RU2314627C1

RU2314627C1 - Two-cycle voltage transformer

Info

Publication number: RU2314627C1
Application number: RU2006124802/09A
Authority: RU
Inventors: Сергей Николаевич Бродников (RU); Сергей Николаевич Бродников; шев Анатолий Анатольевич Кудр (RU); Анатолий Анатольевич Кудряшев; Владимир Викторович Михеев (RU); Владимир Викторович Михеев; Геннадий Сергеевич Мыцык (RU); Геннадий Сергеевич Мыцык
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-10

Abstract

FIELD: power transformation equipment engineering, possible use during construction of converters and inverters.

SUBSTANCE: transformer contains transforming unit with two primary windings, connected serially. Point of connection of first end of these windings is connected to positive contact of power supply. Second ends of windings through controllable key elements, bridged by reverse current diodes, are connected to negative contact of power supply. In parallel to each primary winding of transforming unit, protective circuits are connected consisting of serially connected capacitor and diode in such a way, that cathodes of diodes are connected to positive contact of power supply. Transformer has two discharge circuits, composed of serially interconnected discharge winding of transformer and discharge diode. Anodes of discharge diodes are connected to negative contact of power supply, their cathodes are connected to one differently named ends of discharge windings. Other differently named ends of these windings are connected to common points of accumulating capacitor and protective diode of corresponding protective circuits. Secondary windings of transformer are connected to corresponding loads of alternating and constant currents.

EFFECT: simplification and increased efficiency.

1 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, в частности к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано при построении как конверторов, так и инверторов.The invention relates to the field of electrical engineering, in particular to power converting equipment, and can be used in the construction of both converters and inverters.

Известен двухтактный преобразователь напряжения, описанный в книге Электронная техника в автоматике // Сб. статей под ред. Ю.И.Конева. Выпуск 16. - М.: Советское радио, стр.101, рис.1. Он содержит четыре ключевых элемента, выполненных на транзисторах, соединенных по мостовой схеме и зашунтированных диодами обратного тока, и согласующий трансформатор. Для снятия перенапряжений на ключевых элементах здесь используются 4 защитные цепочки из последовательно соединенных конденсатора и диода, зашунтированного резистором. Каждая из этих защитных цепочек подключается параллельно одному из ключевых элементов.Known push-pull voltage Converter, described in the book Electronic technology in automation // Sat. articles edited by Yu.I. Koneva. Issue 16. - M .: Soviet Radio, p. 101, Fig. 1. It contains four key elements made on transistors, connected by a bridge circuit and shunted by reverse current diodes, and a matching transformer. To remove overvoltages on key elements, 4 protective chains from a series-connected capacitor and a diode shunted by a resistor are used here. Each of these protective chains is connected in parallel with one of the key elements.

Недостатком этого решения являются повышенные потери мощности из-за того, что, во-первых, в каждый момент времени последовательно включены два ключевых элемента, а во-вторых, энергия, накапливаемая в процессе работы в конденсаторах защитных цепочек, рассеивается в резисторах этих цепочек.The disadvantage of this solution is the increased power loss due to the fact that, firstly, at each moment in time, two key elements are connected in series, and secondly, the energy accumulated during operation in the capacitors of protective chains is dissipated in the resistors of these chains.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту изобретения является двухтактный преобразователь по нулевой схеме, описанный в журнале «Практическая силовая электроника», 2005, №17, стр.6. Он содержит трансформатор, у которого две первичные обмотки одними разноименными концами объединены и подключены к первому выводу источника постоянного напряжения. Другие разноименные концы этих обмоток через управляемые ключевые элементы подключены ко второму выводу этого источника. Для снятия перенапряжений на ключевых элементах в этом преобразователе используется схема, содержащая два диода и два накопительных конденсатора. Конденсаторы соединены последовательно и включены между выводами источника питания, диоды соединены встречно последовательно и включены между разноименными концами первичных обмоток трансформатора, а точки соединения конденсаторов и диодов объединены. Для разряда накопительных конденсаторов используется рекуператор - устройство, возвращающее накопленную в конденсаторах энергию в источник питания.The closest in technical essence to the claimed object of the invention is a push-pull converter according to the zero circuit described in the journal "Practical Power Electronics", 2005, No. 17, p.6. It contains a transformer, in which two primary windings with the same opposite ends are combined and connected to the first output of the DC voltage source. Other opposite ends of these windings are connected to the second output of this source through controlled key elements. To remove overvoltages on key elements in this converter, a circuit containing two diodes and two storage capacitors is used. Capacitors are connected in series and connected between the terminals of the power source, the diodes are connected in series and connected between the opposite ends of the primary windings of the transformer, and the connection points of the capacitors and diodes are combined. For the discharge of storage capacitors, a recuperator is used - a device that returns the energy stored in capacitors to a power source.

