RU2210100C2

RU2210100C2 - Stabilized dc voltage converter

Info

Publication number: RU2210100C2
Application number: RU2001112081A
Authority: RU
Inventors: Н.И. Богатырев; О.В. Григораш; А.В. Дацко; Н.Н. Курзин; В.Н. Темников; А.С. Креймер
Original assignee: Кубанский государственный аграрный университет
Priority date: 2001-05-03
Filing date: 2001-05-03
Publication date: 2003-08-10

Abstract

FIELD: electrical engineering, in particular, sources of secondary power supply, applicable as a DC voltage source. SUBSTANCE: the stabilized DC voltage converter has a resonance inverter consisting of two series-connected transistors, inverter capacitor connected to one another and transformer with two primary windings and a secondary winding, the phase-shifting capacitor on one side is connected to the power source, and on the other side - to the lead of the primary winding, rectifier with diodes, which are connected to the secondary windings, and on the other side - are interconnected, to the reverse-biased diode and output filter, via a choke to the filter capacitor and the stabilization system consisting of interconnected voltage divider, pulse shaper, reference signal generator, pulse distributor, pulse amplifiers, input terminals, output terminals. EFFECT: enhanced reliability of operation of the stabilized DC converter and its efficiency. 2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике, а именно к источникам вторичного электропитания, и может использоваться в качестве источника напряжения постоянного тока. The invention relates to electrical engineering, in particular to sources of secondary power supply, and can be used as a DC voltage source.

Известен источник напряжения постоянного тока (см. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. -296 с., рис.4.20), который содержит мостовой инвертор, трансформатор, мостовую схему выпрямителя и выходной фильтр. Стабилизация напряжения осуществляется изменением величины угла управления тиристорами выпрямителя. A known source of DC voltage (see Rozanov YK Fundamentals of power electronics. - M .: Energoatomizdat, 1992. -296 p., Fig.4.20), which contains a bridge inverter, transformer, bridge rectifier circuit and output filter. Voltage stabilization is carried out by changing the value of the rectifier thyristor control angle.

Недостатками источника являются относительно большая масса и габариты, низкий кпд, низкая надежность работы из-за применения управляемых вентилей в силовой схеме и относительной сложности системы управления. The disadvantages of the source are the relatively large mass and dimensions, low efficiency, low reliability due to the use of controlled valves in the power circuit and the relative complexity of the control system.

Наиболее близким по техническому решению является источник напряжения постоянного тока, содержащий резонансный инвертор, выполненный на тиристорных ключах, стабилизирующий трансформатор с вращающимся магнитным полем, неуправляемую мостовую схему выпрямителя и выходной фильтр (см. Григораш О. В. Стабилизированные преобразователи напряжения повышенной надежности // Электротехника. 1998. 3. с.24-28, рис.1). Регулирование напряжения источника осуществляется стабилизирующим трансформатором с вращающимся магнитным полем. The closest in technical solution is a DC voltage source containing a resonant inverter made on thyristor switches, a stabilizing transformer with a rotating magnetic field, an uncontrolled rectifier bridge circuit and an output filter (see O. Grigorash. Stabilized voltage converters of increased reliability // Electrical Engineering . 1998. 3. p.24-28, Fig. 1). The source voltage is regulated by a stabilizing transformer with a rotating magnetic field.

Недостатком источника является низкая надежность работы. The disadvantage of the source is the low reliability.

Техническим решением поставленной задачи является повышение надежности работы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока и его кпд. The technical solution to this problem is to increase the reliability of the stabilized DC-DC voltage converter and its efficiency.

