ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
VOLTAGE CONVERTER OF DC POWER SUPPLY SOURCE

Область техники, к которой относится изобретение.
Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для систем гарантированного питания электроприводов постоянного и переменного токов, в которых в качестве первичного источника электропитания используется источник напряжения постоянного тока.
Уровень техники.
При использовании в качестве первичного источника электропитания нерегулируемого источника напряжения постоянного тока типа аккумуляторной батареи возникает необходимость, как правило, повышения его выходного напряжения с помощью преобразователя постоянного напряжения в постоянное. Известны повышающе-понижающие неинвертирующие преобразователи постоянного напряжения в постоянное (Проектирование повышающе-понижающих неинвертирующих преобразователей, «Электронные компоненты», №3, 2015 г., стр. 66), в которых электрическая энергия, накопленная в дросселе за первый полупериод работы преобразователя, переводится в накопительный конденсатор за второй полупериод работы. Выходное напряжение преобразователя формируется на накопительном конденсаторе. Недостаток этих преобразователей в том, что у них ограничен коэффициент преобразования выходного напряжения при устойчивой работе преобразователя - не более 2,7.
Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное (патент РФ №2283530), содержащий трансформатор, однофазный мостовой инвертор, полупроводниковый выпрямитель, демпфирующую цепь. Недостаток преобразователя в том, что, при питании трансформатора прямоугольным напряжением на первичной и вторичной обмотках, на фронтах прямоугольного напряжения возникают выбросы напряжения, которые появляются на выходе выпрямителя и для уменьшения которых служит демпфирующая цепь. Другой недостаток в том, что на фронтах напряжения в выпрямителе при коммутации диодов возникает режим короткого замыкания, приводящий к провалам в выходном напряжении и повышенных потерям в выпрямителе.
Наиболее близкое техническое решение, принимаемое за прототип, изложено в патенте РФ №63619 на полезную модель преобразователя, содержащего трансформатор с первичной и вторичной обмотками, однофазный инвертор, к средним точкам плеч которого подключена первичная обмотка трансформатора, выпрямитель, к входу которого подключена вторичная обмотка трансформатора, датчик напряжения, входом подключенный параллельно входу преобразователя, а выходом - к входу микроконтроллера, выходы которого подключены ко входам драйвера, а выходы драйвера - к управляющим входам инвертора. Один недостаток прототипа в том, что на крутых фронтах напряжения питания трансформатора па первичной и вторичной обмотках и на выходе выпрямителя возникают большие выбросы напряжения, создающие электромагнитные помехи и перенапряжения на транзисторах инвертора и диодах выпрямителя. Другой недостаток в том, что на крутых фронтах напряжения в выпрямителе при коммутации тока в диодах возникает режим короткого замыкания, приводящий к провалам напряжения на выходе выпрямителя и повышенным потерям выпрямителя.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности и энергетической эффективности преобразователя путем создания преобразователя напряжения источника постоянного тока, в котором отсутствуют крутые фронты в напряжении питания трансформатора, а значит отсутствуют выбросы напряжения на этих фронтах, следовательно, отсутствуют электромагнитные помехи и перенапряжения на транзисторах инвертора и диодах выпрямителя.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения заключается во введении в электрическую схему преобразователя ряда существенных признаков, которые обеспечивают устранение режима короткого замыкания в диодах выпрямителя при коммутации тока и отсутствие крутых фронтов в напряжении питания трансформатора и, тем самым, исключения выбросов напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора и, следовательно, отсутствия электромагнитных помех и перенапряжения на транзисторах инвертора и диодах выпрямителя.
Согласно предлагаемому изобретению, преобразователь напряжения источника электропитания постоянного тока включает в себя: однофазный мостовой транзисторный инвертор, подключаемый к выводам первичного источника электропитания постоянного тока; двухобмоточный трансформатор, выводы первичной обмотки которого подключены к средним точкам плеч инвертора и цепи, состоящей из последовательно соединенного низкоомного активного сопротивления и конденсатора с низкоиндуктивным импедансом (Снаббер-конденсатор); мостовой диодный выпрямитель, к первому входному выводу которого подключен первый вывод вторичной обмотки трансформатора; дроссель переменного тока, включенный между вторым выводом вторичной обмотки трансформатора и вторым входным выводом выпрямителя; датчик напряжения выпрямителя, входами подключенный к выходным выводам выпрямителя; датчик тока, включенный в один из выводов выпрямителя. Для управления преобразователем служат микроконтроллер, к первому и второму входам которого подключены: выход задатчика напряжения на выходе выпрямителя; выход датчика напряжения, а к третьему входу - выход датчика тока; а также драйвер, к входам которого подключен выход микроконтроллера, а выход драйвера подключен к управляющим входам инвертора. Дроссель переменного тока, включенный между одним из выходов вторичной обмотки трансформатора и одним из входов выпрямителя позволяет исключить режим короткого замыкания в диодах выпрямителя при коммутации тока, а цепь из последовательно соединенного низкоомного активного сопротивления и конденсатора с низкоиндуктивным импедансом (Снаббер-конденсатор), подключенная к выводам первичной обмотки трансформатора, позволяет уменьшить крутизну фронта и среза прямоугольных импульсов питания трансформатора и, тем самым, устранить выбросы напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора и, как следствие, устранить перенапряжения на транзисторах инвертора и диодах выпрямителя и электромагнитные помехи, а вместе с дросселем переменного тока, устранить режим короткого замыкания в выпрямителе при коммутации тока с диода на диод. В мостовом диодном выпрямителе используются быстровосстанавливающиеся диоды.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 представлена электрическая схема преобразователя постоянного напряжения в постоянное. На фиг. 2 представлена форма импульса напряжения на первичной обмотке трансформатора при отсутствии, а на фиг. 3 - при наличии цепи из последовательно соединенного низкоомного активного сопротивления и конденсатора с низкоиндуктивным импедансом (Снаббер-конденсатор), подключенной к выводам первичной обмотки трансформатора.
