Перетворювач напруги

Реферат: UA 86720 U UA 86720 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до електротехніки, зокрема до перетворювальної техніки, і може бути використана у перетворювачах напруги електричної енергії, які не потребують гальванічної розв'язки вхідних та вихідних кіл: перетворювачах, формувачах, стабілізаторах, коректорах, нормалізаторах постійної або змінної напруги, джерелах вторинного електроживлення, системах дистанційного та розподіленого електроживлення та електропостачання, тощо. Відомі перетворювачі напруги, що містять у своєму складі високочастотний трансформатор, первинна обмотка якого підключена до джерела первинного електроживлення через двотактний інвертор, що перетворює напругу джерела первинного електроживлення на високочастотні імпульси змінної полярності, а вторинна обмотка трансформатора через випрямляч та вихідний згладжувальний фільтр підключена до навантаження (Б.Ю. Семенов. Силовая электроника от простого к сложному. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - С. 343-356; Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986. - С. 360-368). Найближчим аналогом вибрано перетворювач напруги (Патент України на корисну модель UA 68952), що складається з вхідного згладжувального фільтра, вхід якого підключений до джерела первинного живлення, інвертора, вхід якого підключений до виходу вхідного згладжувального фільтра, а вихід, за допомогою трансформатора, до входу випрямляча, вихідного згладжувального фільтра, вихід якого підключений до навантаження, пристрою керування, причому вихід випрямляча включений послідовно з виходом вхідного згладжувального фільтра та входом вихідного згладжувального фільтра. Загальними суттєвими ознаками відомого та корисної моделі, що заявляється, є наявність вхідного згладжувального фільтра, вхід якого підключений до джерела первинного живлення, вихідного згладжувального фільтра, вихід якого підключений до навантаження, пристрою керування. Відомий перетворювач, вибраний як найближчий аналог, містить один інвертор, трансформатор та випрямляч. При такій побудові перетворювач має значний рівень пульсацій вхідного та вихідного струмів, що призводить до збільшення маси, габаритів та вартості вхідного та вихідного згладжувальних фільтрів при потужності перетворювача більше 1 кВт. В основу корисної моделі поставлена задача створення перетворювача напруги джерела первинного електроживлення в напругу іншого рівня з підвищеними техніко-економічними показниками при потужності перетворення більше 1 кВт: зменшеною масою, габаритами та вартістю шляхом модифікації структурної схеми перетворювача, за рахунок чого зменшується рівень пульсацій вхідного та вихідного струмів перетворювача. Поставлена задача вирішується тим, що перетворювач напруги джерела первинного електроживлення в задану напругу іншого рівня складається з вхідного згладжувального фільтра, вхід якого підключений до джерела первинного живлення, вихідного згладжувального фільтра, вихід якого підключений до навантаження, пристрою керування. Згідно з корисною моделлю, перетворювач містить не менше ніж два однакових інвертори, входи яких підключені до виходу вхідного згладжувального фільтра, а виходи, за допомогою однакових трансформаторів, підключені до входів однакових випрямлячів, виходи яких з'єднані послідовно з виходом вхідного згладжувального фільтра та входом вихідного згладжувального фільтра, причому імпульси на виходах інверторів мають однакову амплітуду та тривалість але зміщені у часі відносно імпульсів на виході першого інвертора на величину 0,5(і - 1)/ТК, де і - порядковий номер інвертора, Т - тривалість періоду перетворення, К - загальна кількість інверторів. Використання кількох однакових інверторів, трансформаторів, випрямлячів, та зміщення у часі імпульсів на виході інверторів призводить до зменшення рівня та збільшення частоти пульсацій струму споживаного від джерела первинного живлення та вихідного струму перетворювача на величину пропорційну кількості інверторів (у К разів). Це дозволяє використовувати вхідні та вихідні згладжувальні фільтри з меншим коефіцієнтом згладжування, та більш високою частотою зрізу, порівняно з прототипом, при тої ж самої потужності та частоті перетворення, що призводить до зменшення маси, габаритів та вартості перетворювача. Суть запропонованої корисної моделі пояснюється кресленнями. На Фіг. 1 зображена структурна схема перетворювача, у якому кількість інверторів, трансформаторів та випрямлячів дорівнює 2. На Фіг. 2 наведені діаграми роботи перетворювача у режимі підвищення рівня постійної напруги при використанні прототипу (1 інвертор, трансформатор, випрямляч) (Фіг. 2, а) та перетворювача, наведеного на Фіг. 1 (Фіг. 2, б) при однакових значеннях вхідної та вихідної напруги, вхідного та вихідного струму, частоті роботи інверторів. На Фіг. 3 наведені діаграми роботи перетворювача у режимі зниження рівня змінної напруги при використанні прототипу (1 інвертор, трансформатор, випрямляч) (Фіг. 3, а) та перетворювача, наведеного на Фіг. 1 (Фіг. 3, б) при однакових значеннях вхідної та вихідної напруги, вхідного та вихідного струму, частоті роботи інверторів. 