ОДНОТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР

ОДНОТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР


RU (11) 2037946 (13) C1

(51) 6 H02M3/335 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 93034077/07 
(22) Дата подачи заявки: 1993.07.05 
(45) Опубликовано: 1995.06.19 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Поликарпов А.Г. и др. Однотактные преобразователи напряжения в устройствах электропитания РЭА, М.: Радио и связь, 1989, с.90, рис.3,7. 2. Там же, рис.3.21. 3. Там же, рис.3.23. 4. Там же, рис.3.19а. 
(71) Заявитель(и): Горянский Игорь Семенович 
(72) Автор(ы): Горянский Игорь Семенович 
(73) Патентообладатель(и): Горянский Игорь Семенович 

(54) ОДНОТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР 

Использование: при проектировании источников вторичного электропитания. Сущность изобретения: конвертор содержит входные выводы для подключения входного напряжения, выходные выводы для подключения нагрузки, первый трансформатор с первичной и вторичной обмотками, второй трансформатор с первичной и вторичной обмотками, ключ, первый и второй конденсаторы и диод. Коммутирующая цепь конвертора содержит последовательно соединенные первичную обмотку первого трансформатора и ключ, а коммутируемая цепь конвертора - последовательно соединенные вторичную обмотку первого трансформатора и диод. В конверторе с компенсацией пульсаций входного тока параллельно коммутирующей цепи включена последовательная цепь из первого конденсатора и первичной обмотки второго трансформатора и подключенная к входным выводам конвертора через дополнительную первичную обмотку первого трансформатора. Коммутируемая цепь подключена через вторичную обмотку второго трансформатора к выходным выводам, зашунтированным вторым конденсатором. В конверторе с компенсацией пульсаций выходного тока параллельно коммутируемой цепи включена последовательная цепь из второго конденсатора и вторичной обмотки второго трансформатора и подключенная к выходным выводам конвертора через дополнительную вторичную обмотку первого трансформатора, а коммутирующая цепь подключена через первичную обмотку второго трансформатора к входным выводам, зашунтированным первым конденсатором. 3 с. и 1 з.п. ф-лы, 4 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках вторичного электропитания.

Известен однотактный конвертор с обратным включением диода [1] недостатком которого является прерывистый характер входного и выходного токов, что в большинстве случаев требует применения громоздких фильтров.

Модификацией указанной схемы получены однотактные конверторы с устранением (компенсацией) пульсаций входного или выходного токов [2]

Недостатком этих устройств является их громоздкость, вызванная наличием второго трансформатора, соизмеримого по габаритам с первым из-за полного входного напряжения, прикладываемого к его обмоткам.

Известен также однотактный конвертор с одновременной компенсацией пульсаций входного и выходного токов [3] который также характеризуется неудовлетворительными массообъемными показателями из-за наличия двух дополнительных трансформаторов, соизмеримых по тем же причинам с габаритами первого.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению и совпадающим с ним по назначению является однотактный конвертор [4] в котором первый дроссель и последовательно соединенный с ним полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, подключенную к входным выводам конвертора, второй дроссель и последовательно соединенный с ним диод об- разуют коммутируемую цепь, подключенную к выходным выводам конвертора, трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют первую шунтирующую цепь, подключенную параллельно полупроводниковому ключу, а вторичная обмотка и последовательно соединенный с ней другой конденсатор образуют вторую шунтирующую цепь, подключенную параллельно диоду.

Недостатком известного решения являются неудовлетворительные массообъемные показатели из-за значительных габаритов дросселей, что объясняется полным входным напряжением, прикладываемым к их обмоткам, кроме того, в известном устройстве невозможно обеспечить полное устранение пульсаций токов дросселей при конечном значении их индуктивностей.

Целью изобретения является уменьшение габаритов конвертора и устранение пульсаций входного и выходного токов.