Поставленная задача достигается тем, что стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока содержит резонансный инвертор, состоящий из последовательно соединенных двух управляющих элементов, стабилизирующий трансформатор с вращающимся магнитным нолем с первичными и вторичной обмотками, мостовой выпрямитель, выходной фильтр, выход которого соединен с датчиком напряжения, систему управления инвертором, причем резонансный инвертор выполнен на двух последовательно включенных транзисторах, коллектор первого транзистора соединен с эмиттером второго и с первым выводом конденсатора инвертора, а эмиттер первого транзистора соединен с первым выводом источника питания, коллектор второго транзистора соединен со вторым выводом источника питания и с первым выводом фазосдвигающего конденсатора, в трансформаторе с вращающимся магнитным полем вторичная обмотка размещена на сердечнике трансформатора и выполнена со средней точкой, причем первым и вторым выводами через первый и второй диоды соединена с катодом обратного диода и входом дросселя фильтра, а выход последнего соединен с первыми выводами конденсатора фильтра и источника напряжения постоянного тока, средняя точка вторичной обмотки соединена с анодом обратного диода, вторыми выводами конденсатора фильтра и источника напряжения постоянного тока, первый и второй выводы источника напряжения постоянного тока соединены со входом системы стабилизации напряжения, содержащей делитель напряжения, формирователь импульсов, генератор опорного сигнала, распределитель импульсов, первый и второй усилители импульсов, причем первый и второй входы делителя напряжения соединены с первым и вторым выводами источника напряжения постоянного тока, а выход соединен с одним из входов формирователя импульсов, второй вход которого соединен с первым выходом генератора опорного сигнала, первый и второй входы распределителя импульсов соединены с выходом формирователя импульсов и вторым выходом генератора опорного сигнала, первый и второй выходы распределителя импульсов соединены с первым и вторым соответственно усилителями импульсов, по два выхода которых соединены с эмиттером и базой первого и второго транзисторов инвертора соответственно. This object is achieved in that the stabilized DC voltage converter contains a resonant inverter, consisting of two control elements connected in series, a stabilizing transformer with a rotating magnetic zero with primary and secondary windings, a bridge rectifier, an output filter, the output of which is connected to a voltage sensor, a control system an inverter, and the resonant inverter is made on two series-connected transistors, the collector of the first transistor It is connected to the emitter of the second and the first output of the inverter capacitor, and the emitter of the first transistor is connected to the first output of the power source, the collector of the second transistor is connected to the second output of the power source and to the first output of the phase-shifting capacitor, in the transformer with a rotating magnetic field the secondary winding is located on the core of the transformer and is made with a midpoint, with the first and second conclusions through the first and second diodes connected to the cathode of the inverse diode and the input of the filter choke, and the output through ice is connected to the first terminals of the filter capacitor and the DC voltage source, the middle point of the secondary winding is connected to the anode of the reverse diode, the second terminals of the filter capacitor and the DC voltage source, the first and second terminals of the DC voltage source are connected to the input of the voltage stabilization system containing a divider voltage, pulse shaper, reference signal generator, pulse distributor, first and second pulse amplifiers, the first and second inputs the voltage divider is connected to the first and second terminals of the DC voltage source, and the output is connected to one of the inputs of the pulse shaper, the second input of which is connected to the first output of the reference signal generator, the first and second inputs of the pulse distributor are connected to the output of the pulse shaper and the second output of the reference generator signal, the first and second outputs of the pulse distributor are connected to the first and second pulse amplifiers, respectively, two outputs of which are connected to the emitter and the base second and second inverter transistors, respectively.

Новизна заявленного технического решения обусловлена тем, что в составе преобразователя использованы резонансный инвертор на транзисторных ключах, трансформатор с вращающимся магнитным полем, вторичная обмотка которого размещена на его сердечнике, двухполупериодная схема неуправляемого выпрямителя со средней точкой, обратный диод, включенный между выпрямителем и выходным фильтром, а также тем, что предложенная система стабилизации напряжения выгодно отличает предлагаемый стабилизированный источник напряжения постоянного тока от известного, так как повышается надежность его работы и кпд. The novelty of the claimed technical solution is due to the fact that the converter used a resonant inverter on transistor switches, a transformer with a rotating magnetic field, the secondary winding of which is located on its core, a half-wave circuit of an uncontrolled rectifier with a midpoint, a reverse diode connected between the rectifier and the output filter, as well as the fact that the proposed voltage stabilization system favorably distinguishes the proposed stabilized DC voltage source from known, as it increases the reliability of its work and efficiency.

По данным научно-технической и патентной литературы авторам не известна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение поставленной задачи, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения уровню изобретения. According to the scientific, technical and patent literature, the authors are not aware of the claimed combination of features aimed at achieving the task, and this solution does not follow clearly from the prior art, which allows us to conclude that the solution corresponds to the level of the invention.

Сущность решения поясняется чертежом, где на фиг.1 представлена функциональная схема стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока; на фиг. 2 - диаграммы напряжений, поясняющие работу системы стабилизации напряжения. The essence of the solution is illustrated by the drawing, where figure 1 shows a functional diagram of a stabilized DC voltage Converter; in FIG. 2 is a voltage diagram explaining the operation of a voltage stabilization system.

