Перетворювач змінної напруги на постійну

Реферат: UA 76267 U UA 76267 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до галузі електротехніки, а саме до перетворювальної техніки, і може використовуватись при створенні джерел вторинного електроживлення, агрегатів безперебійного електроживлення та інших пристроїв силової електроніки. Відомий перетворювач змінної напруги на постійну [1] працює як коректор коефіцієнта потужності і дозволяє при перетворенні досягти формування практично синусоїдального вхідного струму. В ньому кожний півперіод змінної вхідної напруги перетворюється відповідно в дві послідовно з'єднані різнополярні вихідні напруги постійного струму. Недоліком відомого перетворювача є те, що напруга постійного струму між різнополярними виходами більш, ніж удвічі перевищує максимальне миттєве значення змінної вхідної напруги. В зв'язку з цим з'являються підвищені вимоги до комутаційної апаратури та до електробезпеки, що викликає ускладнення проектування джерел вторинного електроживлення та призводить до підвищення їх вартості. Крім того, чергування етапів передачі енергії кожного півперіоду вхідної напруги до виходу відповідної полярності визначає періодичний характер заряду/розряду кожного вихідного конденсатора з низькою частотою мережі живлення. Це викликає підвищені пульсації вихідної напруги і потребу збільшення ємності вихідних конденсаторів. Найбільш близьким за технічною суттю та конструктивними ознаками до нового технічного рішення, що пропонується, є перетворювач змінної напруги на постійну [2] (фіг. 1). В ньому передбачено формування практично синусоїдального вхідного струму завдяки відслідковуванню системою керування відповідності форми струму формі вхідної напруги. Перетворювач складається з вхідного дроселя 1, датчика струму 2, першої та другої вхідних клем 3 та 4, розрядного діода 5, вихідних клем 6 та 7, вихідного конденсатора 8, ключа змінного струму 9, подільника вхідної напруги 10, системи керування 11, накопичувального конденсатора 12, проміжного дроселя 13, першого діода 14, другого діода 15, навантаження 16. При цьому один з виводів вхідного дроселя з'єднаний через датчик струму з першою вхідною клемою, другий вивід вхідного дроселя з'єднаний з анодом розрядного діода, катод якого з'єднаний з одним з виводів вихідного конденсатора та з першою вихідною клемою, другий вивід вихідного конденсатора з'єднаний з загальним проводом, що з'єднує другу вхідну та другу вихідну клеми, вхідні виводи подільника вхідної напруги з'єднані з вхідними клемами, середня точка подільника вхідної напруги та вихід датчика струму з'єднані з входами системи керування, вихід якої підключено до керуючого входу ключа змінного струму, вихідні виводи ключа змінного струму підключені до анода розрядного діода та до загального проводу, накопичувальний конденсатор з'єднаний з анодом розрядного діода та з катодом першого діода, анод першого діода з'єднаний з загальним проводом, проміжний дросель з'єднаний з катодом першого діода та з анодом другого діода, катод якого з'єднаний з першою вихідною клемою. На позитивному півперіоді вхідної напруги в цьому перетворювачі здійснюється одноступенева передача енергії від входу перетворювача через вхідний дросель 1, розрядний діод 5 до навантаження 16, по принципу підвищуючого напругу конвертора, який є найбільш ефективним. Але на негативному півперіоді виконується вже два ступеня перетворювання: на першому ступені - передача енергії від входу перетворювача через вхідний дросель 1, перший діод 14 до накопичувального конденсатора 12; на другому - від накопичувального конденсатора 12 на проміжний дросель 13 і далі через перший та другий діоди 14, 15 до навантаження 16. Наявність другого ступеня перетворювання в вигляді додаткового кола, до якого входять накопичувальний конденсатор 12, проміжний дросель 13, перший та другий діоди 14, 15, спотворює в ньому додаткові втрати потужності і знижує ККД. Через те вхідний дросель 1 потребує накопичення додаткової енергії для компенсування втрат потужності в другому ступені, що обумовлює збільшення його габариту. Ключ змінного струму 9 у прототипі має подвійні втрати потужності в провідному стані, тому що на практиці він виконується у вигляді двох окремих ключів постійного струму з'єднаних послідовно (фіг. 2). До того ж в прототипі через цей ключ в провідному стані протікає крім струму від вхідного дроселя 1 ще й додатковий струм від проміжного дроселя 13, що також збільшує в ньому втрати потужності. Задача корисної моделі є створення такого перетворювача змінної напруги на постійну, в якому для зниження втрат потужності і збільшення ККД на негативному півперіоді вхідної напруги виконується пряме одноступеневе (без проміжних кіл) інвертуюче перетворювання напруги. Поставлена задача вирішується тим, що в перетворювач змінної напруги на постійну, який складається з вхідних клем, датчика струму, вхідного дроселя, першого ключа, першого розрядного діода, вихідного конденсатора, вихідних