SU1144173A1 - Однотактный высоковольтный стабилизированный преобразователь посто нного напр жени - Google Patents

Abstract

1. ОДНОТАКТНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий трансформатор, первична  обмотка которого через регулирующий ключ соединена с входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состо щее из последовательно соединенных первого конденсатора, дроссел  и второго конденсатора, причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к попожи;тельной обкладке первого конденсатора , а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора, отличающийс  тем, что, с целью уменьшени  массы и габаритов при выходном напр жении высокого уровн , параплельно дросселю подключаетс  цепь, состо ща  из N дополнительных звеньев, вьтолненных аналогично указанному основному звену и включенных последовательно, причем каждое последующее звено (Л включено параллельно дросселю предыдущего звена, а выходные выводы преобразовател  подключены параллельно одной, из двух групп последовательно соединенных конденсаторов, принадлежащих разным звень м. со

Description

2. Преобразователь по п.1, о т личающийс  тем, что обмотки дросселей всех звеньев и трансформатора выполнены на общем магнитопроводе .

3. Преобразователь по п.1, о т личающийс  тем, что обмотки упом нутых дросселей и трансформатора вьтолнены на отдельных магнитопроводах .

Изобретение относитс  к электротехнике , в частности к преобразовател м напр жени , позвол ющим получить в нагрузке посто нное высокое напр жение, гальванически отделенное трансформатором от цепи источника питани  .

Известны высоковольтные преобразоратели напр жени , содержащие ключ и трансформатор, к каждому из выводов вторичной обмотки которого подключены цепи из нескольких последовательно соединенных конденсаторов и диодов, включенных между разноименными обкладками конденсаторов одинаковых номеров, принадлежащих различным цеп м

Недостатком данных преобразователей  вл етс  отсутствие стабилизации выходного напр жени  при изменении входного.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению  вл етс  однотактный преобразователь напр жени , содержащий трансформатор, первична  обмотка которого через регулирующий ключ слединена с входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состо щее из последовательно соединенных первого конденсатора, дроссел  и второго конденсатора, причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к положительной обкладке первого конденсатора, а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора 23

Недостаток известного преобразовател  состоит в том, что в нем трудно получить.высокий уровень выходного напр жени  из-за большого коэффициента трансформации трансформатора , а также необходимости использовани  высоковольтных элементов в цеп х высокого уровн  напр жени .

Цель изобретени  - уменьшение массы и габаритов при выходном напр жении высокого уровн .

Цель достигаетс  тем, что в однотактном высоковольтном стабилизированном преобразователе посто нного напр жени , содержащем трансформатор , первична  обмотка которого через регулирующий ключ соединена с

входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состо щее из последовательно соединенных первого конденсатора, дроссел  и второго конденсатора,

причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к положительной обкладке первого конденсатора, а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора , параллельно дросселю подключена цепь, состо ща  из N дополнительных звеньев, выполненных аналогично указанному основному звену и включеннь1х последовательно, причем

каждое последующее звено включено параллельно дросселю предыдущего звена, а выходные выводы преобразовател  подключены параллельно одной из двух групп последовательно соединенных конденсаторов, принадлежащих разным звень м.

Обмотки дросселей всех звеньев н трансформатора могут быть расположены на общем магнитопроводе или на отдельных магнитопроводах.

На чертеже показана схема предлагаемого высоковольтного преобразовател  посто нного напр жени .

