| початок розділу
Виробничі, аматорські радіоаматорські Авіамодельний, ракетомодельного Корисні, цікаві |
хитрощі майстру
електроніка фізика технології винаходи |
таємниці космосу
таємниці Землі таємниці Океану хитрощі Карта розділу |
  |
| Використання матеріалів сайту дозволяється за умови посилання (для сайтів - гіперпосилання) | |||
Навігація: => |
На головну / Каталог патентів / В розділ каталогу / Назад / |
|
ВИНАХІД
Патент Російської Федерації RU2267218
Трансформатор постійної напруги
Ім'я винахідника: Александров В.А. (RU); Гокін С.П. (RU); Кокорін Ю.Я. (RU); Ткалич В.В.
Ім'я патентовласника: Федеральне державне унітарне підприємство "Центральний науково-дослідний інститут" Морфізпрібор "
Адреса для листування: 197376, Санкт-Петербург, Чкаловський ін., 46, ФГУП "Центральний науково-дослідний інститут" Морфізпрібор "
Дата початку дії патенту: 2004.07.12
Винахід відноситься до перетворювальної техніки і може бути використано в якості перетворювачів постійної напруги в постійне для систем вторинного електроживлення. Технічними результатами від використання винаходу є підвищення стабільності навантажувальних характеристик за рахунок застосування додаткових рекуперативних діодів (діодів, через які йде процес повернення накопиченої енергії джерела живлення назад в джерело живлення), а й поліпшення характеристик якості вторинних напруг за допомогою забезпечення квазірезонансного траєкторії зміни вихідного напруги ключового підсилювача , що особливо важливо при роботі ТПК на багатоканальну навантаження. Для досягнення зазначених технічних результатів в трансформаторі постійної напруги, що містить ключовий підсилювач, шини електроживлення якого підключені до входів першого ємнісного дільника і до шин первинної напруги, що задає генератор, з'єднаний прямим і інверсним виходом відповідно до першого і другого входу ключового підсилювача, вихід якого через послідовно з'єднані дросель і конденсатор підключений до середньої точки ємнісного подільника, причому паралельно конденсатору підключена первинна обмотка трансформатора, вторинна обмотка якого через випрямляч і ємнісний фільтр з'єднана з шинами вторинного напруги, введені перша і друга схема затримки включення, перший і другий діоди і другий ємнісний дільник, включений між шинами первинної напруги і приєднаний середньої точкою до виходу ключового підсилювача, перший і другий входи якого через першу і другу схеми затримки включення з'єднані з прямим і інверсним виходом генератора, що задає, при цьому перший і другий діоди включені послідовно зворотного провідністю між шинами первинної напруги, а середня точка з'єднання діодів підключена до точки з'єднання дроселя і конденсатора. Наведено і схема трансформатора постійної напруги, що працює на багатоканальну навантаження.
ОПИС ВИНАХОДИ
Винахід відноситься до перетворювальної техніки і може бути використано в якості перетворювачів постійної напруги в постійне для систем вторинного електроживлення.
Відомі трансформатори постійної напруги (ТПН), призначені для перетворення постійної напруги первинної мережі в постійну напругу одного або декількох джерел вторинної мережі [1]. На відміну від широкого класу керованих і стабілізованих джерел вторинного електроживлення група ТПН об'єднує некеровані перетворювачі, що забезпечують гальванічну розв'язку і трансформаторне узгодження первинного і вторинних напруг.
Основою реалізації ТПН є інвертор, що перетворює первинне постійна напруга в змінну напругу, яка трансформується до необхідних значень і випрямляється, утворюючи джерела з заданими вторинними напругами.
У відомих ТПН можуть використовуватися інвертори із зовнішнім збудженням, виконані по двотактним [2] або полумостовим [3] схемам транзисторних ключових підсилювачів потужностей (КУМ). До складу відомих пристроїв входять ключовою підсилювач потужності, шини живлення якого з'єднані з шинами первинної напруги, входи управління підключені до виходів задає, а виходи підключені до первинної обмотці трансформатора, вторинні обмотки якого через випрямляч і вихідний фільтр з'єднані з шинами вторинного напруги [2, 3].
