ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ
DC VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к электротехнике, предназначено для преобразования постоянного напряжения в постоянное напряжение другой величины и преимущественно может быть использовано для согласования источника напряжения с нагрузкой, обеспечения стабилизации напряжения на нагрузке и тока, потребляемого от источника напряжения.
Известен преобразователь постоянного напряжения, содержащий n рабочих управляемых вентилей и n цепочек, каждая из которых состоит из накопительного индуктивного элемента, с концом которого соединен основной вентиль, включенный согласно направлению протекания тока индуктивного накопительного элемента, начала индуктивных накопительных элементов соединены между собой и подключены ко второму входному выводу, а свободные выводы основных вентилей соединены со вторым выходным выводом. Рабочие управляемые вентили включены согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента между точками соединения индуктивных накопительных элементов с соответствующими основным вентилями и общей точкой, являющейся первым входным и первым выходым выводами. Преобразователь позволяет получить повышенное напряжение на нагрузке.
Недостатком такого преобразователя является относительно низкая надежность в связи с необходимостью выключения рабочих вентилей при повышенном напряжении, равном напряжению на нагрузке, а также ограниченные функциональные возможности из-за невозможности получения напряжения на нагрузке ниже величины входного напряжения и невозможности обеспечения питания нагрузки от индуктивного накопительного элемента при исчезновении входного напряжения, например, в результате аварийного отключения.
Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому является преобразователь постоянного напряжения, содержащий n рабочих управляемых вентилей и n цепочек, каждая из которых состоит из накопительного индуктивного элемента, с концом которого соединен основной вентиль, включенный согласно направлению протекания тока индуктивного накопительного элемента, начала индуктивных накопительных элементов соединены между собой и подключены ко второму входному выводу, а свободные выводы основных вентилей соединены со вторым выходным выводом. Рабочие управляемые вентили включены согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента между точками соединения индуктивных накопительных элементов с соответствующими основным вентилями и общей точкой, являющейся первым входным и первым выходым выводами. Параллельно каждому индуктивному накопительному элементу подсоединен обратный управляемый вентиль, включенный согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента. Такой преобразователь позволяет получить регулируемое напряжение на нагрузке выше величины входного напряжения, а напряжение на рабочем управляемом вентиле при его выключении не превышает величины входного напряжения.
Этот преобразователь постоянного напряжения имеет ограниченные функциональные возможности: не позволяет осуществлять питание нагрузки от индуктивного накопительного элемента при разрыве цепи источника постоянного напряжения, не позволяет управлять величиной напряжения на нагрузке в диапазоне ниже величины источника напряжения, не позволяет принимать в индуктивный накопительный элемент избыточную энергию от нагрузки, не позволяет снижать уровень запасенной в индуктивном накопительном элементе энергии иначе, чем разрядом на нагрузку.
Изобретением решается задача расширения функциональных возможностей, расширения диапазона регулирования выходного напряжения и повышения надежности.
Для этого в первом варианте исполнения преобразователь постоянного напряжения, содержащий n рабочих управляемых вентилей, например запираемых тиристоров, подключенных к первому входному выводу, являющемуся общим с первым выходным выводом, n цепочек, каждая из которых состоит из накопительного индуктивного элемента, с концом которого соединен основной вентиль, включенный согласно направлению протекания тока индуктивного накопительного элемента. Начала индуктивных накопительных элементов соединены между собой, а свободные выводы основных вентилей соединены со вторым выходным выводом. Параллельно каждому индуктивному накопительному элементу подсоединен обратный управляемый вентиль, включенный согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента. Согласно данному изобретению i-й (где i=1, …, n) рабочий управляемый вентиль свободным выводом подключен согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента к точке соединения i-го индуктивного накопительного элемента и i-го основного вентиля. Начала индуктивных накопительных элементов соединены со вторым входным выводом через входной управляемый вентиль, включенный согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента, а между первым входным выводом и общей точкой индуктивных накопительных элементов, обратных управляемых вентилей и входного управляемого вентиля включен шунтирующий вентиль согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента.