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока содержит резонансный инвертор 1, состоящий из двух последовательно включенных транзисторов 2 и 3, конденсатора инвертора 4, соединенных между собою и трансформатором 5 с двумя первичными обмотками 6, 7 и вторичной обмоткой 8, 9, фазосдвигающий конденсатор 10 с одной стороны соединен с источником питания, а с другой стороны - с выводом первичной обмотки 7, выпрямитель 11 с диодами 12 и 13, которые соединены со вторичными обмотками 8, 9, а с другой стороны между собой, обратным диодом 14 и выходным фильтром 15, через дроссель 16 с конденсатором фильтра 17 и систему стабилизации 18, состоящую из соединенных между собой делителя напряжения 19, формирователя импульсов 20, генератора опорного сигнала 21, распределителя импульсов 22, усилителей импульсов 23 и 24, входные зажимы 25 и 26, выходные зажимы 27 и 28. The stabilized DC-DC voltage converter contains a resonant inverter 1, consisting of two transistors 2 and 3 connected in series, an inverter 4 capacitor connected to each other and a transformer 5 with two primary windings 6, 7 and a secondary winding 8, 9, a phase-shifting capacitor 10 on one side connected to the power source, and on the other hand, to the output of the primary winding 7, a rectifier 11 with diodes 12 and 13, which are connected to the secondary windings 8, 9, and on the other hand, to the reverse diode 14 and the output filter 15, through the inductor 16 with the filter capacitor 17 and the stabilization system 18, consisting of interconnected voltage divider 19, pulse shaper 20, reference signal generator 21, pulse distributor 22, pulse amplifiers 23 and 24, input terminals 25 and 26, output terminals 27 and 28.

Стабилизированный преобразователь напряжения постоянного тока работает следующим образом. A stabilized DC voltage Converter operates as follows.

Входное напряжение U_вх постоянного тока поступает на выводы 25, 26, являющиеся входом резонансного инвертора 1 (фиг.1). Резонансный контур в инверторе образуется конденсатором инвертора 4 и дросселем 16 выходного фильтра 15.The input voltage U _in DC is supplied to the terminals 25, 26, which are the input of the resonant inverter 1 (figure 1). The resonant circuit in the inverter is formed by the capacitor of the inverter 4 and the choke 16 of the output filter 15.

Допустим, в исходном состоянии конденсатор 4 инвертора 1 разряжен. Для формирования положительной полуволны выходного напряжения инвертора U_аб(фиг. 2,б) система стабилизации напряжения 18 подает управляющий импульс на транзистор 2, он открывается, и конденсатор инвертора 4 начинает заряжаться от источника входного напряжения U_вх таким образом, что его выводы будут иметь потенциалы, указанные знаками на фиг1. Ток заряда конденсатора инвертора 4 будет протекать через первичные обмотки 6, 7 трансформатора 5 и фазосдвигающий конденсатор 10. Для формирования отрицательной полуволны выходного напряжения инвертора система стабилизации 18 закрывает транзистор 2 и открывает транзистор 3. В этом случае конденсатор инвертора 4 будет являться источником питания для нагрузки, и его ток разряда будет протекать по первичным обмоткам трансформатора 5 и фазосдвигающего конденсатора 10 в обратном направлении.Suppose, in the initial state, the capacitor 4 of the inverter 1 is discharged. To form the positive half-wave of the inverter U _ab output voltage (Fig. 2b), the system stabilizing the voltage 18 supplies a control pulse to the transistor 2, it opens and the inverter 4, the capacitor begins to charge from the source of input voltage U _Rin so that the findings will be potentials indicated by the signs in FIG. The charge current of the inverter 4 capacitor will flow through the primary windings 6, 7 of the transformer 5 and the phase-shifting capacitor 10. To form a negative half-wave of the inverter output voltage, the stabilization system 18 closes the transistor 2 and opens the transistor 3. In this case, the inverter 4 capacitor will be the power source for the load , and its discharge current will flow through the primary windings of the transformer 5 and the phase-shifting capacitor 10 in the opposite direction.

Таким образом, по первичным обмоткам 6, 7 трансформатора 5 протекает переменный ток, вызывающий действие вращающегося магнитного и соответственно ЭДС во вторичных обмотках 8, 9, которые размещены на сердечнике трансформатора. Выпрямитель 11 преобразует напряжение переменного тока в напряжение постоянного тока, а выходной фильтр 15 сглаживает пульсации, обеспечивая требуемое качество выходного напряжения U_вых на выводах 27, 28.Thus, alternating current flows through the primary windings 6, 7 of the transformer 5, causing the action of a rotating magnetic and, accordingly, EMF in the secondary windings 8, 9, which are located on the core of the transformer. The rectifier 11 converts the AC voltage into a DC voltage, and the output filter 15 smoothes the ripple, providing the required quality of the output voltage U _o at the terminals 27, 28.

Система стабилизации напряжения работает следующим образом. The voltage stabilization system operates as follows.