Недостатком этого преобразователя является относительная сложность из-за наличия рекуператора, а также недостаточно высокий КПД из-за потерь мощности в этом рекуператоре.The disadvantage of this converter is the relative complexity due to the presence of a recuperator, as well as insufficiently high efficiency due to power losses in this recuperator.

Целью настоящего изобретения является устранение этого недостатка, то есть упрощение и повышение КПД.The aim of the present invention is to eliminate this drawback, that is, simplification and increase of efficiency.

Поставленная цель достигается тем, что в известный двухтактный преобразователь напряжения, содержащий трансформатор, у которого две первичные обмотки первыми своими разноименными концами объединены и подключены к первому выводу источника питания, вторыми разноименными концами через управляемые ключевые элементы подключены ко второму выводу этого источника, а вторичные обмотки связаны с нагрузками переменного и постоянного тока, а также два защитных диода и два накопительных конденсатора, дополнительно введены две разрядные цепочки из последовательно включенных разрядного диода и разрядной обмотки, причем разноименные концы разрядных обмоток соединены с одноименными электродами разрядных диодов. Разрядные обмотки имеют равное число витков с первичными обмотками. Защитные диоды и накопительные конденсаторы соединены попарно в две защитные цепочки, каждая из которых подключена параллельно одной из первичных обмоток, причем одноименные электроды защитных диодов объединены и подключены к первому выводу источника питания. Концы каждой из разрядных цепочек подключены между вторым выводом источника питания и точкой соединения конденсатора и защитного диода одной из защитных цепочек.This goal is achieved by the fact that in a well-known push-pull voltage converter containing a transformer, in which two primary windings are connected by their first opposite ends and connected to the first output of the power source, the second opposite ends through connected key elements are connected to the second output of this source, and the secondary windings connected with AC and DC loads, as well as two protective diodes and two storage capacitors, two discharge chains are additionally introduced from a series-connected discharge diode and a discharge winding, the opposite ends of the discharge windings being connected to the same electrodes of the discharge diodes. Discharge windings have an equal number of turns with primary windings. Protective diodes and storage capacitors are connected in pairs in two protective chains, each of which is connected in parallel to one of the primary windings, and the same electrodes of protective diodes are combined and connected to the first output of the power source. The ends of each of the discharge chains are connected between the second terminal of the power source and the connection point of the capacitor and the protective diode of one of the protective chains.

Существо технического решения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная электрическая схема силой части преобразователя, где обозначено:The essence of the technical solution is illustrated by the drawing, which shows a circuit diagram of the power of the transducer, where it is indicated:

1 - трансформатор,1 - transformer

2, 3 - первичные обмотки трансформатора,2, 3 - the primary winding of the transformer,

4 - положительный вывод источника питания,4 - positive output power source,

5, 6 - управляемые ключевые элементы,5, 6 - managed key elements,

7, 8 - диоды обратного тока,7, 8 - reverse current diodes,

9 - отрицательный вывод источника питания,9 - negative output of the power source,

