Изобретение относится к устройствам преобразования входной электрической энергии в выходную электрическую энергию с необходимыми параметрами для питания соответствующих потребителей электрической энергии.

Широкое распространение в электротехнике нашли импульсные источники питания. В импульсных источниках питания для генерации выходного напряжения используется эффект накопления энергии в катушках индуктивности с последующей передачей накопленной энергии потребителю (нагрузке). При помощи электронных ключей к катушке индуктивности периодически (импульсно) подводят напряжение первичного источника питания. Импульсный ток, протекающий при этом через катушку индуктивности, обеспечивает накопление энергии в ее магнитном поле на каждом импульсе. Указанная энергия из катушки индуктивности передается в нагрузку непосредственно или через трансформатор. В схеме отсутствуют силовые элементы, рассеивающие электрическую мощность, кроме самой нагрузки. Электронные ключи работают в режиме насыщения и рассеивают незначительную мощность только в достаточно короткие временные промежутки. Повышение частоты переключения ключей позволяет увеличить мощность и улучшить массогабаритные характеристики устройства.

Примером импульсного источника питания является общеизвестная схема, широко используемая в электротехнике (http://lib.qrz.ru/book/export/html/3842).

Источник питания включает катушку индуктивности, подключенную к первичному источнику электрической энергии (входящая электрическая энергия) и соединенную с клеммами выходного напряжения (выходная электрическая энергия), которое передается на соответствующую нагрузку. Подключение катушки индуктивности к первичному источнику энергии выполнено путем соединения одного из концов катушки индуктивности с одним из полюсов первичного источника электроэнергии через электронный ключ и непосредственного соединения второго конца катушки индуктивности со вторым полюсом первичного источника электрической энергии. Вход электронного ключа соединен с выходом регулируемого генератора одно полярных импульсов.

Устройство работает следующим образом.

С помощью электронного ключа к катушке индуктивности периодически подводится напряжение первичного источника электрической энергии. Импульсный ток, протекающий через катушку индуктивности, обеспечивает накопление энергии в магнитном поле катушки на каждом импульсе. Указанная энергия в виде электрических импульсов передается от катушки индуктивности в контур нагрузки. Таким образом, осуществляется преобразование электрической энергии первичного источника в выходную электрическую энергию импульсного источника питания.

Известен источник питания системы электрического отопления (патент Украины на изобретение № 79817, МПК F24D 13/00, дата подачи заявки 25.02.2013). Источник питания включает катушку индуктивности, входной контур, через который катушка индуктивности подключается к первичному источнику электрической энергии, нагрузочный контур, через который катушка индуктивности подключается к нагрузке, электронные ключи и генератор одно полярных импульсов. Катушка индуктивности подключается к первичному источнику электрической энергии путем соединения ее концов с разноименными полюсами первичного источника электрической энергии через электронные ключи. Выход генератора одно полярных импульсов соединен с входами электронных ключей с обеспечением синхронной работы (синхронного включения/выключения) электронных ключей.

Устройство работает следующим образом.

Генератор генерирует периодические одно полярные импульсы. Эти импульсы подаются на входы электронных ключей с обеспечением синхронной работы (синхронное включение/выключение) электронных ключей. С помощью электронных ключей, периодически, в течение короткого времени на катушку индуктивности передается напряжение первичного источника электрической энергии. При протекании тока через катушку индуктивности образуется электромагнитное поле с заданным энергетическим потенциалом. При размыкании электронных ключей в катушке индуцируется ЭДС самоиндукции (при убывании тока в катушке возникает ЭДС самоиндукции, препятствующая убыванию тока). Энергия самоиндукции накапливается в магнитном поле индуктивной катушки на каждом импульсе. Запасенная таким образом энергия самоиндукции в виде электрических импульсов передается из индуктивной катушки к нагрузке при закрытых электронных ключах. Использование двух ключей, периодически соединяющих концы катушки с соответствующими полюсами первичного источника электрической энергии, повышает эффективность преобразования электрической энергии первичного источника в выходную электрическую энергию импульсного источника питания.

