УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПОСТОЯННОЕ

Предполагаемая полезная модель относится к области электротехники и может найти применение для управления передачей мощности между двумя источниками постоянного напряжения.
Известны широтно-импульсные преобразователи постоянного напряжения в постоянное (Г.С. Зиновьев, «Основы силовой электротехники», Новосибирск, 2004, издательство НГТУ с. 331-347, рис. 7.1.6 б).
Указанный преобразователь выполнен по мостовой схеме и содержит источник постоянного напряжения, потребитель постоянного напряжения с катушкой индуктивности, четыре управляемые ключа, установленные в два полумоста, четыре диода, включенные встречно-параллельно управляемым ключам. На схеме не показаны, но подразумеваются датчики напряжения и датчики тока со стороны источника и потребителя постоянного напряжения для контроля уровня токов и напряжений на входе и выходе преобразователя, а также система управления, куда поступают сигналы с указанных датчиков.
Недостатками указанного преобразователя является подмагничивание катушки индуктивности и работа катушки индуктивности с пульсирующим однополярным током, что приводит к насыщению магнитопровода катушки индуктивности, нагреванию ее обмоток и, в конечном счете, к ограничению передаваемой мощности. Для увеличения мощности приходится увеличивать сечение магнитопровода катушки индуктивности, что ухудшает массогабаритные характеристики преобразователя.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение двунаправленной передачи энергии, как с повышением, так и с понижением напряжения на приемнике энергии.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение передаваемой потребителю мощности в прямом и обратном направлении передачи с одновременным уменьшением массогабаритных показателей устройства за счет применения трансформатора со встречно включенными первичной и вторичной обмотками.
Поставленный результат достигается тем, что в устройстве для преобразования постоянного напряжения в постоянное, содержащем источник постоянного напряжения, приемник энергии, управляемые ключи, установленные по полумостовой схеме, защитные демпферные диоды, включенные встречно-параллельно управляемым ключам, датчики напряжения, параллельно соединенные с источником постоянного напряжения, датчики тока, последовательно соединенные с положительным полюсом источника постоянного напряжения, микропроцессорную систему управления, взаимодействующую с указанными датчиками, две катушки индуктивности, согласно полезной модели, устройство содержит два преобразователя постоянного напряжения, установленных по мостовой схеме, при этом взаимосвязь преобразователей выполнена на базе трансформатора со встречно включенными первичной и вторичной обмотками, причем первичная обмотка одним выводом трансформатора подключена к полумосту первого преобразователя, образованного парой управляемых ключей, а другим выводом - к полумосту второго преобразователя, образованного второй парой управляемых ключей, при этом вторичная обмотка подключена одним выводом к полумосту первого преобразователя, образованного третьей парой управляемых ключей, а вторым выводом к полумосту второго преобразователя, образованного четвертой парой управляемых ключей, кроме того, один вывод первой катушки индуктивности подключен к первичной обмотке трансформатора, а второй вывод - к полумосту второго преобразователя, образованного второй парой управляемых ключей, при этом один вывод второй катушки индуктивности подключен к вторичной обмотке трансформатора, а второй вывод - к полумосту второго преобразователя, образованного четвертой парой управляемых ключей.
Наличие двух преобразователей, выполненных на базе трансформатора со встречно включенными первичной и вторичной обмотками, обеспечивает передачу энергии от источника к приемнику и наоборот, как с повышением, так и с понижением напряжения на приемнике энергии.
