RU2112311C1

RU2112311C1 - Ac-to-dc voltage converter

Info

Publication number: RU2112311C1
Application number: RU96122194A
Authority: RU
Inventors: С.В. Пряхин; В.Ю. Стаханов; С.И. Мишутин
Original assignee: Товарищество с ограниченной ответственностью "РИСТ"
Priority date: 1996-11-19
Filing date: 1996-11-19
Publication date: 1998-05-27

Abstract

FIELD: electrical engineering. SUBSTANCE: converter has input leads for connecting ac voltage supply, n-1 power cells, where n > 1, load resistor and capacitor, output voltage setting element, pulse shapers, signal transformers each incorporating 2n separate secondary windings, two diodes. Each of n power cells has two diodes, four thyristors, and two capacitors. With low capacity of power cells, converter can convey high power to load. EFFECT: reduced size and mass of converter, improved efficiency, and reduced voltage ripples. 3 cl

Description

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в качестве импульсных источников питания. The invention relates to the field of electrical engineering and can be used as switching power supplies.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, который содержит входные выводы для подключения источника переменного напряжения, тиристор, три диода, два конденсатора и резистор нагрузки [1]. Known AC to DC converter, which contains input terminals for connecting an AC voltage source, a thyristor, three diodes, two capacitors and a load resistor [1].

Однако известный преобразователь имеет низкий КПД. However, the known converter has a low efficiency.

Известен преобразователь переменного напряжения в постоянное, который содержит первый и второй входные выводы для подключения источника переменного напряжения, силовую ячейку, включающую первый и второй диоды и первый и второй тиристоры, катоды которых объединены и соединены с первыми выводами резистора и конденсатора нагрузки, и задатчик выходного напряжения [2]. Known AC to DC Converter, which contains the first and second input terminals for connecting an AC voltage source, a power cell including the first and second diodes and the first and second thyristors, the cathodes of which are combined and connected to the first terminals of the load resistor and capacitor, and the output regulator voltage [2].

Преобразователь переменного напряжения в постоянное по патенту РФ N 2035828 по общности решаемых задач и принципиальной схеме наиболее близок к предлагаемому изобретению и выбран в качестве прототипа. The AC to DC converter according to the patent of the Russian Federation N 2035828 by the generality of the tasks to be solved and the circuit diagram is the closest to the proposed invention and is selected as a prototype.

Недостатком известного преобразователя является низкий КПД и высокие габаритно-весовые характеристики. A disadvantage of the known Converter is low efficiency and high overall weight characteristics.