Общими признаками указанных аналогов и заявляемого решения являются: источник питания, содержащий первичный источник питания постоянного напряжения, катушку индуктивности, связанную с первичным источником питания и соединенную с нагрузкой, электронные ключи импульсной подпитки катушки индуктивности, а также генератор периодических импульсов, соединенный с указанными электронными ключами с обеспечением их синхронной работы.

Указанные источники питания представляют собой так называемый релаксационный осциллятор (не гармонический осциллятор), в котором выход отличается от гармонических колебаний и может иметь прямоугольную, треугольную, трапециевидную и другие формы. В таком осцилляторе амплитуда и частота колебаний определяются величиной и частотой внешнего периодического воздействия, характеристиками инерционности и диссипации системы. Такое выполнение ограничивает эффективность преобразования электрической энергии первичного источника в выходную электрическую энергию импульсного источника питания.

В качестве прототипа выбран источник питания импульсного типа, известный по патенту Украины на изобретение № 116293, МПК Н02М 7/00, Н02М 1/00, Н02М 7/48, Н02М 3/00, Н03К /00, НОЗК 3/53, дата подачи заявки 21.06.2016.

Источник питания содержит:

- входной контур, выполненный с возможностью подключения к первичному источнику постоянного тока;

- силовой контур, включающий катушку индуктивности и конденсаторы, последовательно соединенные с катушкой индуктивности с образованием последовательного колебательного контура, указанные конденсаторы являются входом колебательного контура, соединенного с первичным источником постоянного тока, два электронных ключа, выполненных с возможностью периодического соединение концов катушки индуктивности с входом колебательного контура (с первичным источником постоянного тока), генератор периодических импульсов, выход которого соединен с входами электронных ключей с обеспечением синхронного открытия/закрытия указанных электронных ключей;

- контур нагрузки, связанный с катушкой индуктивности.

Входной контур содержит два независимых выпрямительных блока (два независимых источника постоянного тока), при этом выходные полюса одного из выпрямительных блоков соединены с входом колебательного контура (с указанными конденсаторами, являющимися входом колебательного контура), а выходные полюса другого выпрямительного блока соединены с концами катушки индуктивности через указанные электронные ключи, управляемые генератором периодических импульсов.

Емкость конденсаторов и индуктивность катушки выбирают из условия возникновения гармонических автоколебаний в колебательном контуре с частотой в пределах 1-80 кГ ц. Период импульсов генератора кратен периоду автоколебаний в колебательном контуре. Коэффициент кратности периода импульсов генератора периоду автоколебаний в силовом контуре выбирают в пределах 1-10.

Источник питания работает следующим образом.

Устройство подключают к первичному источнику электрической энергии. Генератор генерирует периодические однополярные импульсы. Указанные импульсы подаются на входы электронных ключей с обеспечением синхронной работы (синхронного включения/выключения) электронных ключей. Посредством электронных ключей периодически, на короткое время в силовой контур (к катушке индуктивности) подаются импульсы энергии от выпрямительного блока входного контура. После подачи первого импульса энергии в силовом контуре возникают затухающие гармонические электрические колебания, частота которых определяется емкостными и индуктивными характеристиками элементов колебательного контура. Степень затухания автоколебаний определяется диссипативными характеристиками колебательного контура, а также величиной нагрузки источника питания. При периодической "подпитке" колебательного контура энергией, поступающей от первичного источника к катушке индуктивности через указанные электронные ключи, в колебательном контуре поддерживаются незатухающие гармонические автоколебания электрического тока.

Таким образом, в описанном источнике питания гармонические автоколебания поддерживаются периодическим подключением колебательного контура (катушки индуктивности) к первичному источнику постоянного тока с помощью электронных ключей, управляемых генератором периодических импульсов.

