ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ
VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для преобразования электрической энергии переменного и постоянного тока в постоянное стабилизированное напряжение. Далее рассматривается преобразователь напряжения постоянного напряжения в постоянное, так как преобразователь напряжения переменного напряжения в постоянное отличается только наличием двух дополнительных элементов: диодного моста и конденсатора, которые широко известны.
Известен преобразователь напряжения, включающий транзисторный ключ, трансформатор, сглаживающий фильтр, обводной диод, ШИМ-контроллер, датчик токовой защиты [1]. Однако работа такого преобразователя напряжения в параллель с другим преобразователем напряжения на общую нагрузку невозможна.
Наиболее близким по техническому существу к заявленному является выбранный в качестве прототипа преобразователь напряжения [2], содержащий транзисторный ключ, трансформатор, сглаживающий LC-фильтр, обводной диод, ШИМ-контроллер, датчик токовой защиты, двухобмоточный трансформатор тока, первая обмотка которого включена в выходную цепь, а вторая подключена к пиковому детектору, выход которого соединен с неинвертирующим входом первого операционного усилителя, а его инвертирующий вход через ограничительный резистор подключен к выводу «Параллель», которым снабжен каждый преобразователь напряжения, участвующий в параллельной работе, и которые соединены между собой [2, фиг.2,б]. Выход первого операционного усилителя подключен к накопительной емкости, которая соединена с инвертирующим входом второго операционного усилителя, а его неинвертирующий вход соединен с выходом токового детектора и средней точкой делителя, включенного на выходе преобразователя напряжения. Выход второго операционного усилителя соединен с инвертирующим входом усилителя ошибки ШИМ-контроллера.
Формирование сигнала ошибки осуществляется следующим образом. Величина тока на входе преобразователя напряжения определяется токовым трансформатором, а пиковый детектор преобразует ток в напряжение, которое подается на неинвертирующий вход первого операционного усилителя. На инвертирующий вход этого операционного усилителя поступает сигнал вывода «Параллель». Величина напряжения на этом выводе зависит от токов (предварительно преобразованных в напряжения) в других преобразователях напряжения. Схемотехника первого операционного усилителя такова, что напряжение на накопительной емкости будет определяться преобразователем с максимальным током. Напряжение с этой накопительной емкости подается на инвертирующий вход второго операционного усилителя. На неинвертирующий вход этого операционного усилителя поступает суммарный сигнал о величине выходного тока преобразователя напряжения и величине выходного напряжения. Напряжение на выходе второго операционного усилителя управляет ШИМ-контроллером. Чем ниже напряжение на выходе второго операционного усилителя, тем шире импульс на выходе ШИМ-контроллера, это приводит к повышению напряжения на выходе преобразователя напряжения, тем самым осуществляется принудительное равномерное распределение тока нагрузки между преобразователями напряжения. Возможным вариантом для такого преобразователя напряжения является включение первой обмотки токового трансформатора в цепь обводного диода, ток в которой пропорционален току нагрузки, но значительно меньше.
Недостатком этого преобразователя напряжения является неустойчивый пуск при параллельной работе на общую нагрузку большого количества мощных преобразователей напряжения когда сопротивление нагрузки составляет сотые доли Ома. При такой нагрузке первый запустившийся преобразователь напряжения принимает нагрузку за короткое замыкание и снижает выходное напряжение до нуля. Следующий запустившийся преобразователь напряжения также начинает работать при нулевом напряжении, оценивает нагрузку как короткое замыкание и также переходит в режим защиты от перегрузок.
Вероятность одновременного пуска нескольких преобразователей напряжения и заряда выходного конденсатора крайне мала. Устойчивый пуск системы параллельно включенных преобразователей напряжения невозможен в таких условиях.
Для устранения отмеченного недостатка в преобразователе напряжения, содержащем транзисторный ключ, трансформатор, сглаживающий LC-фильтр, обводной диод, ШИМ-контроллер, датчик токовой защиты, пиковый детектор, первый и второй операционные усилители, накопительную емкость, двухобмоточный трансформатор заменен на трехобмоточный, причем третья его обмотка подключена через регулируемый детектор к выводу «Блокировка по току» ШИМ-контроллера.
Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что заявляемый преобразователь напряжения отличается наличием новых элементов: трехобмоточного трансформатора тока, дополнительного детектора с регулируемым выходным напряжением и их связями с остальными элементами схемы. Таким образом заявляемый преобразователь напряжения соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими технически решениями показывает, что трехобмоточные трансформаторы и детекторы с регулируемым выходным напряжением широко известны. Однако при их введении в указанной связи с остальными элементами в заявляемый преобразователь напряжения вышеуказанные элементы проявляют новое свойство, что приводит к устойчивому пуску преобразователя напряжения в системе с аналогичным преобразователем напряжения, работающим в параллель на общую нагрузку, независимо от количества преобразователей напряжения и их мощности. Это позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг.1 представлена структурная схема преобразователя напряжения, на фиг.2 - параллельное включение трех преобразователей напряжения на общую нагрузку, на фиг.3 - потенциальная и токовая диаграммы пуска трех преобразователей напряжения, работающих в параллель на общую нагрузку.
Преобразователь напряжения (фиг.1) содержит ШИМ-контроллер 1, вывод которого «Выход А» соединен с базой транзистора 2, а в цепь истока включен датчик токовой защиты 3, напряжение с которого подается на «Вход пилообразного напряжения» ШИМ-контроллера 1 и через резистор 4 на вывод «Блокировка по току» ШИМ-контроллера 1.
В цепь стока транзистора включен трансформатор 5, вторичная обмотка которого подключена к выходу преобразователя напряжения одним концом через дроссель 6, другим - непосредственно. Также к концам вторичной обмотки подключен обводной диод 7 через первую обмотку токового трансформатора 8, а его вторая обмотка подключена к пиковому детектору 11, выход которого соединен с неинвертирующим входом операционного усилителя 12, а его инвертирующий вход через ограничительный резистор 13 - к выводу «Параллель».
Выход операционного усилителя 12 подключен к накопительной емкости 15, которая соединена с инвертирующим входом операционного усилителя 16, а его неинвертирующий вход соединен с выходом пикового детектора 11 и средней точкой делителя из резисторов 17 и 18, включенного на выходе. Выход операционного усилителя 16 соединен с выводом «Усилитель ошибки» ШИМ-контроллера 1. На выходе преобразователя напряжения включен сглаживающий конденсатор 10, а между инвертирующим входом и выходом операционного усилителя 16 - резистор 14, определяющий коэффициент усиления операционного усилителя 16.
Третья обмотка трансформатора тока 8 через детектор с регулируемым выходным напряжением 9 соединена с ШИМ-контроллером 1.
Преобразователь напряжения работает следующим образом. Работа рассматривается на примере пуска трех преобразователей напряжения, включенных в параллель на общую нагрузку (фиг.2).
н
н
1
огр
Предположим, что раньше всех включился первый преобразователь напряжения (фиг.3) и начинает работать на нагрузку, которая значительно превышает его номинальную мощность. На выходе нарастает ток I и напряжение U, и в момент t (фиг.3) ток достигает значения I, которое установлено регулятором детектора 9.
1
5
огр.
2
2
3
огр.
3
5
4
5
ном.
орг.
ном
5
пр1
пр2
пр3
ном
На интервале t-t первый преобразователь напряжения работает в режиме ограничения тока на уровне I, при этом нарастает ток и напряжение на нагрузке. В момент t включается преобразователь напряжения 2, и на интервале t-t ток нарастает до значения I и на этом уровне сохраняется на интервале t-t. Одновременно продолжается нарастание тока и напряжения на нагрузке. В момент t включается третий преобразователь напряжения, и в момент t его ток нарастает до номинального значения I, а токи первого и второго преобразователей напряжения снижаются от I до I. Мощность на нагрузке достигает номинального значения, а токи в каждом преобразователе напряжения в момент t выравниваются на уровне I=I=I=I/3.
В установившемся режиме преобразователь напряжения работает так же как прототип [2].
Экспериментальные исследования заявленного преобразователя напряжения в составе выпрямителя мощностью 6 кВт, в который вошли восемь 900 Вт преобразователей напряжения, показали, что по сравнению с выпрямителем, составленным из преобразователей напряжения по схеме прототипа, обеспечивается устойчивый пуск выпрямителя.
Источники информации
1. Интегральные микросхемы. Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. ДОДЭКА 2000. Высокочастотный ШИМ-контроллер UC 3825 Unitrode Products from Texas Instruments, стр.246, рис.18.
2. Производство источников электропитания промышленного и специального назначения -АЭИЭП, г.Москва, 2006, С.56-59, рис.2, 3.