Використання ключового режиму роботи і високої частоти перемикань (десятки і сотні кГц) транзисторів КУМ дозволяє підвищити ККД перетворення і помітно знизити масу і габарити відомих ТПН в порівнянні з силовими трансформаторами промислової частоти (50 Гц). Зовнішнє управління транзисторів КУМ, виконаних за відомими схемами [2, 3], здійснюється від генератора, що задає протівофазного сигналами типу меандр. В результаті на первинних і вторинних обмотках трансформатора формується симетричне імпульсна напруга, що забезпечує формування вторинних напруг при мінімальних габаритах вихідних фільтрів. Перевагами відомих ТПН є стабільні навантажувальні характеристики в умовах зміни вихідного струму в широких межах, разом з тим виділене перевага пов'язана з втратою стійкості роботи в пускових режимах при роботі на ємнісний фільтр, а й при струмового перевантаження та короткого замикання навантаження. Іншим недоліком відомих пристроїв є підвищений рівень високочастотних (ВЧ) перешкод, пов'язаних з імпульсним формуванням фронтів вихідної напруги і перериванням контурів протікання струму. В елементах КУМ при типової потужності від 100 до 1000 Вт, навантажених безпосередньо на вихідний трансформатор, спостерігається зміна потенціалів зі швидкістю понад 1000 В / мкс при зміні струму більш ніж на 100 А / мкс. Такі імпульсні процеси призводять до кондуктивним і індуктивним ВЧ перешкод, проникаючим в шини вторинних напруг, що погіршує характеристики якості вихідних напруг відомих ТПН і перешкоджає їх застосуванню у функціональній апаратурі з підвищеними вимогами електромагнітної сумісності (ЕМС).
Технічним рішенням, найбільш близьким до пропонованого за сукупністю суттєвих ознак, є ТПН, описаний в статті [4]. У ТПН-прототипі усунені недоліки відомих пристроїв за допомогою введення резонансної ланцюга, що містить дросель, включений на виході КУМ, і конденсатор, з'єднаний паралельно первинній обмотці трансформатора. Тим самим в ТПН реалізується інвертор резонансного типу, ніж забезпечуються поліпшені характеристики ЕМС і стійкість роботи в режимі струмового перевантаження і короткого замикання.
ТПН - прототип (фіг.1) містить задає генератор 1, ключовий підсилювач 2 потужності, виконаний на ключових елементах 2.1, 2.2, включених по полумостовой схемою, дросель 3, конденсатор 4, ємнісний дільник 5, трансформатор 6, випрямляч 7 і вихідний ємнісний фільтр 8.
Перевагою полумостовой схеми, реалізованої в ТПН-прототипі, є використання конденсаторів ємнісного дільника 5 як в якості фільтра по напрузі харчування, так і в якості розділових для трансформатора 6, що еквівалентно формуванню на виході КУМ напруг + Е і -Е, рівних половині первинного напруги електроживлення Е о.
У відомому пристрої (фіг.1) шини електроживлення КУМ 2 і ємнісного дільника 5 підключені паралельно до шин первинної напруги, входи управління КУМ 2 з'єднані з виходами задає, а вихід через послідовно з'єднані дросель 3 і первинну обмотку трансформатора 6 підключений до середньої точки ємнісного подільника 5, в свою чергу первинна обмотка трансформатора з'єднана паралельно з конденсатором 4, а вторинна обмотка через з'єднані послідовно випрямляч 7 і вихідний ємнісний фільтр 8 підключена до шин вторинної напруги.
Робота ТПН-прототипу здійснюється наступним чином. Генератор, що задає 1 формує два протифазних імпульсних сигналу типу меандр, що надходять на входи управління ключових елементів 2.1, 2.2 КУМ 2. В результаті на виході КУМ 2 формується симетричне імпульсна напруга амплітудою Е = Е о / 2, що надходить на вхід резонансного фільтра, виконаного на дроселі 3 і конденсаторі 4. Зміна напруги на конденсаторі 4 здійснюється за плавної траєкторії, яка визначається резонансною частотою
де L - індуктивність дроселя 3, С Р - ємність конденсатора 4.
При наростанні напруги на конденсаторі 4 до рівня U н · K Т (де К Т - коефіцієнт трансформації трансформатора 6, U н - вихідна напруга на навантаженні) струм i L дроселя 3 замикається через трансформатор 6, діоди випрямляча 7 і вихідний ємнісний фільтр 8 в навантаження. Перемикання ключових елементів КУМ 2 забезпечує зміну струму i L, перезаряд конденсатора 4 і формування іншої напівхвилі напруги на входах випрямляча.