Общими признаками прототипа и заявляемого решения являются: источник питания, содержащий первичный источник питания постоянного напряжения, емкостные элементы и катушку индуктивности, образующие колебательный контур, вход которого соединен с первичным источником питания, а катушка индуктивности, как выход колебательного контура, соединенная с нагрузкой, два электронных ключа, соединяющих концы катушки индуктивности с входом колебательного контура, генератор периодических импульсов, выход которого соединен с указанными ключами с возможностью синхронного открытия/закрытия электронных ключей.

В указанном устройстве для поддержания незатухающих колебаний в колебательном контуре используется только энергия первичного источника питания. Указанное снижает отношение выходной энергии устройства к энергии, потребляемой от первичного источника питания, то есть ограничивает эффективность использования энергии первичного источника питания.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности использования энергии первичного источника питания.

Поставленная задача решается тем, что в источнике питания, содержащем первичный источник питания постоянного напряжения, емкостные элементы и катушку индуктивности, образующие колебательный контур, вход которого соединен с первичным источником питания, а катушка индуктивности, как выход колебательного контура, соединена с нагрузкой, два электронных ключа, соединяющих концы катушки индуктивности с входом колебательного контура, генератор периодических импульсов, выход которого соединен с указанными ключами с возможностью синхронного открытия/закрытия электронных ключей, в соответствии с изобретением, емкостные элементы выполнены в виде последовательного соединения трех конденсаторов, которое параллельно подключено к катушке индуктивности, входом колебательного контура являются точки последовательного соединения указанных конденсаторов, а генератор периодических импульсов выполнен с возможностью синхронного открытия/закрытия электронных ключей в моменты нулевого значения тока, протекающего через катушку индуктивности.

Указанные признаки являются существенными признаками изобретения, так как в своей совокупности обеспечивают достижение технического результата - повышение эффективности использования энергии первичного источника питания.

Повышение эффективности использования энергии первичного источника питания объясняется особенностями импульсной подпитки колебательного контура, позволяющими использовать энергию колебательного контура для поддержания незатухающих автоколебаний. Колебательный контур подпитывается энергией этого же колебательного контура. Это становится возможным при выполнении колебательного контура в виде последовательного соединения трех конденсаторов, параллельно подключенного к катушке индуктивности, входом которого являются точки последовательного соединения указанных конденсаторов, а генератора периодических импульсов - с возможностью синхронного открытия/закрытия электронных ключей в моменты нулевого значение тока, протекающего через катушку индуктивности.

Параметры конденсаторов и катушки индуктивности целесообразно выбрать из условия возникновения автоколебаний в колебательном контуре с частотой в пределах 50-60 Гц.

Периодичность импульсов генератора целесообразно выбрать в пределах 1-10 периодов автоколебаний в колебательном контуре, а длительность импульсов - в пределах от 1 до 10% периода автоколебаний в колебательном контуре.

Ниже приводится описание заявляемого источника питания со ссылками на чертежи, на которых показано:

Фиг. 1 - Источник питания, принципиальная схема.

Фиг. 2 - Источник питания, схема колебательного контура.

Фиг. 3 - Источник питания, осциллограммы колебаний напряжения и тока на участках цепи колебательного контура при подаче на катушку индуктивности единичного импульса.

Фиг. 4 - Источник питания, осциллограммы колебаний напряжения и тока на участках цепи колебательного контура при подаче на катушку индуктивности периодических импульсов.

Фиг. 5 - Источник питания, осциллограммы напряжения на нагрузке источника питания.

Источник питания включает входной блок 1 с первичным источником питания постоянного тока Е и диодами D1, D2, предотвращающими утечку энергии колебательного контура в первичный источник питания Е, силовой блок 2, представляющий собой колебательный контур, индуктивностью которого является первичная обмотка L1 трансформатора Т, выходной блок 3, включающий вторичную обмотку L2 трансформатора Т, выпрямитель V, сглаживающий конденсатор Сф и нагрузку RH (фиг. 1).