Первична  обмотка 1 трансформатоpa 2 своим началом подключена к вы- воду дл  подсоединени  положительного полюса источника входного напр жени . Конец обмотки 1 через регулирующий ключ 3 соединен с выводом дл  подсоединени  отрицательного по3 люса источника входного напр жени . Между началом и концом вторичной об мотки 4 трансформатора 2 подключено основное звено, состо щее из последовательно соединенных конденсатоpa 5, обмотки дроссел  6, конденсатора 7, причем отрицательна  обклад ка конденсатора 5 соединена с началом , а отрицательна  обкладка конденсатора 7 - с концом обмотки 4 трансформатора 2. Между положительной обкладкой конденсатора 5 и отри цательной обкладкой конденсатора 7 включен диод 8 к-атодом к положитель ной, а анодом - к отрицательной обкладкам конденсаторов 5 и 7. Параллельно обмотке дроссел  6 включено первое дополнительное звено , состо щее из последовательно соединенных конденсатора 9, обмотки дроссел  10 и конденсатора 11, причем отрицательна  обкладка конденсатора 9 соединена с началом, а отрицательна  обкладка конденсатора 11с концом обмотки дроссел  6. Между положительной обкладкой конденсатора 9 и отрицательной обкладкой конденсатора 11 включен диод 12катодом к положительной, а анодом к отрицательной обкладке конден саторов 9 и 11 . Параллельно обмотке дроссел  10 включено второе дополнительное звено, состо щее из последовательно соединенных конденсатора 13, обмотки дроссел  14 и конденсатора 15. Между положительной обкладкой конденсатора 13 и отрицательной обкладкой конденсатора 15 включен диод 16 катодом к положительной, а анодом к отрицательным обкладкам конденсаторов 13 и 15. Параллельно обмотке дроссел  14 включено третье дополнительное звен состо щее из последовательно соединенных конденсаторов 17, обмотки дроссел  18 и конденсатора 19. Между положительной обкладкой конденса тора 17 и отрицательной обкладкой конденсатора 19 включен диод 20 катодом к положительной, а анодом к о рицательной обкладкам конденсаторов 17 и 19. Параллельно цепи, состо ще из последовательно соединенных конденсаторов 7, 11, 15 и 19, включена нагрузка 21. Принцип действи  предлагаемого высоковольтного преобразовател  73д рассмотрим исход  из предложенной идеальности всех элементов, установившегос  режима работы, непрерывности изменени  магнитных потоков в сердечниках трансформатора и дросселей и пренебрежени  пульсаци ми напр жений на конденсаторах по сравнению со средними значени ми этих напр жений . Если включен регулирующий ключ 3, то пол рность напр жени  на обмотке 4 трансформатора 2 такова, что диод 8 находитс  под обратным смещением . При этом средние значени  напр жений на всех конденсаторах одинаковы . Поэтому диоды 12, 16 и 20 также наход тс  под обратным смещением . Во вторичной обмотке 4 трансформатора 2 на этом этапе работы протекает ток, вытекающий из начала указанной обмотки. Поэтому конденсаторы 5, 9, 13 и 17 разр жаютс , а конденсаторы 7, 11, 15 и 19 зар жаютс . Разр д конденсатора 5 осуществл етс  суммой токов lAp,+I,,, и этой же суммой токов за вычетом тока нагрузки осуществл етс  зар д конденсатора 7. Разр д конденсатора 9 осуществл етс  суммой токов lip +Ii, этой же суммой токов минус ток нагрузки осуществл етс  зар д конденсатора 11. Аналогичные выражени  можно записать и дл  других конденсаторов. На каждой из обмоток дросселей .6, 10, 14 и 18 пол рность напр жени  такова, что приводит к увеличению токов, протекающим по дроссел м в направлении от положительных обкладок конденсаторов 5,9,13 и 17 к положительным обкладкам конденсаторов 7, 11, 15 и 19. Таким образом на указанном этапе работы энерги , потребл ема  от источника входного напр жени , обеспечивает рост энергии, накопленной в магнитном поле сердечников трансформатора и дросселей, увеличение энергии, запасенной в конденсаторах 7, 11, 15 и 19, и поддержание тока нагрузки. Последние три составл ющие обеспечиваютс  также разр дом коненсаторов 5, 9, 13 и 17. После выключени  ключа 3 вследтвие по влени  ЭДС самоиндукций ол рность напр жений на обмотках рансформатора и дросселей измен етс  на противоположную, что должно было бы привести к отпиранию диодов 8, 12, 16 и 20. Однако этого не происходит , поскольку, например, в контуре: диод 8, конденсатор 9, диод 12 и конденсатор 7 действует суммарное напр жение 4U.g+ , св занное с разр дом конденсатора 9 и зар дом конденсатора 7 на интервале времени включенного состо ни  ключа 3, которое не позвол ет включитьс  диоду 8. Аналогично, рассматрива  контур - диод 12, конденсатор 13, диод 16 и конденсатор 11, можно убедитьс , что действующее напр же Uc«ние в этом контуре позвол ет включитьс  диоду 12 и т.д Поэтому после выключени  ключа 3 может включитьс  только диод 20, поскольку в данном случае нет условий , которые поддерживали бы его в выключенном состо нии. В результате включени  диода 20 начинаетс  перез р д конденсаторов 5,9,13,17,7,11, 15 и 19 и передача накоплений энергии в реактивност х в нагрузку. Так, конденсатор 5 зар жаетс  током намагничивани  трансформатора 1 , который протекает по контуру: обмотка 4 трансформатора 2 конденса торы 7, 11, 15 и 19, диод 20, конденсаторы 17, 13 и 9. Конденсатор 7 разр жаетс  током , а конденса 1м+1Ар6Ко«тор 9 зар жаетс  током I«4p денсатор 11 разр жаетс  током +1 , а конденсатор 13 зар жаетс  током 1„+1др +1др«. Аналогичные вьфа жени  можно было бы записать и дл  других конденсаторов. Можно показат что средние значени  токов в обмотках дросселей 6, 10, 14 и 18 одинаковы и равны току нагрузки „ , а среднее значение тока намагничивани  трансформатора 2, дл  случа  равенства числа витков обмоток 1 и . 