10, 12 - защитные конденсаторы,10, 12 - protective capacitors,

11, 13 - защитные диоды,11, 13 - protective diodes,

14, 15 -разрядные обмотки трансформатора,14, 15-bit transformer windings,

16, 17 - разрядные диоды,16, 17 - bit diodes,

18, 20 - вторичные обмотки трансформатора,18, 20 - secondary windings of the transformer,

19 - нагрузка переменного тока,19 - load AC

21 - нагрузка постоянного тока,21 - load DC

22 - выпрямитель,22 - rectifier,

23 - сглаживающий дроссель,23 - smoothing throttle,

24 - сглаживающий конденсатор.24 - smoothing capacitor.

Преобразователь содержит трансформатор 1 с двумя первичными обмотками 2, 3, соединенными согласно последовательно. Точка соединения первых разноименных концов подключена к положительному выводу 4 источника питания. Вторые концы обмоток 2, 3 через управляемые ключевые элементы 5, 6, выполненные, например, в виде транзисторов, зашунтированных диодами обратного тока 7, 8, соответственно, связаны с отрицательным выводом 9 источника питания. Параллельно первичной обмотке 2 подключена первая защитная цепочка из последовательно соединенных накопительного конденсатора 10 и защитного диода 11, а параллельно первичной обмотке 3 подключена вторая аналогичная защитная цепочка из накопительного конденсатора 12 и защитного диода 13, причем, катоды диодов 11 и 13 объединены и подключены к положительному выводу 4. К точке соединения конденсатора 10 и анода диода 11 подключен один конец разрядной обмотки 14, другой конец которой соединен с катодом разрядного диода 16. Один конец разрядной обмотки 15 подключен к точке соединения конденсатора 12 с анодом диода 13, а второй ее конец соединен с катодом разрядного диода 17. Обмотка 14 и диод 16 образуют первую разрядную цепочку, а разрядные обмотка 15 и диод 17 образуют вторую разрядную цепочку. Разрядную обмотку 14 включают встречно с первичной обмоткой 2 (при обходе по контуру, включающему в себя конденсатор 10), а разрядную обмотку 15 - встречно с обмоткой 1 (при обходе по контуру, включающему в себя конденсатор 12).The converter comprises a transformer 1 with two primary windings 2, 3, connected in series according to. The connection point of the first opposite ends is connected to the positive terminal 4 of the power source. The second ends of the windings 2, 3 through controlled key elements 5, 6, made, for example, in the form of transistors, shunted by reverse current diodes 7, 8, respectively, are connected with the negative terminal 9 of the power source. In parallel to the primary winding 2, the first protective circuit from the series-connected storage capacitor 10 and the protective diode 11 is connected, and parallel to the primary winding 3 is connected a second similar protective circuit from the storage capacitor 12 and the protective diode 13, and the cathodes of the diodes 11 and 13 are connected and connected to the positive conclusion 4. To the connection point of the capacitor 10 and the anode of the diode 11 is connected one end of the discharge winding 14, the other end of which is connected to the cathode of the discharge diode 16. One end of the discharge winding 15 is connected to a point of a capacitor 12, a compound with the anode of diode 13 and a second end connected to the cathode of the discharge diode 17. The coil 14 and diode 16 form a first bit string and bit winding 15 and diode 17 form a second bit string. The discharge winding 14 is turned on counter to the primary winding 2 (when going around the circuit including the capacitor 10), and the discharge winding 15 is turned on with the winding 1 (when going around the circuit including the capacitor 12).

При работе преобразователя в режиме инвертора используется вторичная обмотка 18, нагруженная на нагрузку переменного тока 19, а в режиме конвертора используется вторичная обмотка 20, нагруженная на нагрузку постоянного тока 21 через выпрямитель 22 с выходным сглаживающим фильтром на дросселе 23 и конденсаторе 24. В общем случае двухтактный преобразователь может одновременно работать на эти два типа нагрузок.When the converter is operating in the inverter mode, the secondary winding 18 is loaded on the AC load 19, and in the converter mode the secondary winding 20 is loaded on the DC 21 load through the rectifier 22 with the output smoothing filter on the inductor 23 and the capacitor 24. In the general case A push-pull converter can simultaneously operate on these two types of loads.