Колебательный контур (фиг. 2) содержит емкостной элемент, выполненный в виде трех последовательно соединенных конденсаторов С2-С1-СЗ и катушки индуктивности L1, являющейся первичной обмоткой трансформатора Т. Последовательное соединение конденсаторов С2-С1-СЗ подключено параллельно к концам катушки индуктивности L1. Входом колебательного контура являются точки последовательного соединения конденсаторов С2-С1 (точка А) и С1-СЗ (точка Б). Указанный вход А-Б колебательного контура соединен с входным блоком (с источником постоянного тока Е). Колебательный контур содержит средства поддержания автоколебаний в колебательном контуре, которые выполнены в виде двух электронных ключей Q1 , Q2, соединяющих концы катушки индуктивности L1 с входом А-Б колебательного контура, а также генератор периодических импульсов G, выход которого соединен с указанными электронными ключами Q1 , Q2 с обеспечением их синхронного открытия/закрытия в моменты нулевого значения тока, протекающего через катушку индуктивности L1.

Синхронизация открытия/закрытия ключей Q1 , Q2 с моментами нулевого значения тока, протекающего через катушку индуктивности L1 , выполняется с использованием датчика тока (например, датчика Холла) в катушке индуктивности L1. Выходной сигнал указанного датчика подается на управляющий вход генератора импульсов G. При нулевом значении тока, протекающего через катушку L1 , генератор выдает команду (импульсы) для открытия/закрытия электронных ключей Q1 , Q2.

Емкостные параметры конденсаторов С2, С1 , СЗ и индуктивность катушки L1 выбирают из условия возникновения автоколебаний в колебательном контуре с частотой в пределах 50-60 Гц. Периодичность импульсов генератора G выбирают в пределах 1-10 периодов автоколебаний в колебательном контуре, а длительность импульсов - в пределах от 1% до 10% периода автоколебаний в колебательном контуре.

При подаче единичного импульса тока в катушку индуктивности L1 в колебательном контуре возникают затухающие гармонические автоколебания.

При периодической подаче импульсов тока в катушку индуктивности L1 через ключи Q1 , Q2, управляемые генератором G, гармонические автоколебания в контуре носят незатухающий характер.

Существенно то, что периодические подпитывающие токовые импульсы подаются в катушку индуктивности L1 в моменты, когда ток в катушке индуктивности L1 имеет нулевое значение при максимальном значении напряжения на ней. В указанные моменты ток, протекающий через обкладки конденсаторов С2, СЗ, соединенных с обкладками конденсатора С1 , имеет максимальное значение. В этот момент времени колебательный контур через ключи Q1 , Q2 подпитывается импульсной токовой энергией, подаваемой к катушке индуктивности L1. Соблюдение этого условия позволяет использовать энергию колебательного контура для поддержания незатухающих колебаний без использования энергии первичного источника питания Е. Энергия первичного источника питания Е используется только для компенсации токов утечки конденсатора С1 и других элементов схемы. Это позволяет повысить отношение выходной энергии к энергии, потребляемой от первичного источника питания, то есть повысить эффективность использования энергии первичного источника питания.

На фиг. 3, 4, 5 показаны осциллограммы напряжений и токов, объясняющих работу устройства.

На фиг, 3 показаны осциллограммы колебаний напряжения и тока на разных участках колебательного контура при подаче на катушку индуктивности L1 единичного импульса: За - колебания напряжения UL1 на катушке индуктивности L1 ; 36 - колебания тока IL1 в катушке индуктивности L1; Зв - колебания напряжения UC1 на конденсаторе С1 ; Зг - колебания тока IC1 в конденсаторе С1 ; Зд - колебания напряжения UC2 на конденсаторе С2; Зе - колебания тока IC2 в конденсаторе С2; Зж - колебания напряжения UC3 на конденсаторе СЗ; Зк - колебания тока IC3 в конденсаторе СЗ.