4, равное - . где М - число . л 1- 2Г звеньев, относительное врем включенного состо ни  регулирующего ключа 3, t - врем  включенног состо ни  ключа 3, а Т - период ег работы. С учетом ранее приведенных выра жений дл  токов разр да конденсато ра 5 на интервале времени включенн го состо ни  регулирующего ключа 3 и его зар да и на интервале времен 1736 выключенногр состо ни  ключа 3 можно видеть, что эти зар ды равны. Действительно , конденсатор 5 разр жаетс  током 41 „ в течение времени Т, а током I ff. в течение времезар жаетс  ни (1-з-)Т Несколько иначе протекаёт процесс перезар да остальных конТак , конденсатор 9 разденсаторов р жаетс  током 31), в течение времени а конденсатор 7 зар жаетс  в это же верм  током 31,. Это означает , что изменение зар да на конденсаторах 9 и 7, за врем  включенного состо ни  одно и то же с той лишь разницей, что конденсатор 9 разр жаетс , а конденсатор 7 зар жаетс . При выключении регулирующего ключа 3 конденсатор 7 разр жаетс  током (), а конденсатор 9 - током ,)51и+1н перезар д кон-, денсаторов 7 и 9 осуществл етс  одним и тем же током. Нетрудно видеть, что изменение зар да на конденсаторах 7 и 9 за врем  (1-у)Т включенного состо ни  регулирующего ключа 3 больше изменени  зар да на этих конденсаторах за врем  Т включенного состо ни  регулирующего ключа 3. Это означает, что то же самое изменение зар да на конденсаторах, которое имело место н интервале времени уТ, произойдет за меньшее врем , чем ()Т. Назовем это врем  условно (1-у) Т, которое меньше, чем (1-у)Т. Тогда в момент времени, когда изменение зар да на конденсаторах 7 и 9 за врем  ( станет равным измененшо зар да на этих же конденсаторах за врем  -j-T, включитс  диод 8, и дальнейшее изменение зар да на этих конденсаторах станет невозможным . Аналогичньй процесс происходит при включении диода 12 вследствие изменени  зар да на конденсаторах 11 и 13. То же самое имеет место-дл  диода 16 вследствие изменени  зар да на конденсаторах 15 и 17, В .процессе этих изменений зар дов на конденсаторах по существу идет процесс переноса избытка зар да , например, на конденсаторе 7,,полученного на интервале времени вследствие его подзар да, а на конденсаторе 9 --на интервале времени ( 1-у)т, с целью компенсации уменьшени  такого же зар да на этом конденсаторе в течение интервала времени уТ. После включени  диодов 8, 7 12 и 16 ток нагрузки протекает по последовательной цепи, составленной из обмоток дросселей и диодов, а изменение напр жени  на конденсаторах , при прин тых допзщени х, практически отсутствует. На всех обмотках дросселей и обмотке 4 трансформатора 2 действуют напр жени , равные средним значени м напр жений на конденсаторах. Из услови  равенства вольт-секундных площадей на обмотках магнитных элементов можно получить средние значе ни  напр жений на конденсаторах. Эти напр жени  на всех конденсатора Ег одинаковы и.равныПг--. Поэтому п У среднее напр жение на нагрузке и -: 7Г где N - общее число  чеек, включе ных последовательно. 73 Таким образом, предлагаемый преобразователь позвол ет увеличивать уровень выходного напр жени  без увеличени  коэффициента трансформации трансформатора. Естественно, что уровень выходного напр жени  может быть увеличен за счет одновременного увеличени  коэффициента трансформации. Поскольку напр жени  на всех обмотках магнитных элементов одинаковы в любой момент време-i ни, то они могут быть вьтолнены на одном магнитопроводе. Однако в р де случаев дл  исключени  трудностей, св занных с высоковольтной изол цией обмоток, с технологической точки зрени  Целесообразно все магнитные элементы выполн ть на отдельных магнитопроводах .

Claims (3)

1. ОДНОТАКТНЫЙ ВЫСОКОВОЛЬТНЫЙ СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через регулирующий ключ соединена с входными питающими выводами, а к вторичной обмотке подключено основное звено, состоящее +Е из последовательно соединенных первого конденсатора, дросселя и второго конденсатора, причем между обкладками первого и второго конденсаторов включен диод катодом к положи:тельной обкладке первого конденсатора, а анодом к отрицательной обкладке второго конденсатора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов при выходном напряжении высокого · уровня, параллельно дросселю подключается цепь, состоящая из N дополнительных звеньев, выполненных аналогично указанному основному звену и включенных последовательно, 5 причем каждое последующее звено включено параллельно дросселю предыдущего звена, а выходные выводы преобразователя подключены параллельно одной из двух групп последовательно соединенных конденсаторов, принадлежащих разным звеньям.

SU ,„>1144173

2. Преобразователь по п.1, отличающийся тем, что обмотки дросселей всех звеньев и трансфор матора выполнены на общем магнитопроводе.

3. Преобразователь по п.1, о т личающийся тем, что обмотки упомянутых дросселей и трансформа тора выполнены на отдельных магнитопроводах.