клем, подільника вхідної напруги, схеми керування, причому один вивід вхідного дроселя з'єднаний з анодом розрядного діода, катод 1 UA 76267 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 якого з'єднаний з одним з виводів вихідного конденсатора та з першою вихідною клемою, другий вивід вихідного конденсатора з'єднаний з загальним проводом, що з'єднує другу вхідну та другу вихідну клеми, вхідні виводи подільника вхідної напруги з'єднані з вхідними клемами, середня точка подільника вхідної напруги та вихід датчика струму з'єднані з входами схеми керування, вихід якої підключено до керуючого входу першого ключа, перший та другий вихідні виводи першого ключа підключені відповідно до анода розрядного діода та до загального проводу, додатково введені другий розрядний діод та другий ключ, причому катод другого діода з'єднаний з першою вихідною клемою, анод - з другим виводом вхідного дроселя та першим вихідним виводом другого розрядного ключа, другий вихідний вивід якого через датчик струму підключено до першої вхідної клеми, а керуючий вхід - до виходу схеми керування. Досягнення нового технічного результату полягає в тому, що на негативному півперіоді вхідної напруги передача енергії від входу перетворювача до навантаження здійснюється у вигляді одного ступеня інвертуючего перетворювання напруги через коло, до якого входять вхідний дросель та введені другий ключ та другий розрядний діод. Вихідна напруга перетворювача на негативному півперіоді має протилежний до вхідної напруги знак. При цьому, завдяки виключенню із кола другого ступеня перетворювання з його елементами, знижуються втрати потужності і підвищується ККД. На основі вищевказаного можна зробити висновок, що сукупність суттєвих ознак, яка запропонована в формулі корисної моделі, є необхідною та достатньою для досягнення нового технічного результату. Запропонований перетворювач (фіг.3) складається з вхідного дроселя 1, датчика струму 2, першої та другої вхідних клем 3 та 4, першого розрядного діода 5, вихідних клем 6 та 7, вихідного конденсатора 8, першого ключа 9, подільника вхідної напруги 10, схеми керування 11, другого розрядного діода 12, другого ключа 13 та навантаження 14. Один вивід вхідного дроселя 1 з'єднаний з анодом першого розрядного діода 5, катод якого з'єднаний з одним з виводів вихідного конденсатора 8 та з першою вихідною клемою 6. Другий вивід вихідного конденсатора 8 з'єднаний з загальним проводом, що з'єднує другу вхідну 4 та другу вихідну клеми 7. Вхідні виводи подільника вхідної напруги 10 з'єднані з вхідними клемами 3,4, середня точка подільника вхідної напруги 10 та вихід датчика струму 11 з'єднані з входами схеми керування 11, вихід якої підключено до керуючого входу першого ключа 9. Перший та другий вихідні виводи першого ключа 9 підключені відповідно до анода першого розрядного діода 5 та до загального проводу. Катод другого розрядного діода 12 з'єднаний з першою вихідною клемою 6, анод - з другим виводом вхідного дроселя 1 та першим вихідним виводом другого ключа 13, другий вихідний вивід якого через датчик струму 2 підключено до першої вхідної клеми 3, а керуючий вхід - до виходу схеми керування 11. На фігурах зображені: Фіг. 1 - схема пристрою, що використовується як прототип; Фіг. 2 - схема ключа змінного струму у прототипі. На фіг. 3 зображена схема запропонованого пристрою. На фіг. 4-9 зображені діаграми, що пояснюють роботу запропонованого пристрою: Фіг. 4 - вхідна напруга мережі живлення (Uвх); Фіг. 5 - сигнали з подільника вхідної напруги 10 та датчика струму 2; Фіг. 6 - сигнал з виходу схеми керування 11; Фіг. 7 - струм ключів 9,13; Фіг. 8 - струм дроселя 14; Фіг. 9 - струм діодів 5,12. Робота запропонованого перетворювача змінної напруги на постійну (фіг.3) здійснюється таким чином. За наявності змінної напруги в мережі живлення (фіг. 4) на вхідні виводи схеми керування 11 подаються синусоїдальний сигнал з подільника вхідної напруги 10 (фіг.5) та сигнал з датчика струму 2, пропорційний вхідному струму (фіг.5). На виході схеми керування 11 формується широтно-імпульсно-модульований (ШІМ) сигнал (фіг. 6), який виконує одночасне синхронне переключення першого і другого ключів 9,13. Схема керування 11, шляхом зміни коефіцієнта заповнення ШІМ сигналу на своєму виході, прирівнює миттєві значення сигналу з датчика струму 2 до миттєвих значень сигналу з подільника вхідної напруги 10. Результатом такого регулювання є близька відповідність збіжній по фазі форми вхідного струму перетворювача формі синусоїдальної напруги мережі живлення і, як наслідок, високе значення коефіцієнта потужності перетворювача. На позитивному півперіоді вхідної напруги другий ключ 13 шунтовано своїм внутрішнім діодом і тому стає некерованим та постійно провідним. 