Выполнение взаимосвязи преобразователей на базе трансформатора со встречно включенными первичной и вторичной обмотками таким образом, что первичная обмотка одним выводом трансформатора подключена к полумосту первого преобразователя, образованного парой управляемых ключей, а другим выводом - к полумосту второго преобразователя, образованного второй парой управляемых ключей, при этом вторичная обмотка подключена одним выводом к полумосту первого преобразователя, образованного третьей парой управляемых ключей, а вторым выводом к полумосту второго преобразователя, образованного четвертой парой управляемых ключей обеспечивает увеличение напряжения на стороне потребителя не за счет накапливания энергии, как это было в схемах с дросселями вместо трансформатора, а за счет трансформации энергии, поступающей с трансформатора. В трансформаторе при протекании изменяющегося тока через него возникает ЭДС самоиндукции. Первичная и вторичная обмотки трансформатора сфазированы встречно, что позволяет осуществлять добавку напряжения на приемнике энергии суммированием его с ЭДС самоиндукции. При переключении проводящих ключей происходит постоянное перемагничивание магнитопровода трансформатора, в связи с чем его насыщение не достигается, и ограничения передаваемой мощности не происходит, поэтому появляется возможность передавать повышенную мощность. По сравнению со схемами, содержащими дроссели вместо трансформаторов, в которых передаваемую мощность повышали, увеличивая сечение магнитопровода из-за исключения работы в зоне насыщения, в представленной схеме увеличение мощности достигается применением трансформатора со встречно включенными обмотками. Поэтому увеличение сечения магнитопровода не требуется, и массогабаритные показатели уменьшаются по сравнению со схемами, содержащими дроссели. Кроме того, поля рассеивания у трансформатора меньше, это также позволяет снизить магнитные потери, увеличивая передаваемую мощность.
Наличие в схеме, подключенной заявляемым образом, катушек индуктивности позволяет уменьшить пульсации тока, следовательно, уменьшить потери на нагрев обмоток и проводников, что также повышает передаваемую потребителю мощность.
В результате проведенных патентных исследований не выявлено известных из уровня техники аналогичных технических решений, характеризуемых заявляемой совокупностью признаков, что позволяет сделать вывод о соответствии предполагаемой полезной модели условию патентоспособности «новизна», может найти применение в электротехнике в качестве преобразовательных установок как общепромышленного, так и транспортного назначения для преобразования энергии постоянного тока, т.е. «промышленно применимо».
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 - электрическая схема устройства; на фиг. 2 - временные диаграммы для случая прямой передачи мощности с повышением напряжения на приемнике; на фиг. 3 - временные диаграммы для случая обратной передачи мощности с повышением напряжения на приемнике более, чем в два раза; на фиг. 4 - временные диаграммы для случая прямой передачи мощности при переходе из режима повышения напряжения на приемнике в 2 раза в режим понижения в 2 раза по сравнению с напряжением источника.
Устройство содержит потребитель энергии 1 (при прямой передаче мощности он является потребителем, при обратной - источником напряжения), первый преобразователь (ППН1) с датчиком напряжения 2 (ДН1), датчиком тока 3 (ДТ1), управляемыми ключами 4 (VT1), 5 (VT2), 6 (VT3), 7 (VT4), диодами 8 (VD1), 9 (VD2), 10 (VD3), 11 (VD4), обмотки трансформатора 12, 13, катушки индуктивности 14 (L1), 15 (L2), второй преобразователь (ППН2) с диодами 16 (VD5), 17 VD6), 18 (VD7), 19 (VD8), управляемыми ключами 20 (VT5), 21 (VT6), 22 (VT7), 23 (VT8), датчиком напряжения 24 (ДН2), датчиком тока 25 (ДТ2), источник напряжения 26 при прямой передаче мощности, при обратной - потребитель, обладающий большой емкостью и представленный как емкость, микропроцессорную систему управления (на схеме не показана).
Устройство работает следующим образом.
Существует четыре режима работы: прямая передача мощности с увеличением напряжения на приемнике (в данном случае источник напряжения 26, приемник 1), прямая передача мощности с уменьшением напряжения на приемнике (источник напряжения 26, приемник 1), обратная передача мощности с увеличением напряжения на приемнике (источник напряжения 1, приемник 26), обратная передача мощности с уменьшением напряжения на приемнике (источник напряжения 1, приемник 26).
