Область техники.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и может быть использовано для преобразования постоянного или переменного напряжения в напряжение другого уровня в преобразователях электрической энергии, которые не требуют гальванической развязки входных и исходных цепей: преобразователях, формирователях, стабилизаторах, корректорах, нормализаторах постоянного или переменного напряжения, источниках вторичного электропитания, системах дистанционного и распределенного электропитания и электроснабжения, и т.п.

Предшествующий уровень техники.

Широко известным является способ преобразования электрической энергии постоянного тока, который заключается в преобразовании входного напряжения источника первичного электропитания в высокочастотные импульсы переменной полярности с помощью инвертора, последующего преобразования амплитуды импульсов с помощью высокочастотного трансформатора, выпрямление с помощью выпрямителя и уменьшения уровня высокочастотных пульсаций с помощью сглаживающего фильтра ( Б.Ю. Семенов. Силовая электроника от простого к сложному. М.: СОЛОН-Пресс. 2005, стр. 343 - 356; Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под ред. Г. С. Найвельта. М.: Радио и связь. 1986, стр. 360 - 368). Регулирование электрической энергии в таких преобразователях происходит за счет изменения относительной длительности высокочастотных импульсов (широтно-импульсная модуляция) или за счет изменения частоты импульсов (частотно-импульсная модуляция) на основе измерений входного напряжения устройством управления.

Для преобразования электрической энергии переменного тока также широко известны статические преобразователи электрической энергии с двойным преобразованием, в которых переменное напряжение источника первичного электропитания сначала превращается в постоянное с помощью выпрямителя, потом постоянное напряжение с помощью инвертора превращается в высокочастотные импульсы постоянной или переменной полярности в зависимости от того какое напряжение (постоянное или переменное) нужно получить на выходе и последующего сглаживания высокочастотных пульсаций (Б.Ю. Семенов. Силовая электроника. Профессиональные решения. М: СОЛОН - Пресс, ДМК Пресс. 201 1 , стр. 14 - 22). Наиболее близким техническим решением по большинству существенных признаков, избранны в качестве прототипа, является способ преобразования переменного напряжения (Заявка 2002135013/09, 16.12.2002, патент RU 2266608 С2 ) , которой заключается в преобразовании синусоидального напряжения с помощью инвертора в последовательность высокочастотных импульсов переменной полярности модулируемых по амплитуде и длительности, с последующим их выпрямлением и сглаживанием высокочастотных пульсаций, что позволяет получить на выходе выходного сглаживающего фильтра синусоидальное напряжение частоты источника первичного электропитания. Амплитуда исходного напряжения пропорциональна относительной длительности высокочастотных импульсов, а фаза может изменяться на противоположную при изменении фазы работы ключей синхронного выпрямителя.

При использовании указанных способов общая мощность преобразуемой энергии, мощность инвертора, который формирует высокочастотные импульсы, трансформатора, который преобразует их амплитуду, равняется мощности нагрузки. Поскольку потери электрической энергии при преобразовании, масса, габариты и стоимость преобразователя, напрямую зависят от величины преобразуемой энергии, это приводит к ухудшению технико-экономических показателей преобразователя: снижению коэффициента полезного действия, повышению массы, габаритов и стоимости устройства.

Раскрытие изобретения.

Задачей изобретения является усовершенствование способа преобразования напряжения путем формирования выходного напряжения как суммы входного напряжения и высокочастотных импульсов нужной полярности, которая обеспечит повышение технико-экономических показателей преобразователей: уменьшение массы, габаритов и стоимости и повышения коэффициента полезного действия.

Поставленная задача решается тем, что в способе преобразования напряжения в заданное напряжение другого уровня, которое заключается в том, что входное напряжение преобразовывают в последовательность высокочастотных импульсов с помощью инвертора, после чего их выпрямляют выпрямителем и сглаживают высокочастотные пульсации с помощью сглаживающего фильтра, на выходе которого получают выходное напряжение заданного уровня, в соответствии с изобретением, выходное напряжение формируют как сумму входного напряжения и напряжения выпрямленных высокочастотных импульсов, длительность которых пропорциональна модулю разницы между входным и выходным напряжениями преобразователя, а полярность зависит от знака преобразования напряжения, причем при необходимости увеличения напряжения формируют импульсы, полярность которых совпадает с полярностью входного напряжения, а при необходимости уменьшения напряжения - импульсы с полярностью противоположной полярности входного напряжения.

Формирование выходного напряжения как суммы входного напряжения и выпрямленных высокочастотных импульсов уменьшает общую мощность преобразуемой энергии и уровень высокочастотных пульсаций выходного напряжения, поскольку часть энергии поступает в нагрузку непосредственно от источника первичного электропитания. Это позволяет использовать инвертор и трансформатор меньшей мощности, а выходной сглаживающий фильтр с меньшим коэффициентом сглаживания, которое приводит к уменьшению массы, габаритов, стоимости преобразователя и уменьшения потерь электрической энергии, в целом. Возможность изменения полярности выпрямленных импульсов позволяет без изменения схемы преобразователя преобразовывать как постоянное, так и переменное, напряжение, а также как увеличивать, так и уменьшать уровень входного напряжения, которое в свою очередь дополнительно расширяет сферу использования данного способа.