Перевагою ТПН-прототипу є формування трапецієподібного (квазисинусоидального) напруги на первинній обмотці трансформатора, що обумовлює поліпшені характеристики ЕМС. Однак зміна напруги на виході КУМ має імпульсний характер, швидкість зміни напруги так само, як у відомих пристроях [1-3], досягає 1000 В / мкс. Відповідно в ТПН-прототипі спостерігається кондуктивний перенесення імпульсних ВЧ перешкод в шини вторинного напруги, що є недоліком ТПН.
Перевагою пристрою-прототипу [4] в порівнянні з відомими ТПН [1-3] є і стійка робота в режимах струмового перевантаження і короткого замикання. Дійсно наявність дроселя 3 на виході КУМ забезпечує обмеження вихідного струму, амплітуда якого в режимі короткого замикання не перевищує значення
де 
n = 2 
f n - частота перемиканні КУМ, L - індуктивність дроселя 3, Е 0 - напруга живлення.
Таким чином, без струмового перевантаження можуть бути забезпечені пускові режими і робота пристрою на навантаження опором менше номінальної до короткого замикання включно.
Разом з тим, ТПН-прототип має низьку стабільністю навантажувальних характеристик. Зі збільшенням опору навантаження вихідна напруга зростає. У режимі, близькому до холостого ходу в елементах резонансної ланцюга (дросель 3, конденсатор 4) і ключових елементах КУМ 2, спостерігається неконтрольоване зростання струму, що приводить до виходу з ладу підсилювальних приладів.
При використанні в багатоканальних системах електроживлення низька стабільність вихідних напруг ТПН-прототипу може приводити до залежності вторинних напруг окремих споживачів від навантаження інших споживачів, що неприпустимо і обмежує область застосування ТПН.
Завданням цього винаходу є підвищення стабільності навантажувальних характеристик ТПН при поліпшенні характеристик якості вихідних вторинних напруг.
Для вирішення поставленого завдання в відомому ТПН, що містить ключовий підсилювач, шини електроживлення якого підключені до входів першого ємнісного дільника і до шин первинної напруги, що задає генератор, з'єднаний прямим і інверсним виходом відповідно до першого і другого входу ключового підсилювача, вихід якого через послідовно з'єднані дросель і конденсатор підключений до середньої точки ємнісного подільника, причому паралельно конденсатору підключена первинна обмотка трансформатора, вторинна обмотка якого через випрямляч і ємнісний фільтр з'єднана з шинами вторинного напруги, введені нові ознаки, а саме перша і друга схема затримки включення, перший і другий діоди і другий ємнісний дільник, включений між шинами первинної напруги і приєднаний середньої точкою до виходу ключового підсилювача, перший і другий входи якого через першу і другу схеми затримки включення з'єднані з прямим і інверсним виходом генератора, що задає, при цьому перший і другий діоди включені послідовно зворотного провідністю межу шинами первинної напруги, а середня точка з'єднання діодів підключена до точки з'єднання дроселя і конденсатора.
Для багатоканальної навантаження, де забезпечується формування ряду груп вторинних напруг для декількох окремих споживачів, в заявлений ТПН введені n додаткових дроселів і n додаткових конденсаторів, n додаткових ємнісних дільників і n додаткових трансформаторів, кожен з яких містить одну первинну і k вторинних обмоток, а й N = kn додаткових випрямлячів і N додаткових ємнісних фільтрів, причому n додаткові дроселі і конденсатори включені між виходом ключового підсилювача і середніми точками відповідних n додаткових ємнісних дільників, входи яких підключені до шин первинної напруги. У свою чергу первинні обмотки n додаткових трансформаторів включені паралельно відповідним n додатковим конденсаторам, ak вторинних обмоток кожного з n додаткових трансформаторів підключені через відповідні послідовно включені додаткові випрямлячі і ємнісні фільтри до шин N вторинних вихідних напруг.