2
1
3
4
м
L1
L2
V2
САМОИНД
V4
САМОИНД
V2
V4
САМОИНД
ПОТР
При прямой передаче мощности от источника напряжения 26 к приемнику 1, которым является емкость, с повышением напряжения на приемнике устройство работает следующим образом. На управляемые ключи 20 (VT5) и 22 (VT7) подаются сигналы на открытие, и они остаются в открытом состоянии на протяжении всего данного режима работы. В то же время управляемыми ключами 5 (VT2) и 7 (VT4) осуществляется регулирование напряжения в режиме противофазной широтно-импульсной модуляции. Сигналы на включение этих ключей подаются со сдвигом 180 электрических градусов, величина напряжения регулируется за счет изменения относительной продолжительности включения ключей (скважности). Когда открывается ключ 5 (VT2), ток начинает протекать от положительного полюса источника напряжения, через ключ 20 (VT5), катушку индуктивности 14 (L1), первичную обмотку 12 трансформатора (зажимы w и w), ключ 5 (VT2) и на отрицательный полюс приемника 1. При этом в первичной обмотке 12 трансформатора при увеличении тока наводится ЭДС самоиндукции, которая направлена противоположно току. Во вторичной обмотке 13 трансформатора (зажимы w и w) также наводится ЭДС самоиндукции, но уже противоположного направления за счет того, что обмотки 12 и 13 трансформатора встречно включены (см. фиг. 1) - начала обмоток, обозначенные точками, расположены на противоположных концах обмоток. ЭДС самоиндукции вторичной обмотки 13 трансформатора суммируется через диод 10 (VD3) с напряжением источника 26, тем самым увеличивая напряжение на приемнике 1 до нужного уровня. Когда открывается управляемый ключ 7 (VT4), происходят аналогичные процессы, ток следует по пути «источник 26-управляемый ключ 22 (VT7)-15 (L2)-вторичная обмотка трансформатора 13-управляемый ключ 7 (VT4)-приемник 1, а ток через катушку 14 (L1) начинает спадать по экспоненциальному закону за счет накопленной в индуктивности энергии. В данном случае ЭДС самоиндукции, наводимая в первичной обмотке 12 трансформатора, суммируется с напряжением источника через диод 8 (VD1), повышая напряжение на приемнике 1. Трансформатор при этом перемагничивается - магнитный поток меняет знак. При этом за счет того, что источник 26 обладает достаточной емкостью, напряжение на приемнике 1 нарастает не мгновенно, а по экспоненциальному закону. Эти процессы поясняются временными диаграммами, изображенными на фиг. 2, построенными для случая, когда каждый из ключей 5 (VT2) и 7 (VT4) открыт половину периода модуляции Т, то есть, скважность равна 0,5. На них показаны сигналы управления на ключи 20 (VT5), 22 (VT7), 5 (VT2), 7 (VT4), токи через катушки индуктивности 14 (I), 15 (I), напряжения, прикладываемые к управляемым ключам и суммируемые с ними ЭДС самоиндукции U+Е и U+Е, где U - напряжение на управляемом ключе 5(VT2), U - напряжение на управляемом ключе 7(VT4), Е - ЭДС самоиндукции, а также напряжение на потребителе энергии 1 U, равное в данном случае удвоенному напряжению источника 26. Все зависимости приведены от времени.
При обратной передаче мощности с повышением напряжения на приемнике 26 происходят аналогичные описанным процессы. При работе в данном режиме ключи 4 (VT1) и 6 (VT3) остаются в открытом состоянии, а управляемыми ключами 21 (VT6) и 23 (VT8) производится регулирование напряжения путем применения широтно импульсной модуляции. При открытии ключа 21 (VT6) образуется следующий путь тока: «положительный полюс источника 1-4 (VT1)-первичная обмотка трансформатора 12-катушка индуктивности 14 (L1)-управляемый ключ 21 (VT6)-приемник 26». ЭДС самоиндукции вторичной обмотки 13 трансформатора суммируется через диод 18 (VD7) с напряжением источника 1, тем самым увеличивая напряжение на приемнике 26 до нужного уровня. При открытии ключа 23 (VT8) путь тока имеет вид: «источник 1-управляемый ключ 6 (VT3)-вторичная обмотка трансформатора 13-катушка 15 (L2)-управляемый ключ 23 (VT8)-приемник 26». ЭДС самоиндукции первичной обмотки трансформатора суммируется через диод 16 (VD5) с напряжением источника 1, тем самым увеличивая напряжение на приемнике 26 до нужного уровня.