Во втором варианте исполнения преобразователь постоянного напряжения, содержащий n рабочих управляемых вентилей, например запираемых тиристоров, подключенных к первому входному выводу, являющемуся общим с первым выходным выводом, n цепочек, каждая из которых состоит из накопительного индуктивного элемента, с концом которого соединен основной вентиль, включенный согласно направлению протекания тока индуктивного накопительного элемента. Свободные выводы основных вентилей соединены со вторым выходным выводом. Параллельно каждому индуктивному накопительному элементу подсоединен обратный управляемый вентиль, включенный согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента. Согласно данному изобретению содержатся n входных управляемых вентилей и n шунтирующих вентилей, причем, i-й (где i=1, …, n) рабочий управляемый вентиль свободным выводом подключен согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента к точке соединения i-го индуктивного накопительного элемента и основного вентиля. Начало i-го индуктивного накопительного элемента соединено со вторым входным выводом через i-й входной управляемый вентиль, включенный согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента, а между первым входным выводом и общей точкой i-го индуктивного накопительного элемента, i-го обратного управляемого вентиля и i-го входного управляемого вентиля включен i-й шунтирующий вентиль согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента.
В исполнении по первому варианту согласно данному изобретению преобразователь постоянного напряжения может быть выполнен таким образом, что содержит дополнительный обратный управляемый вентиль, включенный между вторым выходным выводом и общей точкой начал индуктивных накопительных элементов согласно направлению тока индуктивных накопительных элементов.
В исполнении по второму варианту согласно данному изобретению преобразователь постоянного напряжения может быть выполнен таким образом, что содержит n дополнительных обратных управляемых вентилей, причем i-ый дополнительный обратный управляемый вентиль включен между вторым выходным выводом и началом 1-го индуктивного накопительного элемента согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента.
Также в исполнениях по второму варианту согласно данному изобретению преобразователь постоянного напряжения может быть выполнен так, что в составе его схемы содержится разрядная цепочка, подключенная между первым и вторым выходными выводами, состоящая из последовательно соединенных резистора и разрядного управляемого вентиля, включенного согласно направлению тока индуктивного накопительного элемента.
Изобретение поясняется графически. Принципиальные схемы вариантов предложенного устройства представлены на фиг.1-5.
На фиг.1 представлена принципиальная схема первого варианта преобразователя постоянного напряжения. На фиг.2 представлена принципиальная схема второго варианта преобразователя постоянного напряжения. На фиг.3 представлена принципиальная схема исполнения по дополнительному пункту 3 формулы изобретения для первого варианта. На фиг.4 представлена принципиальная схема в исполнении по дополнительному пункту 4 формулы изобретения по второму варианту преобразователя постоянного напряжения. На фиг.5 представлена принципиальная схема в исполнении по дополнительному пункту 5 формулы изобретения.
На фиг.1 представлена принципиальная схема первого варианта преобразователя постоянного напряжения, где обозначено: 1-1, …, 1-n - рабочие управляемых вентили, например запираемые тиристоры, 2-1, …, 2-n - накопительные индуктивные элементы, 3-1, …, 3-n основные вентили, например полупроводниковые диоды 4-1, …, 4-n - обратные управляемые вентили, 5 - источник постоянного напряжения, 6 - нагрузка, 7 - шунтирующий вентиль, 8 - входной управляемый вентиль. Стрелками показано направление тока индуктивных накопительных элементов.
На фиг.2 представлена принципиальная схема второго варианта преобразователя постоянного напряжения, где обозначено: 1-1, …, 1-n - рабочие управляемых вентили, например запираемые тиристоры, 2-1, …, 2-n - накопительные индуктивные элементы, 3-1, …, 3-n основные вентили, например полупроводниковые диоды 4-1, …, 4-n - обратные управляемые вентили, 5 - источник постоянного напряжения, 6 - нагрузка, 7-1, …, 7-n - шунтирующие вентили, 8-1, …, 8-2 - входные управляемые вентили. Стрелками показано направление тока индуктивных накопительных элементов.
На фиг.3 представлена принципиальная схема исполнении по дополнительному пункту 3 формулы изобретения для первого варианта, где обозначено: 1-1, …, 1-n - рабочие управляемых вентили, например запираемые тиристоры, 2-1, …, 2-n - накопительные индуктивные элементы, 3-1, …, 3-n основные вентили, например полупроводниковые диоды 4-1, …, 4-n - обратные управляемые вентили, 5 - источник постоянного напряжения, 6 - нагрузка, 7 - шунтирующий вентиль, 8 - входной управляемый вентиль, 9 - дополнительный обратный управляемый вентиль. Стрелками показано направление тока индуктивных накопительных элементов.