С выхода (27, 28) сигнал, пропорциональный величине выходного напряжения U_вых, являющийся ведущим для системы стабилизации 18, через делитель напряжения 19 поступает на один из входов формирователя импульсов 20 (фиг.2,a U_дн). На второй вход формирователя импульсов 20 поступает сигнал U_гос от генератора опорного сигнала 21 (фиг.2,a). Когда сигнал U_гос > U_дн, формирователь импульсов 20 формирует импульсы управления, которые через распределитель импульсов 22 и усилители импульсов 23, 24 поступают на управляющие электроды транзистора 2 или транзистора 3.From the output (27, 28), a signal proportional to the value of the output voltage U _o , which is the leading one for the stabilization system 18, is supplied through a voltage divider 19 to one of the inputs of the pulse shaper 20 (Fig. 2, a U _days ). The second input of the pulse shaper 20 receives a signal U _gos from the generator of the reference signal 21 (Fig. 2, a). When the signal U _state > U _days , the pulse shaper 20 generates control pulses, which through the pulse distributor 22 and pulse amplifiers 23, 24 are supplied to the control electrodes of transistor 2 or transistor 3.

Работа распределителя импульсов 22 синхронизирована с опорным напряжением генератора 21 для обеспечения формирования положительной и отрицательной полуволн выходного напряжения U_аб резонансного инвертора 1. Угол управления транзисторами α₁ (фиг.2, б) соответствует номинальному режиму работы стабилизированного преобразователя напряжения постоянного тока. Если, к примеру, выходное напряжение конвертора U_вых уменьшится, то уменьшится напряжение на выходе делителя напряжения 19 и уменьшится угол управления транзисторами до величины α₂, а значит увеличится выходное напряжение резонансного инвертора U_аб (фиг.2, в, г) и соответственно увеличится выходное напряжение на зажимах 28, 28 U_вых.
Выходной фильтр 15, кроме функций создания колебательного контура и обеспечения требуемого качества выходного напряжения, выполняет функции накопителя электрической энергии и в моменты времени, когда существует пауза между работой транзисторов 2, 3, фильтр накопленную электроэнергию отдает в нагрузку. Контур для протекания тока от фильтра в нагрузку, когда закрыты транзисторы, создается обратным диодом 14.The operation of the pulse distributor 22 is synchronized with the reference voltage of the generator 21 to ensure the formation of positive and negative half-waves of the output voltage U _{ab of the} resonant inverter 1. The angle of control of the transistors α ₁ (Fig.2, b) corresponds to the nominal mode of operation of the stabilized DC voltage converter. If, for example, the output voltage of the converter U _o decreases, the voltage at the output of the voltage divider 19 decreases and the angle of control of the transistors decreases to α ₂ , which means that the output voltage of the resonant inverter U _ab increases (Fig. 2, c, d) and, accordingly, the output voltage at the terminals 28, 28 U _output will increase _.
The output filter 15, in addition to the functions of creating an oscillatory circuit and ensuring the required quality of the output voltage, performs the functions of an electric energy storage device and at times when there is a pause between the operation of transistors 2, 3, the filter gives the accumulated electric energy to the load. The circuit for the flow of current from the filter to the load, when the transistors are closed, is created by the reverse diode 14.

Claims

A stabilized DC-DC voltage converter containing a resonant inverter consisting of two control elements connected in series, a transformer with a rotating magnetic field with primary and secondary windings, a bridge rectifier, an output filter and a voltage stabilization system, characterized in that transistors are used as control elements, the collector of the first transistor is connected to the emitter of the second and the first output of the inverter capacitor, and the emitter of the first transistor is is dined with the first output of the power source, the collector of the second transistor is connected to the second output of the power source and to the first output of the phase-shifting capacitor, the second output of which is connected to the output of the primary winding, in the transformer with a rotating magnetic field, the secondary winding is located on the core of the transformer and is made with a midpoint, moreover, the secondary winding by the first and second terminals through the first and second diodes is respectively connected to the cathode of the reverse diode and the input of the filter choke, and the output of the last is single with the first terminals of the filter capacitor and the DC voltage source, the middle point of the secondary winding is connected to the anode of the reverse diode, the second terminals of the filter capacitor and the DC voltage source, the first and second terminals of the DC voltage source are connected to the input of the voltage stabilization system containing a voltage divider , a pulse shaper, a reference signal generator, a pulse distributor, first and second pulse amplifiers, the first and second inputs of the divider voltages are connected to the first and second terminals of the DC voltage source, and the output is connected to one of the inputs of the pulse generator, the second input of which is connected to the first output of the reference signal generator, the first and second inputs of the pulse distributor are connected to the output of the pulse generator and the second output of the reference signal generator , the first and second outputs of the pulse distributor are connected to the first and second pulse amplifiers, respectively, two outputs of which are connected to the emitter and the base of the first and second of the inverter transistors, respectively, the charge current of the inverter capacitor from the input voltage source flows when the first transistor is open through the primary windings and the phase-shifting capacitor, the inverter capacitor discharge current flows when the second transistor is open in the opposite direction through the primary windings and the phase-shifting capacitor.