Технічними результатами від використання винаходу є підвищення стабільності навантажувальних характеристик за рахунок застосування додаткових рекуперативних діодів (через які йде процес замикання струму самоіндукції дроселя в ємнісний фільтр, чим досягається повернення надлишкової енергії резонансного фільтра), а й поліпшення характеристик якості вторинних напруг за допомогою забезпечення квазірезонансного траєкторії зміни вихідної напруги ключового підсилювача, що особливо важливо при роботі ТПН на багатоканальну навантаження.
Суть винаходу пояснюється фіг.1-5, де
Фиг.1 приведена структурна схема ТПН-прототипу.
Фиг.2 - структурна схема пропонованого ТПН.
Фіг.3 - структурна схема ТПН для багатоканальної навантаження.
Фіг.4 - тимчасові діаграми сигналів, що пояснюють принцип дії заявленого технічного рішення.
Фіг.5 - спектрограми власних шумів підсилювачів, приведених до їх входів, при харчуванні апаратури від ТПН-прототипу ( фіг.5 ) і від пропонованого ТПН ( фіг.5б ).
Пропонований ТПН (фіг.2) містить задає генератор 1, ключовий підсилювач 2 потужності, виконаний на двох ключових елементах 2.1, 2.2, дросель 3, конденсатор 4, перший ємнісний дільник 5, трансформатор 6, випрямляч 7, ємнісний фільтр 8, а й схеми 9, 10 затримки включення, виконані на RD-ланцюгах, другий ємнісний дільник 11 і рекуперативні діоди 12, 13.
Багатоканальний ТПН для багатоканальної навантаження, представлений на Фіг.3, містить задає генератор 1, схеми 9, 10 затримки включення, ключовий підсилювач 2 потужності, перший ємнісний дільник 5, другий ємнісний дільник 11, а і n + 1 каналів квазірезонансних трансформаторно-випрямних пристроїв , кожен канал i (де i = 1 ... n + 1) містить дросель 3i, конденсатор 4i, діоди 12i, 13i і трансформатор 6i з однієї первинної та k вторинними обмотками, а і k випрямлячів 7.il..7.ik і k ємнісних фільтрів 8.ik
Пропонована схема ТПН забезпечує формування n + 1 груп по k вторинних напруг Uil..Uik з високою стабільністю в умовах зміни навантаження в широких межах.
Робота пропонованого ТПН здійснюється наступним чином. Генератор, що задає 1 формує два протифазних імпульсних сигналу, які через схеми 9, 10 затримки включення надходять на входи керованих ключових елементів 2.1, 2.2. Схеми 9, 10 виконуються на RD-ланцюгах (фіг.2), що забезпечують плавне наростання фронту керуючих напруг U 1, U 2 на входах ключових елементів 2.1, 2.2 і їх швидке вимкнення при формуванні спаду імпульсів. Таким чином в пропонованому ТПН реалізується затримка 
3 включення, під час якої ключові елементи 2.1, 2.2 одночасно знаходяться в закритому стані. При цьому траєкторія зміни V вихідної напруги КУМ 2 формується перезарядом ємностей дільника 11 струмом дроселя 3. Потім струм дроселя змінює напрямок і здійснюється перезаряд конденсатора 4 до напруги Е, при якому відкриваються рекуперативні діоди 12 або 13. При цьому амплітуда напруги на первинній обмотці залишається незмінною для опору навантаження в діапазоні R н> R 0 від номінального значення до холостого ходу. Відповідно підтримується сталість випрямленої вторинної напруги.
У разі перевантаження при зменшенні опору навантаження R н від номінального значення до короткого замикання вихідна напруга зменшується з умови підтримки максимальної амплітуди вихідного струму.
Граничний режим роботи при максимальній вихідній потужності забезпечується за однакової кількості R н = R 0. У цьому випадку вся енергія, збережена в дроселі 3 при перезаряді конденсатора 4, передається в навантаження за вирахуванням енергії, достатньої для перезарядження конденсаторів дільника 11.
Для кожного напівперіоду роботи пристрою можна виділити моменти часу t 1, t 2, t 3, t 4, t 5 (фіг.4) і відповідні часові інтервали, що визначають роботу схеми,
t 1.2 - часовий інтервал перезаряду сумарною ємності С о, конденсаторів другого ємнісного дільника 11;
t 2.3 - час провідності зворотних діодів ключових елементів 2.1 або 2.2;
t 3.4 - часовий інтервал перезаряду ємності С р конденсатора 4;
t 4.5 - час протікання струму через транзистори ключових елементів 2.1 або 2.2.