Краткое описание чертежей.

Суть предложенного способа объясняется чертежами. На Фиг. I изображены диаграммы работы при преобразовании постоянного напряжения. На Фиг. 2 изображены диаграммы работы при преобразовании переменного напряжения. Блок- схема практического построения преобразователя, который работает по данному способу, приведен на Фиг. 3.

Вариант осуществления изобретения.

Заявленный способ реализуют следующим образом. Входное напряжение источника первичного электропитания u _BX (t) с помощью инвертора преобразовывают в высокочастотные импульсы переменной полярности u _mm (t). Необходимую амплитуду импульсов u _mm (t) формируют с помощью трансформатора, а длительность формируют пропорциональной модулю разницы между входным u _BX (t) и выходным u _ahl (t) напряжениями преобразователя с помощью устройства управления. Далее высокочастотные импульсы переменной полярности выпрямляют выпрямителем, после чего они становятся однополярными, полярность которых формируют с помощью устройства управления. При необходимости увеличения напряжения u _nx (t) полярность импульсов w _nbinp (Y) формируют таким образом, чтобы она совпадала с полярностью входного напряжения u _liX (t). Этапы преобразования напряжения в данном случае изображены на Фиг.1 и Фиг.2 в секциях «Увеличение напряжения». При необходимости уменьшения напряжения полярность импульсов u _Bhmp (t) формируют таким образом, чтобы она была противоположна полярности входного напряжения u _nx (t). Этапы преобразования напряжения в данном случае изображены на Фиг.1 и Фиг.2 в секциях «Уменьшение напряжения». Если нет необходимости изменения входного напряжения, высокочастотные импульсы не формируют, и выходное напряжение равняется входному. Этапы преобразования напряжения в данном случае изображены на Фиг.1 и Фиг.2 в секциях «Напряжение не изменяется». Однополярные импульсы u _Bh]np (t) добавляют к входному напряжению u _nx (t) , в результате чего на входе сглаживающего фильтра формируют напряжение u,\ _imi (t), которое является суммой входного напряжения u _BK (t) и u _Bhmp (t). Пульсации выходного напряжения w _Bblx (/) сглаживают сглаживающим фильтром. Высокочастотные пульсации входного тока сглаживают с помощью входного сглаживающего фильтра.

Промышленная применимость.

Блок-схема практического построения преобразователя, который работает по данному способу, приведена на Фиг. 3.

Электрическая энергия источника первичного электропитания со входным напряжением u _ax (t) с выхода входного сглаживающего фильтра 1 поступает ко входу инвертора 2, который преобразует ее в высокочастотные импульсы переменной полярности u _mm (t), амплитуда которых пропорциональна модулю амплитуды входного напряжения, а длительность пропорциональна модулю величины изменения (увеличения или уменьшения) входного напряжения. В случае, когда необходимости преобразования напряжения нет (например, если по данной схеме построен стабилизатор напряжения промышленной сети, и ее текущее значение находится в допустимых пределах) высокочастотные импульсы на выходе инвертора не формируются.

Высокочастотные импульсы из выхода инвертора 2 через трансформатор 3 поступают к выпрямителю 4, который работает следующим образом. В случае, когда необходимо увеличить уровень входного напряжения u _BX (t), полярность импульсов w _l!bmP ( на выходе выпрямителя 4 совпадает с полярностью входного напряжения u _B {t). В этом случае напряжение на входе Мфил( выходного сглаживающего фильтра 5 является суммой входного напряжения n _B (t) и выпрямленных высокочастотных импульсов напряжения u _abmp (t), что приводит к увеличению уровня выходного напряжения u _Bbl (t) относительно входного. В случае, когда необходимо уменьшить уровень входного напряжения u _BX (t), полярность импульсов u _Bb]np (t) на выходе выпрямителя 4 противоположная полярности входного напряжения u _nx (t). В этом случае напряжение на входе и _(| , _ил ( выходного сглаживающего фильтра 5 является разницей входного напряжения u _B (t) и напряжения выпрямленных высокочастотных импульсов u _liump (t), что приводит к уменьшению уровня выходного напряжени u _h[ (t) относительно входного. В случае, когда выходное напряжение инвертора равно нулю (пауза между импульсами, или нет необходимости изменять входное напряжение) коммутирующие элементы выпрямителя 4 подключают выходной сглаживающий фильтр 5 непосредственно к входному сглаживающему фильтру 1 . В этом случае напряжение на входе u ₍ \ _)wl (t) выходного сглаживающего фильтра равняется напряжению на выходе входного сглаживающего фильтра u _B {t).

Выходной сглаживающий фильтр 5 устраняет высокочастотные пульсации напряжения на выходе преобразователя.

Необходимые сигналы управления коммутирующими элементами инвертора 2 и выпрямителя 3 формируются устройством управления 10 на основе информации из датчиков входного 6 и выходного 7 напряжения, а также из датчика выходного тока 8.