Осуществление изобретения
Вариант конкретной модели предлагаемого преобразователя напряжения источника электропитания постоянного тока содержит: однофазный мостовой транзисторный инвертор 1, подключенный к выводам первичного источника электропитания 2; цепь из последовательно соединенных низкоомного активного сопротивления 3 и конденсатора с низкоиндуктивным импедансом (Снаббер-конденсатор) 4, двухобмоточный трансформатор 5, выводы первичной обмотки которого подключены к средним точкам плеч инвертора и к цепи из последовательно соединенного низкоомного активного сопротивления 3 и конденсатора с низкоиндуктивным импедансом (Снаббер-конденсатор) 4; мостовой диодный выпрямитель 6, к первому входному выводу которого подключен первый вывод вторичной обмотки трансформатора 5; дроссель переменного тока 7, включенный между вторым выводом вторичной обмотки трансформатора 5 и вторым входным выводом выпрямителя 6; датчик напряжения 8 выпрямителя 6, входами подключенный к выходным выводам выпрямителя 6; датчик тока 9, включенный в один из выходов выпрямителя 6; микроконтроллер 10, к первому и второму входам которого подключены задатчик напряжения 11 выпрямителя 6 и выход датчика напряжения 8, а к третьему входу микроконтроллера 10 подключен выход датчика тока 9; драйвер 12, входом подключенный к выходу микроконтроллера 10, а выходом - к управляющим входам инвертора 1. В качестве конкретных элементов описанной электрической схемы могут быть выбраны следующие:
- Однофазный мостовой транзисторный инвертор 1 на модулях М12-300-12-М1;
- Первичный источник электропитания постоянного тока 2 - аккумуляторная батарея КАУ-155-100/40М;
- Низкоомное активное сопротивление 3 - три резистора С5-16МВ-10 Вт-3 Ома, включенные в параллель;
- Конденсатор с низкоиндуктивным импедансом (Снаббер-конденсатор) 4 - WIMA Snubber MKP-250V-0.22uF ±5%;
- Трансформатор 5 - магнитопровод ленточный стержневой, ширина ленты 50 мм, толщина намотки 25 мм, ширина окна 40 мм, высота окна 80 мм, материал - аморфный сплав 2НСР, число витков первичной обмотки - 4, число витков вторичной обмотки - 14;
- Мостовой диодный выпрямитель 6 - два модуля М4БВД-300-12, 300А, 1200В;
- Дроссель 7 - магнитопровод ленточный стержневой, ширина ленты 25 мм, толщина намотки 12,5 мм, ширина окна 20 мм, высота окна 60 мм, воздушный зазор 0,3 мм, число витков - 4, материал магнитопровода - аморфный сплав 2НСР;
- Датчик напряжения 8 - LV25-P/SP20, от 10 до 500 В;
- Датчик тока 9 - LT100-P/SP42, от 0 до 150 А;
- Микроконтроллер 10 - STM32F407 (Франция);
- Задатчик напряжения выпрямителя 11 - делитель напряжения на резисторах С2-33Н-0,125;
- Драйвер 12 - SKHT22B (SEMIKRON, Германия).
Устройство работает следующим образом. При поступлении на первый вход микроконтроллера 10 заданного значения напряжения выпрямителя 6 с задатчика напряжения 11, микроконтроллер 10 формирует две последовательности прямоугольных импульсов частотой 10 кГц, скважностью 2, которые поступают с выхода микроконтроллера 10 на вход драйвера 12, а с его выходов - на управляющие входы инвертора 1. Напряжение первичной обмотки трансформатора 5 увеличивается в 3,5 раза на вторичной обмотке, и с нее через дроссель переменного тока 7, включенный в один из выходов вторичной обмотки трансформатора 5, поступает на вход выпрямителя 6. Подключенный к выходу выпрямителя датчик напряжения 8 формирует сигнал обратной связи по напряжения выпрямителя 6, поступающий на второй вход микроконтроллера 10. В зависимости от соотношения выходных сигналов задатчика напряжения 11 и датчика напряжения 8 регулируется ширина импульсов на первичной обмотке трансформатора 5 и, тем самым, регулируется выходное напряжение выпрямителя 6. Датчик тока 9, входом подключенный к одному из выходов выпрямителя 6, а выходом - к третьему входу микроконтроллера 10, контролирует величину максимального тока выпрямителя 6. Указанная цепь, подключенная к выводам первичной обмотки трансформатора, уменьшает крутизну фронта и среза прямоугольных импульсов питания первичной обмотки трансформатора, что позволяет устранить высокочастотные выбросы напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора 5 и на выходе выпрямителя 6 и, тем самым, устранить перенапряжения на транзисторных модулях инвертора 1 и диодах выпрямителя 6, а также устранить высокочастотные помехи и, совместно с дросселем переменного тока 7, устранить режим короткого замыкания в выпрямителе при коммутации тока с диода на диод.