжения, к выходу которого подключены инвертирующий вход компаратора 32, неинвертирующий вход компаратора 33 и вход амплитудного детектора 30. Выход амплитудного детектора 30 соединен с инвертирующим входом дифференциального усилителя 31, неинвертирующий вход которого объединен с неинвертирующим входом компаратора 32 и образует управляющий вход 35 блока управления. Выход дифференциального усилителя 31 соединен с инвертирующим входом компаратора 33, Выход компаратора 32 подключен к первому информационному входу 36 блока 9 распределения импульсов, первому информационному входу 37 блока 10 распределения импульсов и к одному из входов элемента 2 И-НЕ 34, другой вход которого подключен к соединенным между собой, выходу компаратора 33, информационному входу 38 блока 9 распределения импульсов и информационному входу 39 блока 10 распределения импульсов. Выход элемента 2 И-НЕ 34 подключен к информационным входам 40,41 блоков 9 и 10 распределения импульсов. Синхронизирующие входы 42,43 блоков 9 и 10 распределения импульсов подключены к прямому выходу Т-триггера 6, Синхрониэирующие входы 44,45 блоков 9,8 распределения импульсов подключены к инверсному выходу Т-триггера 6, Информационные входы 46, 47 блоков 7,8 распределения импульсов соединены с прямым выходом блока 5 контроля полярности, а информационные входы 48, 49 блоков 2 и 8 распределения импульсов соединены с инверсным выходом блока 5 контроля полярности, Входы блока 5 контроля полярности подключены к выходам 15,18. Выходы 50,51 блоков 9 и 10 распределения импульсов соединены с управляющими входами ключей 16,20, соответственно, однотактных силовых ячеек 2 и 3. Управляющий вход ключа 25 однотактных силовых ячеек 2,3 .подключен к выходам 52,53 блоков 9 и 10 распределения, а управляющий вход ключа 26 однотактных силовых ячеек 2,3 подключен к выходам 54,55 блоков 9 и 10 распределения импульсов.1Блоки 7 и 8 распределения импульсов (фиг. 2) содержат два элемента 2 И 56,57, первые входы которых объединены и,образуют синхронизирующие входы 42,45, а вторые входы являются информационными входами 46,48, 1410234При этом выход 56 элемента 2 И является прямым выходом блоков 7 и 8 распределения импульсов 7,8, а выходэлемента 2 и 57 - инверсным выходом5блоков 7 и 8 распределения импульсов,Блоки 9 и 10 распределения импульсов 9,10 (фиг, 3) содержат два элемента 2 И 56,57, первые входы которых 10объединены и образуют синхронизирующие ходы 42,45, а вторые входы являются информационными входами 46,48.При этом выход 56 элемента 2 И является прямым выходом блоков 7 и 8 распределения импульсов, а вьгод элемента 2 и 57 - инверсным выходом блоков7 и 8 распределения импульсов.Блоки 9 и 10 распределения импульсов (фиг. 3) содержат элементы 2 И,58,59,60, первые выходы которых объединены и образуют синхронизирующиевходы 44,43, а входы - 36-4 1 являются информационными.Блок 5 контроля полярности (фиг. 4) 25содержит согласующий трансформатор61, компаратор 62 и элемент НЕ 63.Выводы первичной обмотки трансформатора 61 являются входами блока 5контроля полярности. Неинвертирующийвыход компаратора 62 соединен с одним из выводов вторичной обмоткитрансформатора 61. Другой вывод вторичной обмотки трансформатора 61инвертирующий вход компаратора 6235соединены с общей шиной. Выход компаратора 62 соединен с входом элемента НЕ 63 и являетсяпрямым выходомблока 5 контроля полярности. Выходэлемента НЕ 63 является инверснымвыходом блока 5 контроля полярности 5.40На фиг, 5 изображено напряжение 64 на выходе задающего генератора 28, напряжение 65 генератора 29, напряжение 66 на управляющем входе 35 блока 45 управления 4, напряжение 66 на выходе дифференциального усилителя 31, последовательность импульсов 67 на выходе компаратора 32, последовательность импульсов 68 на выходе компаратора 33, последовательность импульсов 69 на выходе элемента 2 И-НЕ 34, последовательность импульсов 70-71 на прямом и инверсном выходах Т-триггера 6, напряжение 72 на управляющем входе ключа 25 однотактной силовой ячейки 2, напряжение 73 на .