Техническим результатом изобретения является повышение КПД, снижение габаритно-весовых характеристик и снижение уровня пульсаций выходного напряжения. The technical result of the invention is to increase efficiency, reduce overall weight and weight characteristics and reduce the level of ripple of the output voltage.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный преобразователь переменного напряжения в постоянное, содержащий входные выводы для подключения источника переменного напряжения, силовую ячейку, включающую первый и второй диоды и первый и второй тиристоры, катоды которых объединены и соединены с первыми выводами резистора и конденсатора нагрузки, и задатчик выходного напряжения, введены n-1 силовые ячейки, где n > 1, первый и второй формирователи импульсов, первый и второй сигнальные трансформаторы с 2n раздельными вторичными обмотками каждый, третий и четвертый диоды, а в каждую из n силовых ячеек введены третий и четвертый тиристоры, первый и второй конденсаторы, причем в каждой силовой ячейке катоды первого и второго диодов соединены соответственно с анодами первого и второго тиристоров и с первыми выводами первого и второго конденсаторов, вторые выводы которых соединены соответственно с катодами третьего и четвертого тиристоров, аноды которых объединены и подключены к шине нулевого потенциала, выводы первой и второй вторичных обмоток второго сигнального трансформатора подключены между катодом и управляющим электродом соответственно первого и третьего тиристоров, выводы первой и второй вторичных обмоток первого сигнального трансформатора подключены между катодом и управляющим электродом соответственно второго и четвертого тиристоров, первый входной вывод для подключения источника переменного напряжения соединен с первым входом первого формирователя импульсов, с вторым входом второго формирователя импульсов и с входом задатчика выходного напряжения, выход которого соединен с катодом четвертого диода, второй входной вывод для подключения источника переменного напряжения соединен с вторым входом первого формирователя импульсов, с первым входом второго формирователя импульсов и с катодом третьего диода, выход задатчика выходного напряжения соединен с анодом первого диода первой силовой ячейки, второй вывод первого конденсатора которой соединен с анодом первого диода второй силовой ячейки, второй вывод первого конденсатора n-1 силовой ячейки соединен с анодом первого диода n-ой силовой ячейки, второй вывод первого конденсатора которой соединен с анодом третьего диода, второй входной вывод для подключения источника переменного напряжения соединен с анодом второго диода первой силовой ячейки, второй вывод второго конденсатора которой соединен с анодом второго диода второй силовой ячейки, второй вывод второго конденсатора n-1 силовой ячейки соединен с анодом второго диода n-ой силовой ячейки, второй вывод второго конденсатора которой соединен с анодом четвертого диода, выходы первого и второго формирователей импульсов подключены к первичным обмоткам соответственно первого и второго сигнальных трансформаторов, вторые выводы резистора и конденсатора нагрузки подключены к шине нулевого потенциала. The essence of the invention lies in the fact that in a known converter of alternating voltage into direct current, containing input terminals for connecting an alternating voltage source, a power cell including first and second diodes and first and second thyristors, the cathodes of which are combined and connected to the first terminals of the load resistor and capacitor and the output voltage adjuster, n-1 power cells are introduced, where n> 1, the first and second pulse shapers, the first and second signal transformers with 2n separate secondary windings each, third and fourth diodes, and the third and fourth thyristors, the first and second capacitors are introduced into each of the n power cells, and in each power cell the cathodes of the first and second diodes are connected respectively to the anodes of the first and second thyristors and to the first terminals of the first and second capacitors, the second terminals of which are connected respectively to the cathodes of the third and fourth thyristors, the anodes of which are combined and connected to the bus of zero potential, the conclusions of the first and second secondary windings of the second signal transfer a rimator is connected between the cathode and the control electrode of the first and third thyristors, respectively, the terminals of the first and second secondary windings of the first signal transformer are connected between the cathode and the control electrode of the second and fourth thyristors, the first input terminal for connecting an AC voltage source is connected to the first input of the first pulse shaper, with the second input of the second pulse shaper and with the input of the output voltage setter, the output of which is connected to the cathode of the fifth diode, the second input terminal for connecting the AC voltage source is connected to the second input of the first pulse generator, to the first input of the second pulse generator and to the cathode of the third diode, the output of the output voltage generator is connected to the anode of the first diode of the first power cell, the second terminal of the first capacitor of which is connected with the anode of the first diode of the second power cell, the second terminal of the first capacitor n-1 of the power cell is connected to the anode of the first diode of the n-th power cell, the second terminal of the first which is connected to the anode of the third diode, the second input terminal for connecting an AC voltage source is connected to the anode of the second diode of the first power cell, the second terminal of the second capacitor of which is connected to the anode of the second diode of the second power cell, the second terminal of the second capacitor n-1 of the power cell is connected to the anode of the second diode of the n-th power cell, the second output of the second capacitor of which is connected to the anode of the fourth diode, the outputs of the first and second pulse shapers are connected to the primary windings of Accordingly, of the first and second signal transformers, the second terminals of the resistor and load capacitor are connected to the zero potential bus.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема преобразователя переменного напряжения в постоянное; на фиг.2 - принципиальная схема задатчика 10 выходного напряжения; на фиг.3 - принципиальная схема формирователей 11 и 12 импульсов. In FIG. 1 is a schematic diagram of an AC to DC converter; figure 2 is a schematic diagram of the setter 10 of the output voltage; figure 3 is a schematic diagram of the shapers 11 and 12 pulses.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное (фиг.1) содержит первый и второй входные выводы 1, 2 для подключения источника переменного напряжения, n силовых ячеек 3, резистор 8 и конденсатор 9 нагрузки, задатчик 10 выходного напряжения, первый и второй формирователи 11, 12 импульсов, первый и второй сигнальные трансформаторы 13, 14 с 2n раздельными вторичными обмотками каждый, третий и четвертый диоды 15, 16. The AC to DC converter (Fig. 1) contains the first and second input terminals 1, 2 for connecting an AC voltage source, n power cells 3, a resistor 8 and a load capacitor 9, an output voltage adjuster 10, the first and second pulse generators 11, 12 , the first and second signal transformers 13, 14 with 2n separate secondary windings each, the third and fourth diodes 15, 16.

