ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Полезная модель относится к электротехнике и силовой электронике и может быть использована в качестве трансформаторно-выпрямительного устройства с промежуточным звеном высокой частоты в системах электропитания постоянным током от первичной сети переменного тока, например, в системах электроснабжения перспективных летательных аппаратов с повышенной энерговооруженностью.
Техническим результатом предложения является снижение массы, габаритов и пульсаций выходного напряжения устройства
Известны преобразователи переменного напряжения в постоянное (аналог), содержащие два последовательно по выходу соединенных мостовых трехфазных выпрямителя и предвключенный трехфазный трансформатор с одной первичной обмоткой и двумя вторичными обмотками, из которых первая выполнена по схеме звезда, а вторая - по схеме треугольник для снижения пульсаций выходного выпрямленного напряжения (Электрооборудование летательных аппаратов: учебник для вузов. В двух томах / под редакцией С.А.Грузкова. - М: Издательство МЭИ, 2005. Том 1. Системы электроснабжения летательных аппаратов. 568 с, стр.426, рис 12.45).
Недостатком известных преобразователей переменного напряжения в постоянное (аналогов), являются большие массы и габариты, определяемые низкочастотным трансформатором, относительно большие пульсации выходного напряжения из-за относительно малой «пульсности» схемы, а также сложность технологии из-за неодинаковости количества витков и сечений проводов вторичных обмоток трансформатора, что снижает надежность и приводит к увеличению стоимости устройства (особенно при малых числах витков вторичных обмоток, с соотношением ).
Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное (прототип), содержащий выпрямитель и два однотипных предвключенньгх трансформатора, первый из которых подключен к питающей сети через первую группу балластных дросселей, а второй - через последовательно между собой соединенные вторую группу балластных дросселей и группу компенсирующих балластных конденсаторов (с удвоенным реактивным сопротивлением по сравнению с индуктивным сопротивлением дросселей в сумме с индуктивностями рассеяния трансформаторов (Патент на полезную модель №108245, Бюллетень №25 от 10.09.2011 г., Резников СБ., Коняхин С.Ф., Бочаров В.В.).
Указанный преобразователь за счет упрощенной технологии, определяемой одинаковостью трансформаторов, имеет большую надежность и более низкую стоимость по сравнению с аналогами.
Недостатком указанного известного преобразователя переменного напряжения в постоянное является большие массы и габариты, определяемые низкочастотными трансформаторами и относительно большие пульсации выходного напряжения из-за относительно малой «пульсности» схемы.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сути (прототипом) является последний из указанных преобразователей переменного напряжения в постоянное.
Техническим результатом предложения является снижение массы, габаритов и пульсаций выходного напряжения устройства.
Указанный технический результат обеспечивается благодаря тому, что в преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий выпрямитель, первый и второй балластные дроссели балластный конденсатор, соединенный последовательно со вторым дросселем, входные и выходные выводы устройства для подсоединения к источнику переменного тока и к нагрузке постоянного тока, соответственно, причем первый дроссель и индуктивно-емкостная цепочка из последовательно между собой соединенных второго дросселя с конденсатором своими первыми выводами подключены к первому входному выводу устройства, выходные выводы которого подключены к выводам постоянного тока выпрямителя, а величина индуктивного сопротивления каждого балластного дросселя меньше величины емкостного сопротивления балластного конденсатора, ВВЕДЕНЫ блок управления с импульсно-управляющими выходными выводами, а также первый и второй выпрямительно-инверторные преобразователи, каждый из которых состоит из последовательно между собой соединенных входного выпрямителя и выходного инвертора, выводы управления которого подключены к выходным выводам блока управления, причем выводы переменного тока его входного выпрямителя подключены ко второму входному выводу устройства и вторым выводам первого дросселя и индуктивно-емкостной цепочки, соответственно, а выходные выводы его выходного инвертора подключены к соответствующим выводам переменного тока выпрямителя, а также благодаря тому, что блок управления имеет цепи обратных связей по входному и выходному напряжениям и выполнен с возможностью регулирования параметров импульсных сигналов на своих выходных выводах в зависимости от отклонений сигналов в его цепях обратных связей от эталонных.
По техническому существу указанный технический результат обеспечивается путем замены низкочастотных трансформаторов импульсно-регулируемыми звеньями высокой частоты, имеющими относительно меньшие массы и габариты и позволяющие за счет регулирования (например, широтно-импульсного) получить относительно высокую «пульсность» и стабильность выходного напряжения.
