ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ
DC-TO-DC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для создания систем гарантированного питания, электроприводов постоянного и переменного тока, в которых в качестве источника электропитания используется источник напряжения постоянного тока. При использовании в качестве первичного источника электропитания нерегулируемого источника напряжения постоянного тока типа аккумуляторной батареи возникает необходимость повышения или понижения 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 год, 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 коэффицент преобразования выходного напряжения, не более 2,6-2,7.
Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное (RU 2283530 С1), 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 тока диодов возникает режим короткого замыкания, приводящий к провалам в выходном напряжении и повышенным 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 к входам драйвера, а выходы драйвера к управляющим входам инвертора. Недостаток прототипа в том, что на крутых фронтах напряжения питания трансформатора на первичной и вторичной обмотках и на выходе выпрямителя возникают большие выбросы напряжения, создающие электромагнитные помехи и перенапряжения на транзисторах инвертора и диодах выпрямителя. Кроме того, 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. Все это определяет недостаточно высокую надежность.
Целью предлагаемого изобретения является повышение надежности преобразователя постоянного напряжения в постоянное за счет отсутствия крутых фронтов в напряжении питания трансформатора, а значит - отсутствия выбросов напряжения на этих фронтах, что определяет отсутствие электромагнитных помех и перенапряжения на транзисторах инвертора и диодах выпрямителя, и исключение режима короткого замыкания при коммутации тока в диодах выпрямителя.
Раскрытие изобретения
Сущность изобретения заключается во введении в электрическую схему преобразователя, содержащего мостовой однофазный транзисторный инвертор, подключенный к источнику электропитания постоянного тока, двухобмоточный трансформатор, мостовой диодный выпрямитель, к входу которого подключена вторичная обмотка трансформатора, датчик напряжения выпрямителя, подключенный к выходам выпрямителя, микроконтроллер, к первому и второму входам которого подключены задатчик напряжения выпрямителя и выход датчика напряжения выпрямителя, драйвер, входом подключенный к выходу микроконтроллера, а выходами - к управляющим входам инвертора,
следующих существенных признаков:
последовательно соединенные дроссель и конденсатор, подключенные к средним точкам плеч инвертора,
датчик тока, входом подключенный в одну из цепей выхода выпрямителя, а выходом - к третьему входу микроконтроллера,
при этом параллельно конденсатору подключена первичная обмотка трансформатора.
Введенные признаки обеспечивают сглаживание крутых фронтов в напряжении питания трансформатора, исключая этим выбросы напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора. Благодаря этому на транзисторах инвертора и диодах выпрямителя отсутствуют электромагнитные помехи и перенапряжение, а также исключается короткое замыкание при коммутации тока в диодах выпрямителя.
Микроконтроллер и драйвер служат для управления преобразователем. Последовательно соединенные дроссель и конденсатор служат для получения на конденсаторе синусоидального напряжения с коэффициентом искажения синусоидальности не более 10% и регулированием амплитуды синусоидального напряжения благодаря ШИМ-управлению инвертором с исключением 3 и 5 гармоник в напряжении между средними точками плеч инвертора и регулированием его величины. Это позволяет устранить выбросы напряжения на первичной и вторичной обмотках трансформатора и на выходе выпрямителя и тем самым устранить перенапряжения на транзисторах инвертора и диодах выпрямителя, а также электромагнитные помехи и режим короткого замыкания при коммутации тока в диодах выпрямителя.
Графические иллюстрации:
Фигура 1. Электрическая схема преобразователя постоянного напряжения в постоянное.
Фигура 2. Форма напряжения между средними точками плеч инвертора.
Осуществление изобретения
Конкретная модель предлагаемого преобразователя постоянного напряжения в постоянное содержит однофазный мостовой транзисторный инвертор 1, подключенный к источнику электропитания постоянного тока 2. Последовательно соединенные дроссель 3 и конденсатор 4 подключены к средним точкам плеч этого однофазного мостового транзисторного инвертора 1. Первичная обмотка двухобмоточного трансформатора 5 подключена параллельно конденсатору 4, а вторичная - к входу мостового диодного выпрямителя 6, к выходу которого подключен датчик напряжения 7. Выход этого датчика 7 соединен с микроконтроллером 9. В одну из цепей выхода выпрямителя 6 включен датчик тока 8, выход которого также подключен к микроконтроллеру 9, к которому еще подключен задатчик 10 напряжения выпрямителя 6. Выход микроконтроллера 9 соединен с драйвером 11, выходы которого соединены со всеми управляющими входами мостового транзисторного инвертора 1.
В качестве конкретных элементов описанной электрической схемы могут быть выбраны следующие:
1. Однофазный мостовой инвертор 1, на транзисторных модулях М12-300-12-М1; 300А, 1200 В.
2. Источник электропитания постоянного тока 2 - аккумуляторная батарея КАУ-155-100/40 М.
3. Дроссель 3 - магнитопровод ленточный стержневой, ширина ленты 25 мм, толщина намотки 12,5 мм ширина окна 20 мм, высота окна 40 мм, воздушный зазор 1 мм, число витков - 4, материал - аморфный сплав 2НСР.
4. Конденсатор 4 - WIMA GTO МКР-600 В - 15 мкФ±10%.
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 вторичной обмотки - 21, число витков первичной обмотки – 6.
6. Мостовой диодный выпрямитель 6 - два модуля М4БВД-300-12, 300 А, 1200 В
7. Датчик напряжения 7 - LV25-P/SP20, от 10 до 500 В.
8. Датчик тока 8-LA55-P/SP21, от 0 до 70А.
9. Микроконтроллер 9-STM32F407 (Франция).
10. Задатчик напряжения 10 - делитель напряжения на резисторах С2-33Н-0,125.
11. Драйвер 11 - SKHI22B (Германия, SEMIKRON).
Устройство работает следующим образом. При поступлении на первый вход микроконтроллера 9 сигнала заданного значения напряжения выпрямителя 6 с выхода задатчика напряжения 10 микроконтроллер 9 формирует такой формы ШИМ - импульсы управления, которые поступают с выхода микроконтроллера 9 на вход драйвера 11, а с его выходов на управляющие входы инвертора 1, что напряжение между средними точками плеч инвертора 1 имеет форму, показанную на фигуре 2. Из этого напряжения на конденсаторе 4 формируется квазисинусоидальное напряжение, амплитуда которого определяется величиной угла α1, а коэффициент искажения синусоидальности величиной углов α2, α3. Напряжение с конденсатора 4 поступает на первичную обмотку трансформатора 5, увеличивается в 3,5 раза на вторичной обмотке и с нее поступает на вход выпрямителя 6. Подключенный к выходу выпрямителя 6 датчик напряжения 7 формирует сигнал обратной связи по напряжению выпрямителя, поступающий на второй вход микроконтроллера 9. В зависимости от соотношения выходных сигналов задатчика напряжения 10 и датчика напряжения 7 регулируется величина углов α1, α2, α3. Датчик тока 8, входом подключенный в одну из цепей выхода выпрямителя 6, а выходом к третьему входу микроконтроллера 9, контролирует величину максимального тока выпрямителя 6.
Питание трансформатора 5 квазисинусоидальным напряжением 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 и диодах выпрямителя, а также высокочастотные электромагнитные помехи.