1 UA 86720 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Вхід згладжувального фільтра 1 (Фіг. 1) підключений безпосередньо до входу перетворювача. Входи інверторів 2.1 та 2.2 підключені до виходу вхідного згладжувального фільтра. Виходи інверторів 2.1 та 2.2 підключені до первинних обмоток трансформаторів 3.1 та 3.2, вторинні обмотки яких підключені до входів випрямлячів 4.1 та 4.2. Виходи випрямлячів 4.1 та 4.2 підключені послідовно з виходом вхідного 1 та входом вихідного 5 згладжувального фільтра. Вихід вихідного згладжувального фільтра 5 підключений до виходу перетворювача. Пристрій керування 10 містить у своєму складі датчики вхідної 6 та вихідної 7 напруги, а також датчик вихідного струму 8. Керування силовими ключами інвертора та випрямляча може відбуватися програмним способом за допомогою мікроконтролера 9. Перетворювач працює таким чином. Електрична енергія джерела первинного електроживлення з вхідною напругою u вх з виходу вхідного згладжувального фільтра 1 надходить до входів інверторів 2.1 та 2.2, які перетворюють її на високочастотні імпульси змінної полярності uінв1, uінв2, амплітуда яких пропорційна модулю амплітуди вхідної напруги, а тривалість пропорційна модулю величини зміни (збільшення або зменшення) вхідної напруги, причому імпульси на виході інвертора uінв2 зміщені у часі відносно імпульсів uінв1 на величину 0,25T, де T - тривалість періоду перетворення. Високочастотні імпульси з виходів інверторів 2.1, 2.2 через трансформатори 3.1, 3.2 надходять до випрямлячів 4.1, 4.2, які перетворюють їх на однополярні uвипр1, uвипр2. Полярність імпульсів uвипр1, uвипр2, згідно з прототипом, залежить від напряму перетворення величини вхідної напруги uвх: при необхідності збільшення напруги полярність імпульсів u випр1, uвипр2 співпадає з полярністю вхідної напруги uвх, при необхідності збільшення - полярність імпульсів uвипр1, uвипр2 протилежна полярності uвх. Вихідний згладжувальний фільтр 5 усуває високочастотні пульсації напруги u вх на виході перетворювача. Необхідні сигнали керування ключами інверторів 2.1, 2.2 та випрямлячів 4.1, 4.2 формуються пристроєм керування 10 на основі інформації з датчиків вхідної 6 та вихідної 7 напруг, а також з датчика вихідного струму 8. Зміщення у часі імпульсів uінв1, uінв2 на виходах інверторів 2.1, 2.2 призводить до зміщення у часі струмів iспож1, iспож2, що протікають у вхідних колах інверторів. Оскільки сумарний споживаний струм iспож є сумою струмів iспож1 та iспож2, а інвертори, трансформатори та випрямлячі однакові, середнє значення та амплітуда пульсацій струмів iспож1, iспож2 також однакові та у 2 рази (відповідно кількості інверторів) менше порівняно зі струмом i спож прототипу (Фіг. 2, 3). Це призводить до зменшення амплітуди та збільшення частоти пульсацій струму i спож перетворювача, зображеного на Фіг. 1, у 2 рази (відповідно кількості інверторів) при однаковому середньому значенні споживаного струму iспож сер. Аналогічні процеси відбуваються у вихідних колах випрямлячів 4.1, 4.2. Зміщення у часі вихідних струмів iвих1, iвих2 випрямлячів 4.1, 4.2 призводить до зменшення амплітуди та збільшення частоти пульсацій вихідного струму перетворювача iвих (що є сумою струмів івих1 та івих2) у 2 рази (відповідно кількості інверторів) порівняно з прототипом при однаковому середньому значенні вихідного струму івих сер прототипу та перетворювача, зображеного на Фіг. 1 (Фіг. 2, 3). Інвертори та випрямлячі можуть бути побудовані за відомими схемами (наприклад, мостова, або схема із виводом середньої точки трансформатора). При перетворенні змінної напруги ключі інвертора та випрямляча повинні бути з двосторонньою провідністю. При перетворенні постійної напруги для зменшення вартості перетворювача можливе використання керованих ключів з односторонньою провідністю. Максимальна кількість інверторів (трансформаторів, випрямлячів) практично обмежена лише техніко-економічною доцільністю збільшення їх кількості. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Перетворювач напруги джерела первинного електроживлення в задану напругу іншого рівня, який складається з вхідного згладжувального фільтра, вхід якого підключений до джерела первинного живлення, вихідного згладжувального фільтра, вихід якого підключений до навантаження, пристрою керування, який відрізняється тим, що має не менше ніж два однакові інвертори, входи яких підключені до виходу вхідного згладжувального фільтра, а виходи, за допомогою однакових трансформаторів, підключені до входів однакових випрямлячів, виходи яких з'єднані послідовно з виходом вхідного згладжувального фільтра та входом вихідного згладжувального фільтра, причому імпульси на виходах інверторів мають однакову амплітуду та тривалість але зміщені у часі відносно імпульсів на виході першого 2 UA 86720 U інвертора на величину 0,5(i - 1)/ТК, де і - порядковий номер інвертора, Т - тривалість періоду перетворення, К - загальна кількість інверторів. 3 UA 86720 U 4 UA 86720 U Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5