управляющем входе ключа 26 однотактной силовой ячейки 2, напряжение 74 на управляющих входах ключей 16 и 20, напряжение 75 сети (переменное), напряжение 76 на прямом выходе блока 5 контроля полярности, последовательностьимпульсов 77 на базах транзисторов22 ключей размагничивания 17 и 19 однотактной силовой ячейки 2, последовательность импульсов 78 на базахтранзисторов 21 ключей размагничивания 17 и 19 однотактной силовой ячейки 2, огибающая напряжения повышеннойчастоты 79 на высокочастотном трансформаторе 11 однотактной силовойячейки 2, напряжение 80 повышеннойчастоты на обмотках высокочастотноготрансформатора 11, огибающая добавочного напряжения 8 1 на выходе однотактной силовой ячейки 2, выходноедобавочное напряжение 82 однотактнойсиловой ячейки 2,Устройство работает следующим образом.Управление ключами устройстваосуществляется при помощи блока 4 управления. Напряжение 64 с выходазадающего генератора 28 поступает навыходы Т-триггера 6 и генератора 29.Напряжение 65 (фиг. 5) сравниваетсяна компараторе 32 с напряжением 66,поступающим с управляющего входа 35блока 4 управления. Если напряжениениже напряжения 65 по уровню, то навыходе компаратора 32 "0", если напряжение 66 выше пилообразного напряжения 65, то на выходе компаратора 32 формируется "1". Напряжение65 также поступает на вход амплитудного детектора 30, где происходитвыделение его амплитудного значения.Выходное напряжение амплитудногодетектора 30, равное амплитуде напряжения 6-5 подается на инвертирующий вход дифференциального усилителя 31, на неинвертирующий вход которого поступает напряжение с управляющего входа 35 блока 4 управления.Разностный сигнал напряжения 66 с выхода дифференциального усилителя 31поступает на инвертирующий вход компаратора 33 и сравнивается с напряжением 65. Если напряжение 66 ниже напряжения 65, на выходе компаратора33 формируется " 1", а если напряжение 66 больше напряжения 65, то навыходе компаратора 33 "0". С выходакомпаратора 32 последовательность им.пульсов 67 поступает на информационный вход 36 блока 9 распределенияимпульсов, на информационный вход 37,блока 10 распределения импульсов и на один из входов элемента 2 И-НЕ 34, Последовательность импульсов 68 компаратора 33 поступает на другой вход элемента 2 И-НЕ 34, на информационный вход 38 блока 9 распределения импульсов и на информационный вход 39 блока 10 распределения импульсов. Сформированная на выходе элемента 2 И-НЕ 34 последовательность импульсов 69 поступает на информационные входы 40,41, соответственно, блоков 9 и 10 распределения импульсов. Блоки 9 и 10распределения импульсов осуществляют 15 передачу последовательностей импульсов 67-69 с информационных входов 36-41 на выходы 50-55 в соответствии с пунктирными линиями, проведенными внутри блоков 9 и 10 распределенкя 20 импульсов и с учетом последовательностей импульсов 70,71, поступающих с выходов Т-триггера 6 на синхронизирующие входы 43,44. Таким образом, на нечетных тактах задающего генератора 28 в соответствии с последовательностью импульсов 70 работает однотактная силовая ячейка 2, а на четных, в соответствии с последовательностью импульсов 71 - работает одноЭО тактная сиповая ячейка 3, Другимиловами однотактные силовые ячейки,3 работает по очереди, при этом неетным тактам задающего генератора8 соответствуют периоды задающегоенератора 28 на фиг. 5 с номерамн 1,3,5 (отсчет периодов начинается с первого по диаграмме периода), а четным такгам - периоды с номерами 2,4,6 Блоки 7 и 8 распределения 40 импульсов осуществляют передачу последовательности импульсов 70,7 1 с выходов Т-триггера 6 на управляю щие цепи транзисторов 21,22 ключей размагничивания 17,19 в соответствии с сигналом блока 5 контроля полярности. При положительной полярности напряжения 75 включаются транзисторы 22 ключей размагничивания 17,19причем на четных тактах задающегогенератора 28 включаются транзисторы5022 однотактной силовой ячейкой 2, ана нечетных - транзисторы 22 однотактной