На фиг.4 представлена принципиальная схема исполнении по дополнительному пункту 4 формулы изобретения для третьего варианта, где обозначено: 1-1, …, 1-n - рабочие управляемых вентили, например запираемые тиристоры, 2-1, …, 2-n - накопительные индуктивные элементы, 3-1, …, 3-n основные вентили, например полупроводниковые диоды, 4-1, …, 4-n - обратные управляемые вентили, 5 - источник постоянного напряжения, 6 - нагрузка, 7 - шунтирующий вентиль, 8 - входной управляемый вентиль, 9-1, …, 9-n - дополнительные обратные управляемые вентили. Стрелками показано направление тока индуктивных накопительных элементов.
На фиг.5 представлена принципиальная схема исполнения по дополнительному пункту 5 формулы изобретения, где обозначено: 1-1, …, 1-n - рабочие управляемых вентили, например запираемые тиристоры, 2-1, …, 2-n - накопительные индуктивные элементы, 3-1, …, 3-n основные вентили, например полупроводниковые диоды, 4-1, …, 4-n - обратные управляемые вентили, 5 - источник постоянного напряжения, 6 - нагрузка, 7 - шунтирующий вентиль, 8 - входной управляемый вентиль, 9-1, …, 9-n - дополнительные обратные управляемые вентили, 10 - разрядный управляемый вентиль, 11 - сопротивление. Стрелками показано направление тока индуктивных накопительных элементов.
Преобразователь постоянного напряжения (фиг.1) работает следующим образом.
В процессе работы индуктивные накопительные элементы 2-1, …, 2-n могут выполнять роль основного, резервного и дополнительного (вольтодобавка) источника электрической энергии. В исходном состоянии в индуктивных накопительных элементах энергия отсутствует (накопитель разряжен). Для заряда индуктивных накопительных элементов включаются рабочие управляемые вентили 1-1, …, 1-n поочередно или группами (в зависимости от мощности источника постоянного напряжения). После достижения требуемой величины тока, существенно превышающей номинальный ток нагрузки 6, соответствующие обратные управляемые вентили 4-1, …, 4-n включаются, а соответствующие рабочие управляемые вентили выключаются. При этом ток индуктивных накопительных элементов замыкается через обратные управляемые вентили 4-1, …, 4-n. Индуктивные накопительные элементы переходят в режим сохранения энергии и могут находиться в этом режиме длительное время. Нагрузка 6 в этом режиме питается от источника постоянного напряжения 5 через входной управляемый вентиль 8 и основные вентили 3-1, …, 3-n. При выключении (например, аварийном) источника постоянного напряжения 5 нагрузка 6 переходит на питание от индуктивных накопительных элементов. При этом поочередно (или группами) выключаются обратные управляемые вентили 4-1, …, 4-n. Индуктивные накопительные элементы частично разряжаются на нагрузку 6 через шунтирующий вентиль 7, при этом величина выделяемой на нагрузке энергии определяется длительностью выключенного состояния обратного управляемого вентиля. После выделения необходимой величины энергии на нагрузке обратные управляемые вентили включаются. Выбор длительности выключенного состояния обратных вентилей определяет действующее напряжение на нагрузке при периодическом выключении и включении обратных вентилей. Величина среднего напряжения на нагрузке в этом режиме может поддерживаться в диапазоне ниже номинального напряжения источника постоянного напряжения 5. Электропитание нагрузки 6 от индуктивных накопительных элементов 2-1, …, 2-n при отсутствии напряжения на входных выводах от источника напряжения постоянного напряжения 5 повышает надежность электропитания нагрузки. Кроме того, наличие входного управляемого вентиля 8 позволяет реализовать новый режимы работы преобразователя. Этот режим заключается в том, что производится периодическое отключение источника постоянного напряжения 5 входным управляемым вентилем 8, что позволяет регулировать среднее значение напряжения на нагрузке 6 в диапазоне ниже величины входного напряжения. В этом режиме при включенном входном вентиле 8 включаются рабочие управляемые вентили 1-1, …, 1-n и производится подзаряд индуктивных накопительных элементов 2-1, …, 2-n. Обратные управляемые вентили 4-1, …, 4-n запираются, например, напряжением источника 5, При выключении входного управляемого вентиля 8 и рабочих вентилей 1-1, …, 1-n производится вывод на нагрузку энергии индуктивных накопительных элементов. При этом ток индуктивных накопительных элементов 2-1, …, 2-n, рабочих управляемых вентилей 1-1, …, 1-n и нагрузки 6 замыкается через шунтирующий вентиль 7. Следует отметить, что выключение рабочих управляемых вентилей может производиться одновременно, группами и поочередно. Длительность вывода на нагрузку энергии каждого i-го индуктивного накопительного элемента, а следовательно, и величина среднего напряжения на нагрузке определяется длительностью выключенного состояния i-го обратного управляемого вентиля. При неодновременном выключении рабочих управляемых вентилей 1-1, …, 1-n ток проводящего рабочего управляемого вентиля замыкается через шунтирующий вентиль 7 и соответствующий индуктивный накопительный элемент. В этом режиме электропитание нагрузки 6 производится энергией запасенной в индуктивных накопительных элементах 2-1, …, 2-n. В рассматриваемом варианте исполнения возможен перевод индуктивных накопительных элементов из режима накопления в режим сохранения при одновременном выключении рабочих и включении соответствующих обратных управляемых вентилей с последующим, например, поочередным выводом энергии на нагрузку путем кратковременного выключения обратных управляемых вентилей.
Преобразователь постоянного напряжения, изображенный на фиг.2, позволяет реализовать все режимы преобразователя (фиг.1). Наличие шунтирующих вентилей 7-1, …, 7-n и входных управляемых вентилей 8-1, …, 8-n по числу индуктивных накопительных элементов 2-1, …, 2-n позволяет осуществить независимое по режимам, но согласованное по времени функционирование каждого индуктивного накопительного элемента. В данном преобразователе возможен режим работы, при котором часть индуктивных накопительных элементов находится в режиме накопления энергии, вторая часть накопительных элементов находится в режиме сохранения энергии, а третья часть индуктивных накопительных элементов - в режиме вывода энергии на нагрузку 6. Например, после предварительного накопления энергии в индуктивных накопительных элементах 2-1, …, 2-3 (в случае n=3) в первый период работы индуктивный накопительный элемент 2-1 переводится в режим сохранения энергии. При этом включается обратный управляемый вентиль 4-1, выключается входной управляемый вентиль 8-1, и одновременно выключается рабочий управляемый вентиль 1-1. Одновременно с описанным процессом индуктивный накопительный элемент 2-2 может быть переведен в режим выведения энергий на нагрузку 6. Для этого выключается рабочий управляемый вентиль 1-2. Если среднее напряжение на нагрузке 6 необходимо выше напряжения источника постоянного напряжения 5, то входной управляемый вентиль 8-2 можно не выключать. Разряд индуктивного накопительного элемента 2-2 происходит через нагрузку 6, а также через источник 5 и входной управляемый вентиль 8-2. Либо при выключенном входном управляемом вентиле 8-2 разряд индуктивного накопительного элемента 2-2 происходит через нагрузку 6 и шунтирующий вентиль 7-2. Длительность выведения энергии на нагрузку определяет среднее значение напряжения на нагрузке 6. При включении обратного управляемого вентиля 4-2 прекращается выведение энергии на нагрузку 6 и индуктивный накопительный элемент переводится в режим сохранения энергии. При включенном входном управляемом вентиле 8-2 напряжение на нагрузке 6 становится равным напряжению источника постоянного напряжения 5. Необходимо заметить, что целесообразно одновременно с выключением рабочего управляемого вентиля 1-2 выключать входной вентиль 8-2. Это предотвращает протекание тока разряда индуктивного накопительного элемента 2-2 через источник постоянного напряжения 5. Это дополнительно повышает надежность и безопасность при работе преобразователя. Индуктивный накопительный элемент 2-3 в первые период находится а режиме накопления энергии. При этом включены входной управляемый вентиль 8-3 и рабочий управляемый вентиль 1-3. Во второй период работы, например, индуктивный накопительный элемент 2-3 выключением рабочего управляемого вентиля 1-3 исходного управляемого вентиля 8-3 при одновременном включении обратного управляемого вентиля 4-3 переводится в режим сохранения энергии. Выключением обратного управляемого вентиля 4-1 индуктивный накопительный элемент 2-1 переводится в режим вывода энергии на нагрузку 6. При включении рабочего управляемого вентиля 1-2 и входного управляемого вентиля 8-2 индуктивный накопительный элемент 2-2 переводится в режим накопления энергии. В третий период работы аналогично в режим сохранения энергии переводится индуктивный накопительный элемент 2-2, в режим выведения энергии на нагрузку 6 переводится индуктивный накопительный элемент 2-3, а индуктивный накопительный элемент 2-1 переводится в режим накопления энергии. В дальнейшем такой цикл из трех периодов многократно повторяется. При числе индуктивных накопительных элементов больше трех число периодов в описанном цикле может быть больше трех.