Формування квазірезонансного траєкторії перемикання можливо при виконанні двох умов. По-перше, енергія індуктивності L дроселя 3 до моменту виключення проводить ключового елемента і відповідна максимальному I м вихідному струму КУМ повинна бути достатньою для зміни напруги на ємності С о на величину 2Е
По-друге, час затримки 3 повинно бути достатнім для перезарядження ємності С о і не перевищувати часу провідності зворотних діодів ключових елементів 2.1, 2.2
При виконанні цих умов швидкість зміни вихідної напруги КУМ 2 не перевищує значення
Час перезарядження конденсатора 4 в пропонованому пристрої, відповідне квазігармоніческіх зміни напруги U з (фіг.4), становить
Максимальна амплітуда i L (фіг.4) вихідного струму КУМ 2 в номінальному режимі, відповідному максимальному вихідному струму i M випрямляча, визначається виразом
При виборі параметрів схеми з умови отримання характеристичної частоти o = (2-3) р для частоти перемиканні п = 2 / T (T - період перемикань), що дорівнює п = (0,3-0,5) р, забезпечується зміна амплітуди вихідного струму КУМ 2 не більше ніж на 20-30% в широкому діапазоні зміни навантаження від режиму короткого замикання до режиму холостого ходу (XX).
Для діапазону навантажень від R н до XX в пропонованому пристрої забезпечується постійне вторинна напруга, величина якого визначається первинним напругою Е і, коефіцієнтом трансформації трансформатора 6 U н = К Е.
У свою чергу, використання схем 9, 10 затримки включення в поєднанні з включенням ємнісного дільника 11 дозволяє забезпечити плавні траєкторії зміни напружень у всіх елементах схеми. Тим самим досягається практичне усунення кондуктивних ВЧ перешкод, що проникають в шини вторинного напруги через прохідні ємності електромагнітних елементів і паразитні об'ємні ємності несе конструктиву пристрою.
Проведений аналіз роботи запропонованого пристрою підтверджує рішення задачі підвищення стабільності навантажувальних характеристик ТПН при поліпшенні показників якості вихідних вторинних напруг за допомогою введення нової сукупності істотних ознак.
Проведені експериментальні дослідження виявили переваги заявленого технічного рішення ТПН в порівнянні з аналогами і прототипом. У пристрої-прототипі при зміні навантаження в діапазоні від номінального значення R н = R o до R н = 10 R 0 вторинна напруга змінюється більш ніж в два рази, а розмах ВЧ пульсації досягає 1%. У пропонованому пристрої при тих же умовах зміна вторинної напруги не перевищує 10% при розмаху ВЧ пульсацій менше 0,2%. При цьому пропонований пристрій забезпечує стійку роботу в режимах струмового перевантаження і короткого замикання.
Зазначені гідності схеми ТПН можуть бути ефективно використані в багатоканальних системах вторинного електроживлення, що забезпечують формування вторинних напруг для різних груп споживачів з різними режимами роботи.
Перевагою схеми фіг.3 є відсутність впливу режимів струмового перевантаження, можливих в одній з n груп вихідних напруг, на формування інших груп вторинних напруг. Така характеристика багатоканального ТПН є необхідною умовою його використання в багатофункціональних пристроях з великою кількістю груп споживачів. Сукупність нововведених блоків і зв'язків забезпечує рішення задачі розширення функціональних можливостей пропонованого ТПН при поліпшених показниках ЕМС і підвищенні стабільності навантажувальних характеристик.
Для апробації технічних переваг запропонованого пристрою в порівнянні з відомими ТПН були виготовлені експериментальні зразки багатоканальних ІВЕП (джерел вторинного електроживлення) за відомими схемами [1-3] і за пропонованою схемою (фіг.3).