скповой ячейки 33, При отрицательной полярности напряжения 75включаются транзисторы 21 однотактных 55силовых ячеек 2,3 опять же по очередитак, что на четных тактах включенытранзисторы 21 однотактной силовой ячейки 2, а на нечетных транзисторы21 однотактной силовой ячейки 3,Режим работы однотактных силовыхявеек 2,3 определяется величиной напряжения 66 на управляющем входе 35блока 4 управления. Рабочая эона изменения напряжения 66 лежит в пределах от 0 до удвоенной амплитуды напряжения 65. При этом в зависимостиот величины напряжения 66 наблюдается следующие характерные режимы работы: режим максимальной отбавки соответствует величине управляющего0 напряжения 66 0 6 О. На фиг. 5этот режим наблюдается по времениот нуля до Сз, причем он характеризуется тем, что одновременно включены ключи 26, 16 и 20 однотактной силовой ячейки 2, как это следует издиаграммы 73,74 фиг. 5. При этом,из напряжения 75 вычитается выходноедобавочное напряжение 82, определяемое соответствующим коэффициентомтрансформации,1При изменении управляющего сигнала в пределах 0 ( Оз ( П, где О " амплитуда пкпообразного напряжения, что на фиг. 5 соответствует интервалу времени С -С, наблюдается режим регулируемой вольтоотбавки, В этом случае одновременно замкнутое состояние ключей 26, 16, 20 чередуется с состоянием одновременно замкнутых ключей 26,25, как это следует из диаграмм 72,73,74. При этом одновременно замкнутое состояние ключей 25, 26 при разомкнутых ключах 16,20 соответствует закороченному режиму работы высокочастотного трансформатора 11. К выходному фильтру прикладыва" ется напряжение, равное напряжению 75 сети, Таким образом, на выходе преобразователя этот режим характеризуется чередованием напряжений двух уровней, а именно, уровнем напряжения, равным напряжению 75 сети и уровнем напряжения, равным разности между напряжением 75 сети и выходным добавочным напряжением 82 вторичной полуобмотки трансформатора 11. В зависимости от величины управляющего сигнала изменяется длительность импульса соответствующего разностному уровню выходного напряжения. При этом, при увеличении сигнала управления длительность замкнутого состояния ключей 25,26 возрастает и при 00 на выходе преобра 1410234зователя действует неискаженное напряжение, равное напряжению сети.Такой режим работы называется режимомнеискаженной передачи напряжения се 5ти на нагрузку, При дальнейшем увеличении напряжения 66 управления в пределах П( П2 У, что по фиг. 5соответствует интервалу времений-с , алгоритм замыкания ключей од Онотактных силовых ячеек изменяетсяв соответствии с диаграммами 72,73,74 так, что одновременно замкнутоесостояние ключей 16,20,25 чередуется с одновременно замкнутым состоянием ключей 25,26, При этом выходноенапряжение преобразователя изменяется с частотой задающего генератора28 между двумя уровнями - уровнем напряжения 75 сети и уровнем, равном 20сумме напряжения 75 и выходным добавочным напряжением 82 на вторичнойполуобмотке трансформатора 11, Такойрежим работы называется режимом регулируемой вольтодобавки, причем при 25увеличении напряжения 66 управленияувеличивается длительность одновременного замкнутого состояния ключей6,20,25 так, что при 0=20, этосостояние занимает по времени весь полупериод повышенной частоты и такойрежим называется режимом максимальной вольтодобавки, Таким образом,при изменении напряжения 66 в пределах 00 с 2 У выходное напряжениепреобразователя будет изменяться впределах (Ц Цс ) й Ц4 (Ц +Ц )где П - напряжение сети Бс - напряжение на вторичной полуобмотке высокочастотного трансформатора 11,выходное напряжение преобразователяэа счет широтно-импульсного регулирования вольтодобавочного напряжения,которое еще и реверсируется относи,тельно напряжения сети, вычитаясьили суммируясь с последним, Магнитный режим работы сердечников высокочастотного трансформатора 11 опреде-,ляется напряжением 80. За счет того,что однотактные силовые ячейки 2,3работают по очереди, на одном полупериоде повышенной частоты происходит намагничивание