Колебания носят затухающий характер. Время затухания колебаний определяется добротностью колебательного контура и величиной нагрузки, присоединенной к контуру.

На фиг, 4 показаны осциллограммы колебаний напряжения и тока на разных участках колебательного контура при подаче на катушку индуктивности L1 периодических импульсов: 4а - импульсы тока IQ1 через ключ Q1; 46 - импульсы тока IQ2 через ключ Q2; 4в - колебания напряжения UL1 на катушке индуктивности L1; 4г - колебания тока IL1 в катушке индуктивности L1 ; 4д - колебания напряжения UC1 на конденсаторе С1; 4е - колебания тока IC1 на конденсаторе 01; 4ж - колебания напряжения UC2 на конденсаторе С2; 4к - колебания тока IC2 в конденсаторе 02; 4л - колебания напряжения UC3 на конденсаторе СЗ; 4м - колебания тока IC3 в конденсаторе СЗ.

Колебания имеют незатухающий характер, так как колебательный контур периодически подпитывается энергией колебательного контура через ключи Q1 , Q2. В приведенном примере периодичность подпитки (периодичность импульсов генератора G) равна трем периодам автоколебаний в колебательном контуре.

На фиг. 5 показаны осциллограммы напряжения на элементах выходного блока 3: 5а - импульсы тока через ключ Q1 , частота импульсов генератора G равна ЗТ; 56 - импульсы тока через ключ Q2, частота импульсов генератора G равна ЗТ; 5в - напряжение на вторичной обмотке L2 трансформатора Т, частота импульсов генератора G равна ЗТ; 5г - напряжение на нагрузке RH после выпрямления, частота импульсов генератора G равна ЗТ, 5д - напряжение на нагрузке H после сглаживания пульсаций, частота импульсов генератора G равна ЗТ, 5е - импульсы тока через ключ Q1, частота импульсов генератора G равна 2Т; 5ж - импульсы тока через ключ Q2, частота импульсов генератора G равна 2Т; 5к - напряжение на вторичной обмотке L2 трансформатора Т, частота импульсов генератора G равна 2Т; 5л - напряжение на нагрузке RH после выпрямления, частота импульсов генератора G равна 2Т, 5м - напряжение на нагрузке RH после сглаживания пульсаций, частота импульсов генератора G равна 2Т.

Пример источника питания, в котором реализовано заявленное решение.

Параметры элементов схемы:

1. Первичный источник питания Е - выпрямленное напряжение 310 В.

2. Диоды D1 , D2 - MD200S16M3 (MDA110-20).

3. Электронные ключи Q1 , Q2 - транзисторы 1 MBI 600РХ-120, 1200 В, 600 А.

4. Конденсатор С1 - пленочный, неполярный 5000 мкФ, 5000 В.

5. Конденсатор С2 - пленочный, неполярный 1000 мкФ, 5000 В.

6. Конденсатор СЗ - пленочный, неполярный 1000 мкФ, 5000 В.

7. Генератор G - контролер Arduino mega 2560, прямоугольные импульсы длительностью 1,2 мс, частота импульсов 50 Гц.

8. Трансформатор Т - воздушный, первичная обмотка содержит 296 витков, намотанных медной фольгой шириной 220 мм, толщиной 0,2 мм на диаметр 160 мм, вторичная обмотка содержит 250 витков, намотанных такой же медной фольгой, как и первичная обмотка.

9. Нагрузка RH - активная 3.2 Ом.

При указанных параметрах элементов схемы частота автоколебаний в колебательном контуре составляет 50 Г ц.

Энергетические параметры:

1. Мощность, потребляемая от первичного источника питания Е - 713 Вт при постоянном напряжении источника питания 310 В и потребляемом токе 2,3 А.

2. Мощность, передаваемая в нагрузку RH - 30 кВт при переменном синусоидальном напряжении на вторичной обмотке L2 трансформатора Т 310 В и токе 98