РЕГУЛИРУЕМЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании преобразователей переменного первичного напряжения одной амплитуды в регулируемое или стабилизируемое по амплитуде переменное вторичное напряжение той же частоты, причём гальванически не связанное с первичным и, возможно, - улучшенной формы.
Известны регулируемые преобразователи переменного напряжения, состоящие из выпрямителя с импульсным корректором коэффициента мощности, фильтра и инвертора с синусоидальным выходным напряжением (известны системы бесперебойного питания, системы питания электроприводов переменного тока и т.п.).
К недостаткам известных регулируемых преобразователей переменного напряжения относятся: неспособность рекуперации в сеть реактивной мощности нагрузки; большие масса, габариты и стоимость из-за сложности схемы обеспечения синусоидальности формы выходного напряжения, низкая надежность и низкий КПД из-за каскадного преобразования и гальваническая связь выхода со входом.
Известны регулируемые преобразователи переменного напряжения, содержащие двунаправленные управляемые ключи со схемой импульсного управления ключами и трансформатор, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным или выходным зажимам (Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт. 1998 г., стр. 177, рис.5.9а-г).
Недостатком известных регулируемых преобразователей переменного напряжения являются большие масса, габариты и стоимость устройства из-за низкой частоты основной гармоники напряжения питания трансформатора (например, 50 Гц при питании от общепромышленной сети).
По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является регулируемый преобразователь переменного напряжения (см. там же, на стр.177, рис.5г).
Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является снижение массы, габаритов и стоимости устройства.
Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в регулируемый преобразователь переменного напряжения, содержащий четыре двунаправленных управляемых ключа со схемой управления, подключённой своим выходом к их управляющим выводам, и трансформатор, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным и выходным зажимам, причём первый вывод первой обмотки подключён к двум входным зажимам через первый и второй ключи, соответственно, введены четыре конденсатора, причём второй вывод первой обмотки трансформатора
подключён к двум входным зажимам через первый и второй конденсаторы, соответственно, а два вывода второй обмотки трансформатора подключены к двум выходным зажимам через третий и четвёртый ключи и через третий и четвёртый конденсаторы таким же образом, что и выводы первой обмотки к двум входным зажимам, а также тем, что каждый двунаправленный управляемый ключ состоит из двух последовательно-встречно соединённых транзисторов, зашунтированных соответствующими обратными диодами.
По существу, технический результат обеспечивается благодаря тому, что трансформатор работает не на низкой частоте питания устройства (например, 50 Гц), а на частоте импульсной модуляции управляемых ключей (например, 20-70 кГц при использовании транзисторов).
Дополнительным техническим результатом предложения являются:
гальваническая развязка между входом и выходом и отсутствие коммутационных перенапряжений и сверхтоков в транзисторных ключах благодаря наличию цепей рекуперации электромагнитной энергии рассеяния обмоток трансформатора и исключению режимов их короткого замыкания и сквозных транзисторных цепей.
Лабораторные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного регулируемого преобразователя переменного напряжения.
На фиг.1 приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого регулируемого преобразователя переменного напряжения.
1
2
T
На фиг.2 показаны временные диаграммы напряжений на входных (U) и выходных (U) зажимах и на обмотках трансформатора (U).
Регулируемый преобразователь переменного напряжения содержит четыре двунаправленных управляемых ключа 1, 2, 3, 4 со схемой управления 5, подключённой своим выходом к их управляющим выводам, и трансформатор 6, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным 7, 8 и выходным 9, 10 зажимам, а также четыре конденсатора 11, 12, 13, 14. Первый вывод первой обмотки трансформатора 6 подключён к двум входным зажимам 7, 8 через первый 1 и второй 2 ключи, соответственно, а второй вывод той же обмотки - к тем же зажимам через первый 11 и второй 12 конденсаторы, соответственно. Два вывода второй обмотки трансформатора подключены к двум выходным зажимам 9, 10 через третий 3 и четвертый 4 ключи и через третий 13 и четвертый 14 конденсаторы таким же образом, что и выводы первой обмотки к двум входным зажимам.
Обмотки трансформатора 6 могут содержать также вспомогательные отпайки, которые с помощью дополнительно введённых вспомогательных двунаправленных ключей (например, механических и электромеханических) могут быть подключены к тем же общим точкам соединения ключей (1, 2 или 3, 4) или конденсаторов (11, 12 или 13, 14).
Каждый двунаправленный управляемый ключ (1-4) состоит из двух последовательно-встречно соединённых транзисторов, зашунтированных соответствующими обратными диодами, как показано на фиг.1.
Регулируемый преобразователь переменного напряжения работает следующим образом.
1
T
T
1
2
В пределах каждого полупериода низкочастотного входного переменного напряжения (U) ключи 1, 2 и конденсаторы 11, 12 работают в режиме известного полумостового инвертора высокочастотного прямоугольного переменного напряжения (U) с широтно-импульсной модуляцией, т.е. в режиме модулятора (см. фрагмент напряжения трансформатора U на фиг.2). Так, например, в пределах полупериода с положительным напряжением U периодически поочередно с высокой постоянной частотой включаются верхние транзисторы ключей 1 и 2, а их нижние транзисторы постоянно открыты. При этом с помощью выбора величины относительной длительности (ширины) импульсов можно регулировать амплитуду синусоидальной кривой средневыпрямленных импульсных значений. В пределах того же полупериода ключи 3, 4 выполняют роль управляемого выпрямителя, т.е. демодулятора. Для этого достаточно на все время полупериода открыть нижние транзисторы ключей 3 и 4. При этом напряжение на выходных зажимах 9, 10 будет отфильтровано с помощью конденсаторов 13, 14 (см. кривую U на фиг.2).
1
В течение следующего полупериода с отрицательным напряжением U модуляция осуществляется аналогичным образом с помощью нижних транзисторов ключей 1 и 2 (при этом верхние постоянно открыты), а выпрямление (циклоконверторная демодуляция) - с помощью верхних транзисторов ключей 3 и 4. Далее процессы периодически повторяются с частотой питания.
Следует отметить, что в течение пауз между включениями транзисторов ключей электромагнитная энергия рассеяния первичных обмоток трансформатора рекуперирует обратно в конденсаторы 11, 12 через постоянно открытые транзисторы ключей 1 и 2.
Если преобразователь работает на индуктивную или индуктивно-активную нагрузку, то на интервалах рекуперации индуктивной энергии в питающую сеть пары ключей 1, 2 и 3, 4 меняются ролями, т.е. ключи 3, 4 вместе с конденсаторами 13, 14 выполняют роль инверторов (модуляторов), а ключи 1, 2 - роль выпрямителей (циклоконверторных демодуляторов).
Таким образом, несмотря на низкочастотное преобразование (50 Гц) транформаторные обмотки питаются только высокочастотным (без существенных субгармоник) напряжением (20-70 кГц), багодаря чему снижается масса, габариты и стоимость всего устройства. При этом осуществляется гальваническая развязка между входом и выходом, а также отсутствуют коммутационные перенапряжения и сверхтоки в транзисторных ключах благодаря наличию цепей рекуперации электромагнитной энергии рассеяния обмоток трансформатора и исключению режимов их короткого замыкания и сквозных транзисторных цепей (при гарантированной минимальной величине межкоммутационных пауз).