Рассмотрим работу преобразователя: пусть, например, в открытом состоянии находится ключевой элемент 5, и через него и первичную обмотку 2 протекает ток, равный сумме тока намагничивания трансформатора и приведенного тока нагрузки. По истечении заданного интервала времени, определяемого частотой переключения ключевых элементов 5, 6, на ключевой элемент 5 подают запирающий импульс, и он переходит в закрытое состояние. К моменту запирания ключевого элемента 5 в индуктивности рассеяния первичной обмотки 2 запасается энергия, величина которой пропорциональна значению этой индуктивности и квадрату тока через нее.Consider the operation of the converter: for example, let the key element 5 be in the open state, and a current equal to the sum of the magnetizing current of the transformer and the reduced load current flows through it and the primary winding 2. After a predetermined time interval determined by the switching frequency of the key elements 5, 6, a locking pulse is supplied to the key element 5, and it goes into a closed state. By the time of locking the key element 5 in the scattering inductance of the primary winding 2, energy is stored, the value of which is proportional to the value of this inductance and the square of the current through it.

При отсутствии защитных мер эта энергия выделилась бы на ключевом элементе 5 в виде большого импульса перенапряжения, приводящего к его пробою и выходу из строя. Устранение этого аварийного режима обеспечивает защитная цепочка из конденсатора 10 и диода 11. Благодаря ей накопленная в индуктивности рассеяния энергия передается в конденсатор 10 по цепи: 2-10-11-2. К этому моменту времени конденсатор 10 заряжен до напряжения источника питания за вычетом из него падения напряжения на ключевом элементе 5. В результате перекачки энергии индуктивности рассеяния обмотки 2 в конденсатор 10 напряжение на нем возрастает на величину, пропорциональную величине этой энергии и обратно пропорциональную значению емкости конденсатора.In the absence of protective measures, this energy would be released on the key element 5 in the form of a large overvoltage pulse, leading to its breakdown and failure. The elimination of this emergency mode provides a protective circuit from the capacitor 10 and the diode 11. Thanks to it, the energy stored in the dissipation inductance is transferred to the capacitor 10 through the circuit: 2-10-11-2. At this point in time, the capacitor 10 is charged to the voltage of the power source minus the voltage drop on the key element 5. As a result of pumping the energy of the dissipation inductance of the winding 2 into the capacitor 10, the voltage on it increases by a value proportional to the value of this energy and inversely proportional to the value of the capacitor capacitance .

Если бы не было цепочки из разрядной обмотки 14 трансформатора 1 и разрядного диода 16, то непрерывная подкачка конденсатора 10 дополнительной энергией при каждой коммутации ключевого элемента 5 приводила бы к росту напряжения на нем до аварийных значений. Наличие цепочки 14, 16 предотвращает это нежелательное накопление энергии. Через нее избыточная энергия возвращается в источник питания.If there were no chain from the discharge winding 14 of the transformer 1 and the discharge diode 16, then the continuous pumping of the capacitor 10 with additional energy at each switching of the key element 5 would lead to an increase in the voltage across it to emergency values. The presence of the chain 14, 16 prevents this unwanted accumulation of energy. Through it, excess energy is returned to the power source.

Аналогичные процессы происходят и в другой симметрично расположенной части преобразователя, включающей в себя ключевой элемент 6, защитную цепочку 11, 13 и разрядную цепочку 15, 17.Similar processes occur in another symmetrically located part of the transducer, including the key element 6, the protective chain 11, 13 and the discharge chain 15, 17.