сердечника, а наследующем полупериоде происходит егоразмагничивание, При этом, максимальные временанамагничивания и размагничивания равны полупериоду повышенной частоты. В процессе регулирования выходного напряжения время намагничивания сердечника трансформатора уменьшается до нуля, при этом величина размагничивающих вольтсекунд автоматически регулируется так, что намагничивающие и размагничиваюние вольтсекундные площади остаются равными в пределах каждого периода повышенной частоты. Это достигается тем, что применены ключи 17, 19 размагничивания, состоящие из двух встречно включенных транзисторов 21, 22, зашунтированных обратными диодами 23,24, а транзисторы 21,22 включаются по очереди в соответствии с напряжениями 78-76При этом автоматическое регулирование размагничивающих вольсекунд достигается за счет выключения обратных диодов 23,24 при переходе тока намагничивания через нуль. Контур намагничивания включает вывод 15, ключ 16, первичную обмотку 15 с выводами 12,13, ключ 20, вывод 18. Контур размагничивания при положительной полярности напряжения - вывод 13 обмотки 14, транзистор 22, обратный диод 23, выводы 15,18 транзистор 22, обратный диод 23 ключа 19 размагничивания, вывод 12 обмотки 14, При отрицательной полярности напряжения контур намагничивания остается таким же, а контур размагничивания является следующим: вывод 12 обмотки 14, транзистор 21, обратный диод 24 ключа размагничивания 19 выводы 18,15, транзистор 21, обратный диод 24 ключа размагничивания 17, вывод 13 обмотки 14. Указанные контуры намагничивания и размагничивания обеспечивают одинаковые величины напряжений намагничивания и размагничивания, равные примерно напряжению 75 сети. Равенство вольтсекундных площадей будет сохраняться и в динамике, т.е. при любой скорости изменения управляющего сигнала, что будет исключать режим эамагничивания сердечника трансформатора.Формула изобретения1, Регулируемый преобразователь переменного напряжения в переменное по авт.св. У 1372539, о т л и ч а ю-, щ и й с я тем, что, с целью повышения КПД за счет рекуперации энергии намагничивания, в каждую однотактную силовуя ячейку введен дополнительный ключ, включенный между первым выво 1410234дом входного фильтра и началом первичной обмотки высокочастотного грансформатора, управляющий вход которого , объединен с управляющим входом пер 5 вого ключа, узел размагничивания содержит два ключа размагничивания, каждый из которык выполнен в видедвух встречно включенных транзисторовв, зашунтированных обратными диода О ми, при этом первый ключ размагничивания,выводы входного Фильтра, второй ключ размагничивания формируют последовательную цепь, а свободные выводы ключей размагничивания формируют вы 15 ходные выводы узла размагничивания, кроме того, выводы управляющих цепей оцнонаправленных транзисторов попарно объединены и подключены к разноименным ходам введенного дополнительного распределителя импульсов,информационные входы которого подключенык выходам введенного блока контроля полярности а синхронизирующие - ксоответствующему выходу Т-триггераблока управления, при этом вход блокаконтроля полярности соединен с выводами входного фильтра,2. Преобразователь по п. 1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что блокконтроля полярности выполнен в видекомпаратора напряжения, инвертирующий вход которого подключен к общемувыводу, неинвертирующий вход подключен к первому выводу вторичной обмот"ки согласующего трансформатора, второй вывод которой соединен с общимвыводом, а выводы первичной обмоткиподключены к входным выводам, приэтом выход компаратора присоединен квходу элемента НЕ, причем выход компаратора является прямым выходом блока контроля полярности, а выход элемента НЕ - инверсным выходом блокаконтроля полярности,.Т рек Заказ 349 аж 665 . Подпнсно осударственного комитета СССРелам изобретений.и открытий ква,. Ж, Раушская наб., д. 4/ еское предприятие, г. Ужгород, ул. Проектна дственно-полиг ро ВНИИПИпо д3035, М ста хре ель И,ГДндык