Преобразователь постоянного напряжения, изображенный на фиг.3, позволяет реализовать все режимы преобразователя, изображенного на фиг.2, и работает аналогично. Кроме того, позволяет использовать для дополнительного накопления энергии в индуктивных накопительных элементах избыточную энергию нагрузки 6, которая может возникнуть при наличии в нагрузке накопителей электрической энергии, например конденсатора или аккумулятора, либо генераторов электрической энергии, например электрической машины. Дополнительное накопление энергии в индуктивных накопительных элементах производится следующим образом. Одновременно включаются дополнительный обратный управляемый вентиль 9 и рабочие управляемые вентили 1-1, …, 1-n, при этом выключается входной управляемый вентиль 8. Ток от накопителей нагрузки 6 (на схеме показан конденсатор) протекает через дополнительный обратный вентиль 9, через индуктивные накопительные элементы 2-1, …, 2-n и соответствующие включенные рабочие управляемые вентили 1-1, …, 1-n. Все включенные обратные вентили 4-1, …, 4-n при этом выключаются. После окончания процесса накопления энергии напряжение между выходными выводами снижается и все обратные управляемые вентили 4-1, …, 4-n включаются, переводя индуктивные накопительные элементы в режим сохранения энергии.
Преобразователь постоянного напряжения, изображенный на фиг.4, позволяет реализовать все режимы преобразователя изображенного на фиг.3, и работает аналогично. Кроме того, позволяет использовать для дополнительного накопления энергии по крайней мере в одном (i-ом) индуктивном накопительном элементе 2-i избыточную энергию нагрузки 6, которая может возникнуть при наличии в нагрузке накопителей электрической энергии, например конденсатора или аккумулятора, либо генератора электрической энергии, например электрической машины. Дополнительное накопление энергии в индуктивных накопительных элементах производится следующим образом. Одновременно включаются дополнительный обратный управляемый вентиль 9-i и рабочий управляемый вентиль 1-1, при этом выключается входной управляемый вентиль 8-i. Ток от накопителей нагрузки 6 (на схеме показан конденсатор) протекает через дополнительный обратный вентиль 9-i, через индуктивный накопительный элемент 2-i и соответствующий включенный рабочий управляемый вентиль 1-i. Все включенные обратные вентили 4-i при этом выключаются. После окончания процесса накопления энергии напряжение между выходными выводами снижается до нуля и обратный управляемой вентиль 4-i включается, переводя индуктивный накопительный элемент 2-i в режим сохранения энергии, а рабочий управляемый вентиль 1-i выключается.
Преобразователь постоянного напряжения, изображенный на фиг.5, содержащий разрядную цепочку, состоящую из разрядного управляемого вентиля 10 и резистора 11, позволяет произвести разряд частичный или полный накопителей энергии преобразователя и нагрузки. Перед разрядом источник питания постоянного напряжения 5 отключается входными управляемыми вентилями 8-1, …, 8-n. Включается разрядный управляемый вентиль 11 и выключаются все рабочие управляемые вентили 1-1, …, 1-n, а также те обратные управляемые вентили 4-i и 9-i, которые подключены к разряжаемым индуктивным накопительным элементам. Разрядный ток индуктивных накопительных элементов протекает через основные вентили 3-i, шунтирующие вентили 7-i и сопротивление 11. Одновременно разряжаются на сопротивление 11 накопительные элементы нагрузки 6. После разряда накопителей энергии разрядный управляемый вентиль выключается.
Применение данного изобретения позволяет расширить диапазон регулирования выходного напряжения и использовать преобразователь для стабилизации выходного напряжения, а также в качестве источника непрерывного питания при кратковременном исчезновении входного напряжения благодаря возможности питания нагрузки только от индуктивных накопителей большой энергоемкости. Режим поочередного вывода энергии от нескольких индуктивных накопителей в виде импульсов регулируемой длительности позволяет получить на нагрузке моноимпульсы требуемой формы, что расширяет область применения изобретения.