Каждая из n силовых ячеек 3 содержит первый и второй диоды 4, 5, первый, второй, третий и четвертый тиристоры 6, 7, 17, 18, первый и второй конденсаторы 19, 20. Each of the n power cells 3 contains the first and second diodes 4, 5, the first, second, third and fourth thyristors 6, 7, 17, 18, the first and second capacitors 19, 20.

В каждой силовой ячейке 3 преобразователя переменного напряжения в постоянное (фиг.1) катоды первого и второго диодов 4 и 5 соединены соответственно с анодами первого и второго тиристоров 6 и 7 и с первыми выводами первого и второго конденсаторов 19 и 20, вторые выводы которых соединены соответственно с катодами третьего и четвертого тиристоров 17 и 18, аноды которых объединены и подключены к шине нулевого потенциала. Выводы первой и второй вторичных обмоток второго сигнального трансформатора 14 подключены между катодом и управляющим электродом соответственно первого и третьего тиристоров 6 и 17. Выводы первой и второй вторичных обмоток первого сигнального трансформатора 13 подключены между катодом и управляющим электродом соответственно второго и четвертого 7 и 18 тиристоров. Катоды первого и второго тиристоров 6 и 7 объединены и соединены с первыми выводами резистора 8 и конденсатора 9 нагрузки. In each power cell 3 of the AC / DC converter (Fig. 1), the cathodes of the first and second diodes 4 and 5 are connected respectively to the anodes of the first and second thyristors 6 and 7 and to the first terminals of the first and second capacitors 19 and 20, the second terminals of which are connected respectively, with the cathodes of the third and fourth thyristors 17 and 18, the anodes of which are combined and connected to the bus of zero potential. The findings of the first and second secondary windings of the second signal transformer 14 are connected between the cathode and the control electrode of the first and third thyristors 6 and 17. The terminals of the first and second secondary windings of the first signal transformer 13 are connected between the cathode and the control electrode of the second and fourth 7 and 18 thyristors. The cathodes of the first and second thyristors 6 and 7 are combined and connected to the first terminals of the resistor 8 and the load capacitor 9.

Первый входной вывод 1 для подключения источника переменного напряжения соединен с первым входом первого формирователя 11 импульсов, с вторым входом второго формирователя 12 импульсов и с входом задатчика 10 выходного напряжения, выход которого соединен с катодом четвертого диода. Второй входной вывод 2 для подключения источника переменного напряжения соединен с вторым входом первого формирователя 11 импульсов, с первым входом второго формирователя 12 импульсов и с катодом третьего диода 15. The first input terminal 1 for connecting an AC voltage source is connected to the first input of the first pulse shaper 11, to the second input of the second pulse shaper 12 and to the input of the output voltage adjuster 10, the output of which is connected to the cathode of the fourth diode. The second input terminal 2 for connecting an AC voltage source is connected to the second input of the first pulse shaper 11, with the first input of the second pulse shaper 12 and to the cathode of the third diode 15.

Выход задатчика 10 выходного напряжения соединен с анодом первого диода 4 первой силовой ячейки 3, второй вывод первого конденсатора 19 которой соединен с анодом первого диода 4 второй силовой ячейки 3. Второй вывод первого конденсатора 19 n-1 силовой ячейки 3 соединен с анодом первого диода 4 n-ой силовой ячейки 3, второй вывод первого конденсатора 19 которой соединен с анодом третьего диода 15. The output of the output voltage adjuster 10 is connected to the anode of the first diode 4 of the first power cell 3, the second output of the first capacitor 19 of which is connected to the anode of the first diode 4 of the second power cell 3. The second output of the first capacitor 19 n-1 of the power cell 3 is connected to the anode of the first diode 4 nth power cell 3, the second terminal of the first capacitor 19 of which is connected to the anode of the third diode 15.