Лабораторные испытания макета предлагаемого устройства и компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного внедрения.
На фиг. приведена структурно-принципиальная силовая схема предлагаемого преобразователя переменного напряжения в постоянное в однофазном исполнении.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное содержит: выпрямитель 1, первый и второй балластные дроссели 2, 3, балластный конденсатор 4, соединенный последовательно со вторым дросселем, входные и выходные выводы 5, 6 устройства для его подсоединения к источнику переменного тока и к нагрузке постоянного тока, соответственно, блок управления 7 с импульсно-управляющими выходными выводами, а также первый и второй выпрямительно-инверторные преобразователи 8, 9. Каждый из выпрямительно-инверторных состоит из последовательно между собой соединенных входного выпрямителя 10 и выходного инвертора 11. Блок управления имеет цепи 12, 13 обратных связей по входному и выходному напряжениям.
Первый дроссель 2 и индуктивно-емкостная цепочка из последовательно между собой соединенных второго дросселя 3 с конденсатором своими первыми выводами подключены к первому входному выводу 5 устройства. Выходные выводы 6 устройства подключены к выводам постоянного тока выпрямителя 1. Выводы управления инвертора 11 каждого выпрямительно-инверторного преобразователя 8, 9 подключены к выходным выводам блока управления 7. Выводы переменного тока его входного выпрямителя 10 подключены ко вторым выводам первого дросселя 2 и индуктивно-емкостной цепочки 3-4, соответственно, а выходные выводы его выходного инвертора 11 подключены к соответствующим выводам переменного тока выпрямителя 1.
Величина индуктивного сопротивления каждого балластного дросселя 2, 3 меньше величины емкостного сопротивления балластного конденсатора 4 (ωL<1/ωС, где L -индуктивность каждого дросселя, С - электроемкость конденсатора).
Блок управления 7 выполнен с возможностью регулирования параметров импульсных сигналов на своих выходных выводах в зависимости от отклонений сигналов в его цепях 12, 13 обратных связей от эталонных.
Выходной инвертор 11 каждого из выпрямительно-инверторных преобразователей 8, 9 является высокочастотным и может иметь выходной трансформатор для согласования напряжений и обеспечения гальванической развязки между входом и выходом устройства.Инвертор может быть выполнен по двухтактной мостовой или полумостовой схеме на транзисторных ключах типа МОСФЕТ.
Преобразователь переменного напряжения в постоянное работает следующим образом.
Входные выводы 5 устройства подключают к источнику переменного тока, например - к однофазной цепи, а выходные выводы 6 - к нагрузке постоянного тока, например, к аккумуляторной батарее, светодиодному светильнику, накопительному конденсатору и др.
Если, например, выполняется соотношение 1/ωС≈2ωL, то на входных выводах выпрямительно-инверторных блоков 8 и 9 появляются переменные напряжения, сдвинутые по временной фазе относительно друг друга на 90 эл. градусов (π/2 рад) благодаря тому, что в цепи 2 течет отстающий по фазе ток, а в цепи 3-4 - опережающий. При этом значение коэффициента мощности на входе устройства будет близким к единице.
0
0
При высокочастотном управлении инверторами 11 и при наличии на их входных выводах пульсирующих выпрямленных напряжений, изменяющихся по законам: U|sin(ωt)| и U|sin(ωt+π/2)| на выходах инверторов появляются амплитудно-модулированные напряжения с высокочастотной прямоугольной «несущей» составляющей и низкочастотной синусоидальной «огибающей» (так называемые «биения»).
Благодаря взаимному фазовому сдвигу между «огибающими» и широтно-импульсному регулированию амплитуд «несущих» составляющих указанных напряжений при их суммировании в выпрямителе 1 на выходных выводах 6 устройства можно получить, постоянное напряжение с относительно малыми пульсациями (с малым коэффициентом пульсаций).
Таким образом, путем замены низкочастотных трансформаторов импульсно-регулируемыми звеньями высокой частоты, имеющими относительно меньшие массы и габариты и позволяющими за счет регулирования (например, широтно-импульсного) получить относительно высокую «пульсность» и стабильность выходного напряжения.
Благодаря вышеизложенному обеспечивается заявленный технический результат предложения: снижения массы, габаритов и пульсаций выходного напряжения устройства.