Это достигается тем, что с целью компенсации пульсаций входного тока, в устройство, содержащее первый трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, второй трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют шунтирующую цепь, вторичные обмотки первого и второго трансформаторов через другой полупроводниковый ключ (диод) подключены к выходным выводам, зашунтированным другим конденсатором, введена дополнительная обмотка первого трансформатора, через которую указанные коммутирующая и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к входным выводам конвертора.

Кроме того, с целью компенсации пульсаций выходного тока, в устройство, содержащее первый и второй трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и через полупроводниковый ключ подключены к входым выводам, зашунтированным конденсатором, причем вторичная обмотка первого трансформатора и последовательно соединенный с ним другой полупроводниковый ключ (диод) образуют коммутируемую цепь, а вторичная обмотка второго трансформатора и последовательно соединенный с ней другой конденсатор образуют шунтирующую цепь, введена дополнительная обмотка первого трансформатора, через которую коммутируемая и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к выходным выводам конвертора.

Кроме того, с целью одновременной компенсации пульсаций входного и выходного токов, в устройство, содержащее первый трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, а вторичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней другой полупроводниковый ключ (диод) образуют коммутируемую цепь, второй трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют вторую шунтирующую цепь, введены две дополнительные обмотки первого трансформатора, через одну из которых коммутирующая и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к входным выводам, а через другую коммутируемая и параллельная ей вторая шунтирующая цепи подключены к выходным выводам конвертора. Кроме того, введен дополнительный двухобмоточный дроссель, первичная обмотка которого включена в цепь одного из входных выводов, а вторичная обмотка включена в цепь одного из выходных выводов конвертора.

Таким образом, введением по крайней мере одной дополнительной обмотки первого трансформатора, через которую коммутирующая (коммутируемая) и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к выводам конвертора, обеспечивается конкретная задача по устранению пульсаций тока на входе и выходе конвертора. Тем самым, имеем три варианта устройства, объединенные общим замыслом и реализованные единым техническим приемом.

В отличие от прототипа в предложенных вариантах устройства обеспечивается полное устранение пульсаций входного и выходного токов при конечном значении используемых индуктивных элементов. Кроме того, к обмоткам второго трансформатора приложено не полное входное напряжение, а во много раз меньшее, поэтому габариты второго трансформатора, а равно и габариты устройства, оказываются существенно меньше, чем у прототипа.

Таким образом, перечисленные признаки заявляемого объекта являются существенными, поскольку каждый из них необходим, а их совокупность достаточна для достижения поставленной цели уменьшения габаритов конвертора, а также устранения пульсаций на его входе и выходе.

На фиг. 1-3 изображены варианты реализации предлагаемого устройства, с компенсацией пульсаций входного и выходного токов, где 1 и 2 выводы для подключения входного напряжения, 3 и 4 выводы для подключения нагрузки, 5 первый трансформатор с первичной 6 и вторичной 8 обмотками, 10 второй трансформатор с первичной 11 и вторичной 12 обмотками, 13 полупроводниковый ключ, 14 первый конденсатор, 15 второй конденсатор, 16 диод, 7 и 9 дополнительные обмотки трансформатора 5, 17 дроссель с первичной 18 и вторичной 19 обмотками.

Коммутирующая цепь образована последовательно соединенными обмоткой 6 и ключом 13, а коммутируемая цепь последовательно соединенными обмоткой 8 и диодом 16.

Обозначим N и n .

В установившемся режиме конденсатор 13 заряжен до входного напряжения Е, а конденсатор 14 до напряжения нагрузки Uн.

В конверторе с компенсацией пульсаций входного тока (фиг. 1) к выводам 1 и 2 через обмотку 7 подключена коммутирующая цепь, параллельно которой включена шунтирующая цепь из конденсатора 14 и обмотки 11, коммутируемая цепь через обмотку 12 подключена к выводам 3 и 4, зашунтированным конденсатором 15.

В конверторе с компенсацией пульсаций входного тока (фиг. 2) к выводам 3 и 4 через обмотку 9 подключена коммутируемая цепь, параллельно которой включена шунтирующая цепь из конденсатора 15 и обмотки 12, коммутирующая цепь через обмотку 11 подключена к выводам 1 и 2, зашунтированным конденсатором 14.