Второй входной вывод 2 для подключения источника переменного напряжения соединен с анодом второго диода 5 первой силовой ячейки 3, второй вывод второго конденсатора 20 которой соединен с анодом второго диода 5 второй силовой ячейки 3. Второй вывод второго конденсатора 20 n-1 силовой ячейки 3 соединен с анодом второго диода 5 n-ой силовой ячейки 3, второй вывод второго конденсатора 20 которой соединен с анодом четвертого диода 16. The second input terminal 2 for connecting an AC voltage source is connected to the anode of the second diode 5 of the first power cell 3, the second terminal of the second capacitor 20 of which is connected to the anode of the second diode 5 of the second power cell 3. The second terminal of the second capacitor 20 n-1 of the power cell 3 is connected to the anode of the second diode 5 of the n-th power cell 3, the second terminal of the second capacitor 20 of which is connected to the anode of the fourth diode 16.

Выходы первого и второго формирователей 11 и 12 импульсов подключены к первичным обмоткам соответственно первого и второго сигнальных трансформаторов 13 и 14, а вторые выводы резистора 8 и конденсатора 9 нагрузки подключены к шине нулевого потенциала. The outputs of the first and second pulse shapers 11 and 12 are connected to the primary windings of the first and second signal transformers 13 and 14, respectively, and the second terminals of the resistor 8 and the load capacitor 9 are connected to the zero potential bus.

Задатчик 10 выходного напряжения (фиг.2) содержит симистор 21, переключатель 22 и m конденсаторов 23. The output voltage adjuster 10 (FIG. 2) comprises a triac 21, a switch 22, and m capacitors 23.

Вход симистора 21 подключен к входному выводу 1 для подключения источника переменного напряжения, а выход симистора 21 является выходом задатчика 10 выходного напряжения. Управляющий электрод симистора 21 подключен к выходу переключателя 22 на m положений, каждый из входов которого соединен с первыми выводами конденсаторов 23, вторые выводы которых подключены к шине нулевого потенциала. The input of the triac 21 is connected to the input terminal 1 for connecting an AC voltage source, and the output of the triac 21 is the output of the output voltage setter 10. The control electrode of the triac 21 is connected to the output of the switch 22 by m positions, each of the inputs of which is connected to the first terminals of the capacitors 23, the second terminals of which are connected to the zero potential bus.

Каждый из формирователей 11, 12 импульсов (фиг.3) содержит диоды 24 и 31, конденсаторы 25, 30, резисторы 26, 29, 32, динистор 27 и транзисторный ключ 28. Each of the pulse shapers 11, 12 (Fig. 3) contains diodes 24 and 31, capacitors 25, 30, resistors 26, 29, 32, a transistor 27 and a transistor switch 28.

Первый вход формирователя импульсов подключен к аноду диода 24, катод которого через резистор 26 соединен с анодом динистора 27 и первым выводом конденсатора 25, а через резистор 29 - с катодом диода 31, первым выводом конденсатора 30 и является первым выходом формирователя импульсов. Катод динистора 27 соединен с первым выводом резистора 22 и базой транзисторного ключа 28, коллектор которого соединен с анодом диода 31 и является вторым выходом формирователя импульсов. Вторые выводы конденсаторов 25 и 30, резистора 32 и эмиттер транзисторного ключа 28 объединены и являются вторым входом формирователя импульсов. The first input of the pulse shaper is connected to the anode of the diode 24, the cathode of which is connected through a resistor 26 to the anode of the dinistor 27 and the first output of the capacitor 25, and through the resistor 29 to the cathode of the diode 31, the first output of the capacitor 30 and is the first output of the pulse shaper. The cathode of the dinistor 27 is connected to the first output of the resistor 22 and the base of the transistor switch 28, the collector of which is connected to the anode of the diode 31 and is the second output of the pulse shaper. The second terminals of the capacitors 25 and 30, the resistor 32 and the emitter of the transistor switch 28 are combined and are the second input of the pulse shaper.

Преобразователь переменного напряжения в постоянное работает следующим образом. The AC to DC Converter operates as follows.

Переменное напряжение поступает на силовые ячейки 3 через задатчик 10 выходного напряжения. Каждая силовая ячейка 3 состоит из двух групп элементов, работа которых определяется полярностью полуволны входного переменного напряжения. Положительная полуволна напряжения с выхода задатчика 10 выходного напряжения через последовательно включенные первые диоды 4 силовых ячеек 3 и третий диод 15 заряжает цепочку накопительных первых конденсаторов 19. В начале очередной отрицательной полуволны второй формирователь 12 импульсов вырабатывает запускающий импульс, который подается через второй сигнальный трансформатор 14 на управляющие электроды первого и третьего тиристоров 6 и 17 силовых ячеек 3. Тиристоры 6 и 17 открываются и подключают выводы первых накопительных конденсаторов 19 к резистору 8 и конденсатору 9 нагрузки, отдавая накопленную энергию. Alternating voltage is supplied to the power cells 3 through the output voltage adjuster 10. Each power cell 3 consists of two groups of elements whose operation is determined by the polarity of the half-wave of the input AC voltage. The positive half-wave of voltage from the output of the output voltage setter 10 through the first diodes 4 of the power cells 3 connected in series and the third diode 15 charges the storage chain of the first capacitors 19. At the beginning of the next negative half-wave, the second pulse shaper 12 generates a triggering pulse, which is supplied through the second signal transformer 14 to control electrodes of the first and third thyristors 6 and 17 of the power cells 3. Thyristors 6 and 17 open and connect the conclusions of the first storage capacitors 19 to the resistor 8 and the load capacitor 9, giving up the stored energy.

Отрицательная полуволна напряжения с выхода задатчика 10 выходного напряжения через последовательно включенные вторые диоды 5 силовых ячеек 3 и четвертый диод 16 заряжает цепочку накопительных вторых конденсаторов 20. В начале очередной положительной полуволны первый формирователь 11 импульсов вырабатывает запускающий импульс, который подается через первый сигнальный трансформатор 13 на управляющие электроды второго и четвертого тиристоров 7 и 18 силовых ячеек 3. Тиристоры 7 и 18 открываются и подключают выводы вторых накопительных конденсаторов 20 к резистору 8 и конденсатору 9 нагрузки, отдавая накопленную энергию. The negative half-wave of voltage from the output of the output voltage setter 10 through the second diodes 5 of the power cells 3 connected in series and the fourth diode 16 charges the chain of storage second capacitors 20. At the beginning of the next positive half-wave, the first pulse shaper 11 generates a trigger pulse, which is supplied through the first signal transformer 13 to control electrodes of the second and fourth thyristors 7 and 18 of the power cells 3. Thyristors 7 and 18 open and connect the terminals of the second storage capacitor tori 20 to the resistor 8 and the load capacitor 9, giving up the stored energy.

Задатчик 10 выходного напряжения (фиг.2) позволяет уменьшать выходное напряжение преобразователя по воле оператора. Номинальное выходное напряжение на нагрузке зависит от величины нагрузки и числа n силовых ячеек 3 и примерно равно Uвх/n. Изменение уровня выходного напряжения в небольших пределах осуществляется подключением к управляющему электроду симистора 21 через переключатель 22 одного из конденсаторов 23 различной емкости. The output voltage adjuster 10 (FIG. 2) allows to reduce the output voltage of the converter according to the will of the operator. The rated output voltage at the load depends on the magnitude of the load and the number n of power cells 3 and is approximately equal to Uin / n. Changing the level of the output voltage to a small extent is carried out by connecting to the control electrode of the triac 21 through the switch 22 of one of the capacitors 23 of different capacities.

Формирователи 11 и 12 импульсов идентичны (фиг.3) и работают следующим образом. При подаче на диод 24 положительной полуволны входного напряжения начинается заряд конденсатора 25 через резистор 26. Когда напряжение на конденсаторе 25 достигает величины порогового напряжения динистора 27, последний откроется и конденсатор 25 разряжаясь откроет транзисторный ключ 28, в коллектор которого подключена первичная обмотка импульсного сигнального трансформатора 13 (14). Резистор 29 и конденсатор 30 образуют фильтр по цепи питания транзисторного ключа 28. Диод 31 и резистор 32 обеспечивают надежную работу транзисторного ключа 28 в режиме запуска. Shapers 11 and 12 pulses are identical (figure 3) and work as follows. When a positive half-wave of the input voltage is applied to the diode 24, the capacitor 25 starts charging through the resistor 26. When the voltage on the capacitor 25 reaches the threshold voltage of the dynistor 27, the latter opens and the discharged capacitor 25 opens the transistor switch 28, into the collector of which the primary winding of the pulse signal transformer 13 is connected (14). Resistor 29 and capacitor 30 form a filter along the power supply circuit of transistor switch 28. Diode 31 and resistor 32 ensure reliable operation of transistor switch 28 in startup mode.