Експериментальні зразки використовувалися для електроживлення приймальної апаратури гідроакустичних широкосмугових систем з смугою частот від сотень Гц до десятків кГц. Були проведені дослідження власних шумів, приведених до входу прийомних підсилювачів, при харчуванні апаратури від джерел зовнішнього електроживлення різного типу. Результати вимірювань спектрограм для двох варіантів електроживлення представлені на фіг.5, б. Аналіз результатів вимірювань показує, що власні шуми приймальної апаратури при електроживленні від пропонованого ТПН (фіг.5б) значно (більш ніж на 20 дБ) менше, ніж при харчуванні від відомих ТПН. В спектрі шумів (фіг.5б) практично відсутні (менше 0,1 мкВ) складові частот перемикання (50-60 кГц), а складові в робочій смузі частот приймальної апаратури не перевищують 0,2 мкВ. При електроживленні від відомого пристрою в смузі робочих частот шуми досягають 10 мкв, а складові частоти перемикання досягають 50 мкв. Відповідно поліпшення характеристик ЕМС пропонованого технічного рішення ТПН дозволяє значно поліпшити характеристики приймальної апаратури.
Таким чином, апробація запропонованого і відомих технічних рішень підтвердила безсумнівні переваги заявленого пристрою, яке може бути запропоновано до використання для електроживлення багатофункціональної апаратури з підвищеними вимогами до якості вторинних напруг електроживлення.
ДЖЕРЕЛА ІНФОРМАЦІЇ
1. р.Северн, Г.Блум. "Імпульсні перетворювачі постійної напруги для систем вторинного електроживлення" - М .: Вища школа, 1988 г. - 294 с.
2. Авторське свідоцтво №1603511, МКІ Н 02 М 7/538. Двотактний транзисторний конвертор / В.А.Александров і ін., Опубл. в БІ №40 від 30.10.90 р
3. Авторське свідоцтво №1628191, МКІ Н 03 К 5/02. Двотактний конвертор / В.А.Александров і ін., Опубл. в БІ №6 від 15.02.91 р
4. Імпульсні джерела живлення: тенденції розвитку / Дж.Бассет. Електроніка, 1988, №1, с.71-77.
ФОРМУЛА ВИНАХОДУ
1. Перетворювач постійної напруги, що містить ключовий підсилювач, виконаний на двох ключових елементах, включених по полумостовой схемою, шини електроживлення якого підключені до входів ємнісного дільника і до шин первинної напруги, що задає генератор, вихід ключового підсилювача через послідовно з'єднані дросель і конденсатор підключений до середньої точці першого ємнісного дільника, причому паралельно конденсатору підключена первинна обмотка трансформатора, вторинна обмотка якого через випрямляч і ємнісний фільтр з'єднана з шинами вторинного напруги, що відрізняється тим, що введені перша і друга схеми затримки включення, перший і другий діоди і другий ємнісний дільник, включений між шинами первинної напруги і приєднаний середньої точкою до виходу ключового підсилювача, перший і другий входи якого через першу і другу схеми затримки включення з'єднані з прямим і інверсним виходом генератора, що задає, при цьому перший і другий діоди включені послідовно зворотного провідністю між шинами первинної напруги, а середня точка з'єднання діодів підключена до точки з'єднання дроселя і конденсатора.
2. Перетворювач по п.1, що відрізняється тим, що введено n додаткових дроселів і n додаткових конденсаторів, n додаткових ємнісних дільників і n додаткових трансформаторів, кожен з яких містить одну первинну і k вторинних обмоток, а й N = kn додаткових випрямлячів і N додаткових ємнісних фільтрів, причому n додаткові дроселі і конденсатори включені між виходом ключового підсилювача і середніми точками відповідних n додаткових ємнісних дільників, входи яких підключені до шин первинної напруги, при цьому первинні обмотки n додаткових трансформаторів включені паралельно відповідним n додатковим конденсаторам, а k вторинних обмоток кожного з n додаткових трансформаторів підключені через відповідні послідовно включені додаткові випрямлячі і ємнісні фільтри до шин N вторинних вихідних напруг.
Версія для друку
Дата публікації 17.02.2007гг
Коментарі
Коментуючи, пам'ятайте про те, що зміст і тон Вашого повідомлення можуть зачіпати почуття реальних людей, проявляйте повагу та толерантність до своїх співрозмовників навіть у тому випадку, якщо Ви не поділяєте їхню думку, Ваша поведінка за умов свободи висловлювань та анонімності, наданих інтернетом, змінює не тільки віртуальний, але й реальний світ. Всі коменти приховані з індексу, спам контролюється.