В конверторе с одновременной компенсацией пульсаций входного и выходного тока (фиг. 3) к выводам 1 и 2 через обмотки 7 и 18 подключена коммутирующая цепь, параллельно которой включена шунтирующая цепь из конденсатора 14 и обмотки 11, к выходным выводам 3 и 4 через обмотки 9 и 19 подключена коммутируемая цепь, параллельно которой включена шунтирующая цепь из конденсатора 15 и обмотки 12.

Из схем видно, что по переменному току трансформатор 10 подключен параллельно дополнительной обмотке трансформатора 5. Если L5-индуктивность обмотки 6 трансформатора 5, а L10 индуктивность обмотки 11 трансформатора 10, то эквивалентная индуктивность трансформатора 5, приведенная к первичной стороне, равна:

L5экв= L5L10 (1+n)2/(n2L5+L10) (1).

Средний ток конденсаторов в установившемся режиме равен нулю, поэтому средний ток подмагничивания трансформатора 10, приведенный к первичной стороне равен для фиг. 1 приведенному току нагрузки IН'N IН, для фиг. 2: входному току IЕ, для фиг. 3: нулю.

Через первичную и вторичную обмотки трансформатора 5 токи протекают в одном направлении, поэтому средний ток подмагничивания L5экв равен сумме средних входного и выходного токов конвертора IЕ+IН Поскольку к трансформатору 10 прикладывается в (n+1)/n раз меньшее напряжение, чем к L5экв, то отношение пульсаций токов намагничивания равно i5/i10=L10(1+n)/L5экв.

В дополнительной обмотке трансформатора 5 при этом протекает разностный ток пульсаций, равный i5- i10. При условии L10=L5экв/(n+1) (2), пульсации тока в дополнительной обмотке оказываются равны нулю, чем с учетом (1) соответствует L10=(1+n-n2) L5 (3) и L5экв=(1+n)(1+n-n2)L5 (4).

На фиг. 4 изображены временные диаграммы электрических процессов в схемах конверторов в режиме компенсации.

Схема фиг. 1 работает следующим образом. При замыкании ключа 13 диод 16 запирается, а через ключ 13 протекает возрастающий ток намагничивания i5экв под действием приложенного к L5экв напряжения Е. Конденсатор 14 разряжается током намагничивания трансформатора 10, равным i10(1), который возрастает под действием приложенного к индуктивности L10 напряжения En/1(1+n). Входной ток конвертора и ток обмотки 7, равный разности i5экв и i10(1) при этом постоянен и равен IЕ. Конденсатор 15 разряжается током нагрузки IН.

При размыкании ключа 13 ток намагничивания трансформатора 5, равный i5экв/N, переключается в цепь диода 16, который отпирается. При этом происходит переполюсовка напряжения на обмотках трансформаторов 5 и 10, под действием чего начинается уменьшение токов намагничивания L5экв и L10, при отрицательных напряжениях UН' и UН' n/(1+n) соответственно. На этом этапе через конденсатор протекает разностный ток i5экв/N-IН. Протекающий через обмотку 12 ток диода 16 трансформируется в обмотку 11 и за вычетом тока намагничивания i10(1) протекает через входную цепь конвертора, заряжая конденсатор 14 постояным током, равным IЕ.

Схема фиг. 2 работает следующим образом. При замкнутом ключе 13 диод 16 заперт и через ключ протекает ток i5экв, конденсатор 14 при этом разряжается разностным током i5экв-IЕ. Трансформируясь в обмотку 12 ток ключа i5экв/N за вычетом тока намагничивания i10(2)/N протекает через обмотку 9, нагрузку и конденсатор 15, который разряжается постоянным током, равным IН. При размыкании ключа 13 отпирается диод 16, через который начинает протекать трансформированный ток намагничивания i5экв/N, при этом конденсатор 15 заряжается током намагничивания i10(2)/N, а в нагрузке протекает разностный ток [i5экв-i10(2)] N, постоянный по величине и равный IН. Конденсатор 14 на этом этапе заряжается током IЕ.