2 UA 76267 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Коли на виході схеми керування 11 формується сигнал (фіг. 6), що викликає провідний стан першого ключа 9 (фіг. 7), вхідний дросель 1 буде підключено до вхідних клем 3,4 через внутрішній діод другого ключа 13, датчик струму 2 та відкритий перший ключ 9. Позитивний струм у вхідному дроселі 1 буде зростати (фіг. 8), з накопичуванням у ньому електромагнітної енергії. На наступній стадії на виході системи керування 11 формується сигнал (фіг.6), який закриває перший ключ 9 (фіг. 7). В зв'язку з цим, струм дроселя 1 (фіг. 8), приєднаного до мережі живлення провідним станом внутрішнього діода другого ключа 13, почне надходити у вихідний конденсатор 8 та навантаження 14 через перший розрядний діод 5 (фіг. 9). Передача до навантаження 14 енергії мережі живлення та енергії, накопиченої на попередньому стані у вхідному дроселі 1, супроводжується зменшенням струму у останньому (фіг.3д). Далі протягом позитивного півперіоду вхідної напруги цикли повторюються. Таким чином, вхідна напруга (Uвх) перетворюється у більшу, ніж її амплітуда позитивну вихідну напругу (+Uн), а півхвиля вхідного струму повторює форму півхвилі вхідної напруги. На негативному півперіоді вхідної напруги стає некерованим та постійно провідним перший ключ 9, тому що він зашунтований своїм внутрішнім діодом. При формуванні на виході схеми керування 11 сигналу (фіг.3в), який викликає провідний стан другого ключа 13 (фіг. 7), вхідний дросель 1 буде підключений до вхідних клем 3,4, з одного боку, через ключ 13 та датчик струму 2, а з другого боку, через внутрішній діод першого ключа 9. Негативний струм у вхідному дроселі 1 (фіг. 8) буде зростати, в зв'язку з чим у ньому накопичується електромагнітна енергія. На наступній стадії сигнал на виході схеми керування 11 закриває другий ключ 13. При цьому знак напруги на вхідному дроселі 1 інвертується, а його струм, зменшуючись (фіг. 8), віддає накопичену на попередньому стані електромагнітну енергію через другий розрядний діод 12 (фіг. 9) та внутрішній діод першого ключа 9 у з'єднані паралельно вихідний конденсатор 8 та навантаження 14. Проведення комутаційних циклів протягом негативного півперіоду вхідної напруги формує півхвилю вхідного струму подібну формі півхвилі вхідної напруги (Ubx) з її перетворенням у позитивну вихідну напругу (+Uн). Таким чином, у запропонованому перетворювачі змінної напруги на постійну на позитивному півперіоді вхідної напруги передача енергії від мережі живлення до навантаження здійснюється, як і у прототипі, з використанням дроселя 1, першого ключа 9 та першого розрядного діода 5. Передача енергії до навантаження на негативному півперіоді вхідної напруги здійснюється з використанням того ж вхідного дроселя 1, але за допомогою введеного кола, до якого входять другий ключ 13 та другий розрядний діод 12. При цьому негативна за знаком півхвиля вхідної напруги інвертується у позитивну вихідну напругу. Пряме перетворювання енергії на негативному півперіоді без проміжних кіл дає можливість знизити втрати потужності і збільшити ККД. Наявність у запропонованому пристрої тільки одного індуктивного елемента дозволяє знизити масогабаритні показники перетворювача, а зменшення кількості елементів сприяє підвищенню його надійності. Крім того, запропонований перетворювач зберігає такі позитивні якості прототипу, як відносно низький рівень вихідної напруги та гальванічний зв'язок між входом та виходом, що дозволяє об'єднувати однофазні випрямлячі у трифазну систему без додаткових апаратурних витрат. Джерела інформації: 1. А. с. SU 1279031 СССР МПК Н02М7/04. Преобразователь переменного напряжения в постоянное.- Опубл. 23.12.1986, Бюл № 47. 2. Пат. UA 27643 С2 Україна МПК Н02М7/00. Перетворювач змінної напруги на постійну. Опубл. 15.09.2000, Бюл № 4. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Перетворювач змінної напруги на постійну, який складається з вхідних клем, датчика струму, вхідного дроселя, першого ключа, першого розрядного діода, вихідного конденсатора, вихідних клем, подільника вхідної напруги, схеми керування, причому один вивід вхідного дроселя з'єднаний з анодом першого розрядного діода, катод якого з'єднаний з одним з виводів вихідного конденсатора та з першою вихідною клемою, другий вивід вихідного конденсатора з'єднаний з загальним проводом, що з'єднує другу вхідну та другу вихідну клеми, вхідні виводи подільника вхідної напруги з'єднані з вхідними клемами, середня точка подільника вхідної напруги та вихід датчика струму з'єднані з входами схеми керування, вихід якої підключено до керуючого входу першого ключа, перший та другий вихідні виводи першого ключа підключені 3 UA 76267 U 5 відповідно до анода розрядного діода та до загального проводу, який відрізняється тим, що додатково введені другий розрядний діод та другий ключ, причому катод другого розрядного діода з'єднаний з першою вихідною клемою, анод - з другим виводом вхідного дроселя та першим вихідним виводом другого ключа, другий вихідний вивід якого через датчик струму підключено до першої вхідної клеми, а керуючий вхід - до виходу схеми керування. 4 UA 76267 U 5 UA 76267 U Комп’ютерна верстка І. Мироненко 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 6