М
V6
САМОИНД
V4
САМОИНД
V6
V8
САМОИНД
L1
L2
ПОTP
Возможно увеличение напряжения на приемнике энергии более, чем в два раза. Рассмотрим в режиме обратной передачи мощности, приемником в данном случае служит 26. Это осуществляется следующим образом. Управляемые ключи 4 (VT1) и 6 (VT3) остаются открытыми, а длительность включения ключей 21 (VT6) и 23 (VT8) делают больше половины периода модуляции Т, в результате чего возникают области перекрытия, когда один ключ еще не закрылся, а второй уже открылся. Это поясняется временными диаграммами на фиг. 3, на которой зоны перекрытия выделены штриховкой. На фиг. 3 приведены зависимости от времени следующих величин: сигналов управления на ключи 4 (VT1), 6 (VT3), 21 (VT6), 23 (VT8), напряжения, прикладываемые к управляемым ключам и суммируемые с ними ЭДС самоиндукции U+Е и U+Е, где U - напряжение на управляемом ключе 21 (VT6), U - напряжение на управляемом ключе 23 (VT8), Е - ЭДС самоиндукции, добавки напряжения, сформированные за счет энергии катушек 14 (U), 15 (U) а также напряжение на потребителе энергии 26 U. На момент перекрытия в устройстве возникает замкнутый контур, по которому протекает ток, увеличивая энергию, накапливаемую в катушках индуктивности 14 и 15. Когда ключ закрывается, контур разрывается и добавка напряжения, сформированная за счет накопленной энергии катушки, суммируется с напряжением приемника 26. В случае закрытия 21 (VT6) добавка, сформированная за счет энергии катушки 14, суммируется через диод 16 (VD5), а при закрытии ключа 23 (VT8) добавка, сформированная за счет энергии катушки 15, суммируется через диод 18 (VD7). Таким образом, на приемнике 26 образуется напряжение, равное сумме напряжения источника 1, ЭДС самоиндукции трансформатора и добавки напряжения, полученной за счет накопленной энергии катушки индуктивности, согласно фиг. 3.
М
V2
САМОИНД
V4
САМОИНД
V2
V4
САМОИНД
ПОTP
При прямой передаче мощности с понижением напряжения на приемнике 1 устройство работает следующим образом. В данном режиме поочередно переключатся управляемые ключи 20 (VT5) и 22 (VT7) в режиме противофазной широтно-имульсной модуляции. При открытии ключа 20 (VT5) энергия через сам ключ 20 (VT5), катушку индуктивности 14 (L1), первичную обмотку трансформатора 12, диод 8 (VD1) поступает к приемнику 1. При открытии ключа 22 (VT7) энергия через управляемый ключ 22 (VT7), катушку индуктивности 15 (L2), вторичную обмотку трансформатора 13, диод 10 (VD3) поступает к приемнику 1. Уменьшение напряжения достигается уменьшением относительной длительности включения (скважности) управляемых ключей 20 (VT5) и 22 (VT7), которое вызывает уменьшение добавки напряжения, которое передается приемнику 1 через диоды 8 и 10. Следовательно, уменьшается и напряжение на приемнике 1. В данном режиме также происходит постоянное перемагничивание трансформатора при переключении ключей, что позволяет ему не перегреваться. Режим уменьшения напряжения на приемнике при прямой передаче мощности поясняется фиг. 4, на которой показано изменение напряжения на приемнике при переходе из режима увеличения напряжения в два раза в режим уменьшения напряжения в два раза по сравнению с напряжением источника. Для того, чтобы добиться этого, необходимо установить время включения ключей 20 (VT5) и 22 (VT7), равное четверти периода модуляции Т. На фиг. 4 показаны сигналы управления на ключи 20 (VT5), 22 (VT7), 5 (VT2), 7 (VT4), напряжения, прикладываемые к управляемым ключам и суммируемые с ними ЭДС самоиндукции U+Е и U+Е, где U - напряжение на управляемом ключе 5, U - напряжение на управляемом ключе 7 (VT4), Е - ЭДС самоиндукции, а также напряжение на потребителе энергии 1 U. Все зависимости представлены от времени.
Работа устройства при обратном потоке мощности с понижением напряжения на потребителе 26 аналогична работе в режиме понижения при прямом потоке мощности. Переключения происходят у управляемых ключей 4 (VT1) и 6 (VT3), а энергия передается через диоды 16 (VD5) и 18 (VD7).
Таким образом, заявляемое устройство обеспечивает повышение передаваемой мощности потребителю энергии в прямом и обратном направлении передачи с одновременным уменьшением массогабаритных показателей.