Схема фиг. 3 работает следующим образом. При допущении бесконечной индуктивности дроссели 17, входной и выходной токи конвертора не имеют пульсаций. При замкнутом ключе 13 диод 16 заперт, а в выходной цепи конвертора через обмотки 12 и 9 протекает постоянный ток IН, разряжающий конденсатор 15.

Этот ток, трансформированный в обмотку 11 за вычетом тока намагничивания i10(3), разряжает конденсатoра 14. При этом ток обмотки 7 и соответственно входной ток конвертора постоянен и равен IЕ. При размыкании ключа 13 отпирается диод 16 и ток IЕ, заряжающий конденсатор 14, трансформируясь в обмотку 12 за вычетом тока намагничивания трансформатора 10, заряжает конденсатор 15 током [IЕ-i10(3)] /N. Этот ток вычитается из тока , равного току диода 16, в результате чего ток обмотки 9, а следовательно, и выходной ток конвертора постоянен и равен IН.

Ток подмагничивания дросселя 17 очень мал за счет встречного протекания по его обмоткам токов IЕ и IН, и при условии Е=UН' равен нулю, поэтому индуктивность дросселя 17 может быть выбрана очень большой при малых его габаритах. В реальной схеме выбирают L17 10 L5экв. Кроме того, благодаря отсутствию тока В подмагничивания трансформатора 10, его габариты также оказываются очень малыми.

По сравнению с прототипом габариты трансформатора 10 во всех предложенных вариантах конверторов имеют значительно меньшие габариты, поскольку значение n может быть выбрано очень малым и при n<< 1 к обмоткам указанного трансформатора прикладывается во много раз меньшее напряжение.

Отметим, что область применения изобретения не ограничивается одноканальными по выходу конверторами, и количество каналов может быть любым при соответствующем дублировании вторичных цепей.

Таким образом предложенные включения приводят к уменьшению габаритов конвертора и устранению пульсаций на его выводах. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. ОДНОТАКТНЫЙ КОНВЕРТОР, содержащий первый трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, второй трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют шунтирующую цепь, вторичные обмотки первого и второго трансформаторов соединены последовательно и через другой полупроводниковый ключ подключены к выходным выводам, зашунтированным другим конденсатором, отличающийся тем, что в него введена дополнительная обмотка первого трансформатора, через которую указанные коммутирующая и паралельная ей шунтирующая цепи подключены к входным выводам конвертора.

2. Однотактный конвертор, содержащий первый и второй трансформаторы, первичные обмотки которых соединены последовательно и через полупроводниковый ключ подключены к входным выводам, зашунтированным конденсатором, причем вторичная обмотка первого трансформатора и последовательно соединенный с ней другой полупроводниковый ключ образуют коммутируемую цепь, а вторичная обмотка второго трансформатора и последовательно соединенный с ней другой конденсатор образуют шунтирующую цепь, отличающийся тем, что в него введена дополнительная обмотка первого трансформатора, через которую указанная коммутируемая и параллельная ей шунтирующая цепи подключены к выходным выводам конвертора.

3. Однотактный конвертор, содержащий первый трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней полупроводниковый ключ образуют коммутирующую цепь, а вторичная обмотка и последовательно соединенный с ней другой полупроводниковый ключ образуют коммутируемую цепь, второй трансформатор, первичная обмотка которого и последовательно соединенный с ней конденсатор образуют первую шунтирующую цепь, а вторичная обмотка и последовательно соединенный с ней другой конденсатор вторую шунтирующую цепь, отличающийся тем, что в него введены две дополнительные обмотки первого трансформатора, через одну из которых коммутирующая и параллельная ей первая шунтирующая цепи подключены к входным выводам, а через другую коммутируемая и параллельная ей вторая шунтирующая цепи подключены к выходным выводам конвертора.

4. Конвертор по п.3, отличающийся тем, что в него введен двухобмоточный дроссель, первичная обмотка которого включена в цепь одного из входных выводов, а вторичная обмотка в цепь одного из выходных выводов конвертора.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru