RU83882U1

RU83882U1 - ADJUSTABLE AC VOLTAGE CONVERTER

Info

Publication number: RU83882U1
Application number: RU2009104208/22U
Authority: RU
Inventors: Станислав Борисович Резников; Владимир Владимирович Бочаров; Евгений Владимирович Парфенов; Николай Викторович Гуренков
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2009-06-20

Abstract

1. Регулируемый преобразователь переменного напряжения, содержащий четыре двунаправленных управляемых ключа со схемой управления, подключенной своим выходом к их управляющим выводам, и трансформатор, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным и выходным зажимам, причем первый вывод первой обмотки подключен к двум входным зажимам через первый и второй ключи соответственно, отличающийся тем, что в него введены четыре конденсатора, причем второй вывод первой обмотки трансформатора подключен к двум входным зажимам через первый и второй конденсаторы соответственно, а два вывода второй обмотки трансформатора подключены к двум выходным зажимам через третий и четвертый ключи и через третий и четвертый конденсаторы таким же образом, что и выводы первой обмотки к двум входным зажимам. ! 2. Регулируемый преобразователь переменного напряжения по п.1, отличающийся тем, что каждый двунаправленный управляемый ключ состоит из последовательно-встречно соединенных транзисторов, зашунтированных соответствующими обратными диодами.1. An adjustable AC voltage converter containing four bidirectional controlled keys with a control circuit connected by its output to their control terminals, and a transformer, the terminals of the windings of which are connected through these keys to input and output terminals, the first terminal of the first winding being connected to two input terminals through the first and second keys, respectively, characterized in that four capacitors are introduced into it, and the second terminal of the first winding of the transformer is connected to two input terminals through the first and second capacitors, respectively, and the two terminals of the second transformer winding are connected to the two output terminals through the third and fourth switches and through the third and fourth capacitors in the same way as the terminals of the first winding to the two input terminals. ! 2. The adjustable AC voltage converter according to claim 1, characterized in that each bidirectional controlled key consists of series-counter-connected transistors, shunted by the corresponding reverse diodes.

Description

Полезная модель относится к силовой импульсной электронике и может быть использована при создании преобразователей переменного первичного напряжения одной амплитуды в регулируемое или стабилизируемое по амплитуде переменное вторичное напряжение той же частоты, причём гальванически не связанное с первичным и, возможно, - улучшенной формы.The utility model relates to pulsed power electronics and can be used to create converters of alternating primary voltage of one amplitude to an adjustable or stabilized in amplitude alternating secondary voltage of the same frequency, and not galvanically connected with the primary and, possibly, improved form.

Известны регулируемые преобразователи переменного напряжения, состоящие из выпрямителя с импульсным корректором коэффициента мощности, фильтра и инвертора с синусоидальным выходным напряжением (известны системы бесперебойного питания, системы питания электроприводов переменного тока и т.п.).Known adjustable AC voltage converters, consisting of a rectifier with a pulse corrector power factor, a filter and an inverter with a sinusoidal output voltage (known uninterruptible power systems, power systems for AC electric drives, etc.).

К недостаткам известных регулируемых преобразователей переменного напряжения относятся: неспособность рекуперации в сеть реактивной мощности нагрузки; большие масса, габариты и стоимость из-за сложности схемы обеспечения синусоидальности формы выходного напряжения, низкая надежность и низкий КПД из-за каскадного преобразования и гальваническая связь выхода со входом.The disadvantages of the known adjustable AC voltage converters include: inability to recover load reactive power to the network; large mass, dimensions and cost due to the complexity of the scheme for ensuring the sinusoidal shape of the output voltage, low reliability and low efficiency due to cascade conversion and galvanic connection of the output with the input.

Известны регулируемые преобразователи переменного напряжения, содержащие двунаправленные управляемые ключи со схемой импульсного управления ключами и трансформатор, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным или выходным зажимам (Сергеев Б.С., Чечулина А.Н. Источники электропитания электронной аппаратуры железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт. 1998 г., стр. 177, рис.5.9а-г).Known adjustable AC voltage converters containing bidirectional controlled keys with a pulse control circuit of the keys and a transformer, the terminals of the windings of which are connected through these keys to the input or output terminals (Sergeev B.S., Chechulina A.N. Power supplies of electronic equipment of railway transport. - M .: Transport. 1998, p. 177, Fig. 5.9a-d).

Недостатком известных регулируемых преобразователей переменного напряжения являются большие масса, габариты и стоимость устройства из-за низкой частоты основной гармоники напряжения питания трансформатора (например, 50 Гц при питании от общепромышленной сети).A disadvantage of the known adjustable AC voltage converters is the large mass, dimensions and cost of the device due to the low frequency of the main harmonic of the supply voltage of the transformer (for example, 50 Hz when powered from a common industrial network).

По технической сущности наиболее близким к предлагаемому является регулируемый преобразователь переменного напряжения (см. там же, на стр.177, рис.5г).In terms of technical nature, the closest to the proposed one is an adjustable AC voltage converter (see ibid., On page 177, Fig. 5d).

Задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является снижение массы, габаритов и стоимости устройства.The problem to which the claimed utility model is directed is to reduce the mass, dimensions and cost of the device.

Указанный результат обеспечивается благодаря тому, что в регулируемый преобразователь переменного напряжения, содержащий четыре двунаправленных управляемых ключа со схемой управления, подключённой своим выходом к их управляющим выводам, и трансформатор, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным и выходным зажимам, причём первый вывод первой обмотки подключён к двум входным зажимам через первый и второй ключи, соответственно, введены четыре конденсатора, причём второй вывод первой обмотки трансформатора This result is ensured due to the fact that into an adjustable AC voltage converter containing four bidirectional controlled keys with a control circuit connected by its output to their control terminals, and a transformer, the windings of which are connected through these keys to input and output terminals, the first terminal being the first windings are connected to two input terminals through the first and second keys, respectively, four capacitors are introduced, and the second terminal of the first transformer winding

подключён к двум входным зажимам через первый и второй конденсаторы, соответственно, а два вывода второй обмотки трансформатора подключены к двум выходным зажимам через третий и четвёртый ключи и через третий и четвёртый конденсаторы таким же образом, что и выводы первой обмотки к двум входным зажимам, а также тем, что каждый двунаправленный управляемый ключ состоит из двух последовательно-встречно соединённых транзисторов, зашунтированных соответствующими обратными диодами.connected to two input terminals through the first and second capacitors, respectively, and the two terminals of the second transformer winding are connected to two output terminals through the third and fourth switches and through the third and fourth capacitors in the same way as the terminals of the first winding to the two input terminals, and also by the fact that each bidirectional controlled key consists of two series-counter-connected transistors, shunted by the corresponding reverse diodes.

По существу, технический результат обеспечивается благодаря тому, что трансформатор работает не на низкой частоте питания устройства (например, 50 Гц), а на частоте импульсной модуляции управляемых ключей (например, 20-70 кГц при использовании транзисторов).Essentially, the technical result is achieved due to the fact that the transformer does not work at a low frequency of the device’s power supply (for example, 50 Hz), but at the frequency of pulse modulation of the controlled keys (for example, 20-70 kHz when using transistors).

Дополнительным техническим результатом предложения являются:Additional technical result of the proposal are:

гальваническая развязка между входом и выходом и отсутствие коммутационных перенапряжений и сверхтоков в транзисторных ключах благодаря наличию цепей рекуперации электромагнитной энергии рассеяния обмоток трансформатора и исключению режимов их короткого замыкания и сквозных транзисторных цепей.galvanic isolation between the input and output and the absence of switching overvoltages and overcurrents in transistor switches due to the presence of electromagnetic energy recovery circuits for the dissipation of transformer windings and the exclusion of their short circuit modes and through transistor circuits.

Лабораторные испытания подтверждают возможность широкого промышленного использования предложенного регулируемого преобразователя переменного напряжения.Laboratory tests confirm the possibility of wide industrial use of the proposed adjustable AC voltage converter.

На фиг.1 приведена принципиальная схема силовой части предлагаемого регулируемого преобразователя переменного напряжения.Figure 1 shows a schematic diagram of the power part of the proposed adjustable AC voltage Converter.

На фиг.2 показаны временные диаграммы напряжений на входных (U₁) и выходных (U₂) зажимах и на обмотках трансформатора (U_T).Figure 2 shows the timing diagram of the voltages at the input (U ₁ ) and output (U ₂ ) terminals and on the transformer windings (U _T ).

Регулируемый преобразователь переменного напряжения содержит четыре двунаправленных управляемых ключа 1, 2, 3, 4 со схемой управления 5, подключённой своим выходом к их управляющим выводам, и трансформатор 6, выводы обмоток которого через указанные ключи подключены к входным 7, 8 и выходным 9, 10 зажимам, а также четыре конденсатора 11, 12, 13, 14. Первый вывод первой обмотки трансформатора 6 подключён к двум входным зажимам 7, 8 через первый 1 и второй 2 ключи, соответственно, а второй вывод той же обмотки - к тем же зажимам через первый 11 и второй 12 конденсаторы, соответственно. Два вывода второй обмотки трансформатора подключены к двум выходным зажимам 9, 10 через третий 3 и четвертый 4 ключи и через третий 13 и четвертый 14 конденсаторы таким же образом, что и выводы первой обмотки к двум входным зажимам.The adjustable AC voltage converter contains four bidirectional controlled keys 1, 2, 3, 4 with a control circuit 5 connected by its output to their control terminals, and a transformer 6, the windings of which are connected through input keys to input 7, 8 and output 9, 10 terminals, as well as four capacitors 11, 12, 13, 14. The first terminal of the first winding of the transformer 6 is connected to two input terminals 7, 8 through the first 1 and second 2 keys, respectively, and the second terminal of the same winding is connected to the same terminals through first 11 and second 12 condens ators, respectively. Two terminals of the second transformer winding are connected to two output terminals 9, 10 through the third 3 and fourth 4 keys and through the third 13 and fourth 14 capacitors in the same manner as the terminals of the first winding to the two input terminals.

Обмотки трансформатора 6 могут содержать также вспомогательные отпайки, которые с помощью дополнительно введённых вспомогательных двунаправленных ключей (например, механических и электромеханических) могут быть подключены к тем же общим точкам соединения ключей (1, 2 или 3, 4) или конденсаторов (11, 12 или 13, 14).The windings of the transformer 6 can also contain auxiliary tap, which can be connected to the same common points of connection of keys (1, 2 or 3, 4) or capacitors (11, 12 or 13, 14).

Каждый двунаправленный управляемый ключ (1-4) состоит из двух последовательно-встречно соединённых транзисторов, зашунтированных соответствующими обратными диодами, как показано на фиг.1.Each bidirectional controlled key (1-4) consists of two series-counter-connected transistors, shunted by the corresponding reverse diodes, as shown in figure 1.

Регулируемый преобразователь переменного напряжения работает следующим образом.Adjustable AC voltage Converter operates as follows.

В пределах каждого полупериода низкочастотного входного переменного напряжения (U₁) ключи 1, 2 и конденсаторы 11, 12 работают в режиме известного полумостового инвертора высокочастотного прямоугольного переменного напряжения (U_T) с широтно-импульсной модуляцией, т.е. в режиме модулятора (см. фрагмент напряжения трансформатора U_T на фиг.2). Так, например, в пределах полупериода с положительным напряжением U₁ периодически поочередно с высокой постоянной частотой включаются верхние транзисторы ключей 1 и 2, а их нижние транзисторы постоянно открыты. При этом с помощью выбора величины относительной длительности (ширины) импульсов можно регулировать амплитуду синусоидальной кривой средневыпрямленных импульсных значений. В пределах того же полупериода ключи 3, 4 выполняют роль управляемого выпрямителя, т.е. демодулятора. Для этого достаточно на все время полупериода открыть нижние транзисторы ключей 3 и 4. При этом напряжение на выходных зажимах 9, 10 будет отфильтровано с помощью конденсаторов 13, 14 (см. кривую U₂ на фиг.2).Within each half-cycle of the low-frequency AC input voltage (U ₁ ), the keys 1, 2 and capacitors 11, 12 operate in the mode of the known half-bridge inverter of the high-frequency rectangular AC voltage (U _T ) with pulse-width modulation, i.e. in modulator mode (see transformer voltage fragment U _T in FIG. 2). So, for example, within the half-period with a positive voltage U _{1, the} upper transistors of the switches 1 and 2 are periodically alternately alternately with a high constant frequency, and their lower transistors are constantly open. In this case, by choosing the relative duration (width) of the pulses, you can adjust the amplitude of the sinusoidal curve of the average rectified pulse values. Within the same half-period, the keys 3, 4 act as a controlled rectifier, i.e. demodulator. To do this, it is enough to open the lower transistors of the keys 3 and 4 for the entire half-cycle. In this case, the voltage at the output terminals 9, 10 will be filtered out using capacitors 13, 14 (see curve U ₂ in FIG. 2).

В течение следующего полупериода с отрицательным напряжением U₁ модуляция осуществляется аналогичным образом с помощью нижних транзисторов ключей 1 и 2 (при этом верхние постоянно открыты), а выпрямление (циклоконверторная демодуляция) - с помощью верхних транзисторов ключей 3 и 4. Далее процессы периодически повторяются с частотой питания.During the next half-cycle with a negative voltage U _{1, the} modulation is carried out in a similar way using the lower transistors of the keys 1 and 2 (the upper ones are constantly open), and the rectification (cyclo-converter demodulation) is performed using the upper transistors of the keys 3 and 4. Further, the processes are periodically repeated with power frequency.

Следует отметить, что в течение пауз между включениями транзисторов ключей электромагнитная энергия рассеяния первичных обмоток трансформатора рекуперирует обратно в конденсаторы 11, 12 через постоянно открытые транзисторы ключей 1 и 2.It should be noted that during the pauses between the switching of the key transistors, the electromagnetic energy of the scattering of the primary windings of the transformer is recovered back to the capacitors 11, 12 through the constantly open transistors of the keys 1 and 2.

Если преобразователь работает на индуктивную или индуктивно-активную нагрузку, то на интервалах рекуперации индуктивной энергии в питающую сеть пары ключей 1, 2 и 3, 4 меняются ролями, т.е. ключи 3, 4 вместе с конденсаторами 13, 14 выполняют роль инверторов (модуляторов), а ключи 1, 2 - роль выпрямителей (циклоконверторных демодуляторов).If the converter operates on an inductive or inductive-active load, then at intervals of recovery of inductive energy into the supply network, the key pairs 1, 2 and 3, 4 change roles, i.e. the keys 3, 4 together with the capacitors 13, 14 act as inverters (modulators), and the keys 1, 2 play the role of rectifiers (cycloconverter demodulators).

Таким образом, несмотря на низкочастотное преобразование (50 Гц) транформаторные обмотки питаются только высокочастотным (без существенных субгармоник) напряжением (20-70 кГц), багодаря чему снижается масса, габариты и стоимость всего устройства. При этом осуществляется гальваническая развязка между входом и выходом, а также отсутствуют коммутационные перенапряжения и сверхтоки в транзисторных ключах благодаря наличию цепей рекуперации электромагнитной энергии рассеяния обмоток трансформатора и исключению режимов их короткого замыкания и сквозных транзисторных цепей (при гарантированной минимальной величине межкоммутационных пауз).Thus, despite the low-frequency conversion (50 Hz), the transformer windings are powered only by high-frequency (without significant subharmonics) voltage (20-70 kHz), thereby reducing the weight, dimensions and cost of the entire device. In this case, galvanic isolation between the input and output is carried out, as well as there are no switching overvoltages and overcurrents in transistor switches due to the presence of recovery circuits of electromagnetic energy of the dissipation of the transformer windings and the exclusion of their short circuit modes and through transistor circuits (with a guaranteed minimum value of interconnection pauses).

Claims

1. An adjustable AC voltage converter containing four bidirectional controlled keys with a control circuit connected by its output to their control terminals, and a transformer, the terminals of the windings of which are connected through these keys to input and output terminals, the first terminal of the first winding being connected to two input terminals through the first and second keys, respectively, characterized in that four capacitors are introduced into it, and the second terminal of the first winding of the transformer is connected to two input terminals through the first and second capacitors, respectively, and the two terminals of the second transformer winding are connected to the two output terminals through the third and fourth switches and through the third and fourth capacitors in the same way as the terminals of the first winding to the two input terminals.

2. The adjustable AC voltage converter according to claim 1, characterized in that each bidirectional controlled key consists of series-counter-connected transistors, shunted by the corresponding reverse diodes.