Предлагаемая схема преобразователя позволяет обеспечить пониженное, по сравнению с входным, выходное напряжение не за счет уменьшения времени нахождения тиристоров в открытом состоянии, а благодаря применению цепочки накопительных конденсаторов, которые в фазе заряда от источника входного напряжения включены последовательно, а в фазе разряда - параллельно на общую нагрузку, что позволяет повысить КПД преобразователя и снизить его габариты, вес и уровень пульсации выходного напряжения при мощности, отдаваемой в нагрузку, на уровне десятков киловатт. The proposed converter circuit makes it possible to provide a lower output voltage than the input voltage, not by reducing the time the thyristors are in the open state, but by using a chain of storage capacitors, which are connected in series in the charge phase from the input voltage source and parallel to the discharge phase the total load, which allows to increase the efficiency of the converter and reduce its dimensions, weight and level of ripple of the output voltage at the power given to the load at the level of des tkov kilowatts.

Промышленная применимость изобретения обеспечивается высокими техническими характеристиками преобразователя переменного напряжения в постоянное за счет повышения КПД и снижения его габаритов, веса и уровня пульсаций выходного напряжения, а также за счет обеспечения возможности передать в нагрузку большую мощность при использовании силовых элементов малой мощности. The industrial applicability of the invention is ensured by the high technical characteristics of the AC to DC converter by increasing the efficiency and reducing its dimensions, weight and ripple level of the output voltage, as well as by providing the ability to transfer high power to the load when using low power power elements.

Claims

An AC to DC converter comprising first and second input terminals for connecting an AC voltage source, a power cell including first and second diodes and first and second thyristors, the cathodes of which are combined and connected to the first terminals of the load resistor and capacitor, and an output voltage regulator, characterized in that n - 1 power cells are introduced into it, where n> 1, the first and second pulse shapers, the first and second signal transformers with 2n separate secondary windings each, the third and fourth diodes, and the third and fourth thyristors, the first and second capacitors are introduced into each of the n power cells, and in each power cell the cathodes of the first and second diodes are connected respectively to the anodes of the first and second thyristors and the first terminals of the first and second capacitors, the second the conclusions of which are connected respectively to the cathodes of the third and fourth thyristors, the anodes of which are combined and connected to the bus of zero potential, the conclusions of the first and second secondary windings of the second signal transformer under are connected between the cathode and the control electrode of the first and third thyristors, respectively, the terminals of the first and second secondary windings of the first signal transformer are connected between the cathode and the control electrode of the second and fourth thyristors, respectively, the first input terminal for connecting an AC voltage source is connected to the first input of the first pulse shaper, with the second input of the second pulse shaper and with the input of the output voltage setter, the output of which is connected to the cathode of the fourth diode a, the second input terminal for connecting an AC voltage source is connected to the second input of the first pulse shaper, the first input of the second pulse shaper and the cathode of the third diode, the output voltage output switch is connected to the anode of the first diode of the first power cell, the second terminal of the first capacitor of which is connected to the anode of the first diode of the second power cell, the second terminal of the first capacitor n - 1 of the power cell is connected to the anode of the first diode of the n-th power cell, the second terminal of the first capacitor of which connected to the anode of the third diode, the second input terminal for connecting the AC voltage source is connected to the anode of the second diode of the first power cell, the second terminal of the second capacitor of which is connected to the anode of the second diode of the second power cell, the second terminal of the second capacitor n - 1 of the power cell is connected to the anode of the second the diode of the nth power cell, the second output of the second capacitor of which is connected to the anode of the fourth diode, the outputs of the first and second pulse shapers are connected to the primary windings respectively of the second and second signal transformers, the second terminals of the resistor and load capacitor are connected to the bus of zero potential.