Напряжение на защитных конденсаторах 10, 12 колеблется между двумя незначительно отличающимися между собой уровнями. Первоначально до меньшего уровня напряжения конденсаторы 10 и 12 заряжаются через защитные диоды 11 и 13, соответственно, следующим образом: конденсатор 10 заряжается от напряжения на обмотке 2 с полярностью, показанной в скобках, когда открыт ключевой элемент 6, а конденсатор 12 - от напряжения на обмотке 3 при полярности на ней, показанной без скобок, когда открыт ключевой элемент 5. Больший уровень напряжения на конденсаторах формируется после размыкания соответствующего ключевого элемента, когда накопленная в индуктивности рассеяния первичных обмоток энергия передается соответствующему конденсатору. Процесс передачи конденсатору энергии сопровождается появлением на ключевом элементе короткого импульса с максимальным значением, практически равным удвоенному значению напряжения источника питания.The voltage at the protective capacitors 10, 12 fluctuates between two levels that differ slightly from each other. Initially, to a lower voltage level, the capacitors 10 and 12 are charged through the protective diodes 11 and 13, respectively, as follows: the capacitor 10 is charged from the voltage on the winding 2 with the polarity shown in brackets when the key element 6 is open, and the capacitor 12 from voltage to winding 3 with the polarity on it, shown without brackets, when the key element 5 is open. A higher voltage level on the capacitors is formed after opening the corresponding key element, when the accumulated in the leakage inductance is primary x windings energy is transferred to the corresponding capacitor. The process of transferring energy to the capacitor is accompanied by the appearance of a short pulse on the key element with a maximum value almost equal to twice the value of the voltage of the power source.

Снижение напряжения на конденсаторах до меньшего уровня происходит с момента отпирания ключевого элемента, к которому этот конденсатор подключен. Например, при отпирании ключевого элемента 5 происходит частичный разряд конденсатора 10 через элементы 10-5-16-14-10. Уровень разряда ограничивается встречной ЭДС обмотки 2, имеющей полярность, показанную без скобок на чертеже.A decrease in the voltage across the capacitors to a lower level occurs from the moment of unlocking the key element to which this capacitor is connected. For example, when unlocking the key element 5, a partial discharge of the capacitor 10 occurs through the elements 10-5-16-14-10. The discharge level is limited by the counter emf of the winding 2 having the polarity shown without brackets in the drawing.

Дополнительные потери в данном решении определяются практически только потерями в защитных 11, 13 и разрядных 16, 17 диодах, которые незначительны, так как действующее значение тока через них на порядок меньше токов через ключевые элементы.Additional losses in this solution are determined almost exclusively by losses in the protective 11, 13 and discharge 16, 17 diodes, which are insignificant, since the effective value of the current through them is an order of magnitude less than the currents through the key elements.

Таким образом, предложенное решение простыми средствами, гарантированно и с высоким КПД снимает перенапряжения на ключевых элементах преобразователя. Это значительно расширяет область целесообразного применения такой схемы преобразователя.Thus, the proposed solution by simple means, guaranteed and with high efficiency, removes overvoltages on the key elements of the converter. This greatly expands the field of appropriate application of such a converter circuit.

Claims

A push-pull voltage converter containing a transformer with two primary windings, the first opposite ends of which are connected and connected to the first output of the power source, and the second opposite ends through controlled key elements shunted by reverse current diodes, are connected to the second output of this source, and secondary windings connected with AC and DC loads, as well as two protective diodes and two storage capacitors, characterized in that it is equipped with two discharge chains from the series connected discharge diode and discharge winding, the number of turns equal to the number of turns of each primary winding, the opposite ends of the discharge windings being connected to the same electrodes of the discharge diodes, protective diodes and storage capacitors connected in pairs in two protective circuits, each of which is connected in parallel with one from the primary windings, the same-name electrodes of protective diodes are combined and connected to the first output of the power source, and the ends of each of the discharge chains are connected between the second terminal of the power source and the point of capacitor connections and the protection diode of one of the protective chains.