Область техники.

Изобретение относится к электротехнике, в частности, к преобразовательной технике, и может быть использовано в преобразователях напряжения электрической энергии, которые не требуют в гальванической развязки входных и выходных цепей: преобразователях, формирователях, стабилизаторах, корректорах, нормализаторах постоянного или переменного напряжения, источниках вторичного электропитания, системах дистанционного и распределенного электропитания и электроснабжения, и тому подобное.

Предшествующий уровень техники. Известны преобразователи напряжения, которые содержат в своем составе высокочастотный трансформатор, первичная обмотка которого подключена к источнику первичного электропитания через двухтактный инвертор, который преобразует напряжение источника первичного электропитания в высокочастотные импульсы переменной полярности, а вторичная обмотка трансформатора через выпрямитель и выходной сглаживающий фильтр подключена к нагрузке (Б.Ю. Семенов. Силовая электроника от простого к сложному. М: СОЛОН-

I Пресс. 2005, стр. 343 - 356; Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры. Справочник под ред. Г. С. Найвельта. М.: Радио и связь. 1986, стр. 360 - 368).

Наиболее близким техническим решением по большинству существенных признаков, избранным в качестве прототипа, является преобразователь постоянного напряжения (заявка на полезную модель РФ 2006145845/22, опубл. 25.12.2006, патент на полезную модель RU 63619 U1), который содержит входной сглаживающий фильтр, к выходу которого подключен инвертор, который преобразует электрическую энергию первичного электропитания в высокочастотные импульсы переменного напряжения, трансформатор, первичная обмотка которого подключена к выходу инвертора, а вторичная через выпрямитель и выходной сглаживающий фильтр подключена к нагрузке, устройство управления на основе микроконтроллера, в состав которого входит датчик входного напряжения. Общими существенными признаками известного и заявляемого устройств, есть наличие входного сглаживающего фильтра, вход которого подключен к источнику первичного питания, инвертора, вход которого подключен к выходу входного сглаживающего фильтра, а выход, с помощью трансформатора к входу выпрямителя, выходного сглаживающего, фильтра, выход которого подключен к нагрузке, устройства управления.

Известный преобразователь содержит выпрямитель, который подключен непосредственно к входу входного сглаживающего фильтра. При таком подключении общая мощность преобразуемой энергии, мощность инвертора и трансформатора, равна мощности нагрузки. Поскольку потери электрической энергии, 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.

Задача изобретения заключается в создании преобразователя напряжения источника первичного электропитания в напряжение другого уровня с повышенными технико-экономическими показателями: уменьшенной массой, габаритами и стоимостью и повышенным коэффициентом полезного действия, путем модификации структурной схемы преобразователя, за счет чего происходит преобразование лишь части электрической энергии.

Поставленная задача решается тем, что преобразователь напряжения источника первичного электропитания в заданное напряжение другого уровня состоит из входного сглаживающего фильтра, вход которого подключен к источнику первичного питания, инвертора, вход которого подключен к выходу входного сглаживающего фильтра, а выход, с помощью трансформатора, к входу выпрямителя, выходного сглаживающего, фильтра, выход которого подключен к нагрузке, устройства управления. В предложенном устройстве выход выпрямителя включен последовательно с выходом входного сглаживающего фильтра и входом выходного сглаживающего фильтра, выпрямитель может быть построен на основе управляемых коммутирующих элементов с двусторонней проводимостью.

Включение выхода выпрямителя последовательно с выходом входного сглаживающего фильтра и входом выходного сглаживающего фильтра позволяет уменьшить общую мощность преобразуемой энергии, поскольку часть энергии поступает в нагрузку непосредственно от источника первичного электропитания. Это приводит к уменьшению массы, габаритов и стоимости инвертора, трансформатора и повышения коэффициента полезного действия преобразователя, в целом, поскольку уменьшаются расходы электрической энергии при преобразовании. Это также приводит к уменьшению величины высокочастотных пульсаций преобразованного напряжения, которое в свою очередь приводит к уменьшению массы, габаритов и стоимости входных и выходных сглаживающих фильтров.

Использование выпрямителя, построенного на основе управляемых коммутирующих элементов с двусторонней проводимостью, позволяет преобразовывать уровень как постоянного, так и переменного напряжения, как в сторону его увеличения, так и в сторону уменьшения. Причем направление изменения уровня (увеличение или уменьшение) напряжения источника первичного электропитания в этом случае зависит лишь от алгоритма управления коммутирующими элементами выпрямителя, который дополнительно расширяет отрасль использования преобразователей данного класса. В случае, когда преобразователь предназначен для преобразования постоянного напряжения и направление изменения уровня (увеличение или уменьшение) напряжения предварительно известно и в процессе работы не изменяется (только увеличение или только уменьшение), в качестве силовых коммутирующих элементов выпрямителя возможно использовать неуправляемые силовые элементы, например, полупроводниковые диоды, что дополнительно повысит технико-экономические показатели преобразователя.

Краткое описание чертежей.

Суть предложенного устройства объясняется чертежом, где на Фиг.1 изображена структурная схема устройства, на Фиг. 2 приведены диаграммы работы преобразователя при преобразовании постоянного напряжения, на Фиг. 3 приведены диаграммы работы преобразователя при преобразовании переменного напряжения.

Вариант осуществления изобретения.

Вход сглаживающего фильтра 1 подключен непосредственно к входу преобразователя. Вход инвертора 2 подключен к выходу входного сглаживающего фильтра 1 . Выход инвертора 2 подключен к первичной обмотке трансформатора 3, вторичная обмотка которого подключена к входу выпрямителя 4, построенного на основе силовых коммутирующих элементов с двусторонней проводимостью. Выход выпрямителя 4 подключен последовательно с выходом входного 1 и входом выходного 5 сглаживающего фильтра. Выход выходного сглаживающего фильтра 5 подключен к выходу преобразователя.

Устройство управления 10 содержит в своем составе датчики входного 6 и выходного 7 напряжений, а также датчик выходного тока 8. Управление силовыми ключами инвертора и выпрямителя может происходить программным способом с помощью микроконтроллера 9.

Промышленная применимость. Электрическая энергия источника первичного электропитания с входным напряжением u _HX (t) с выхода входного сглаживающего фильтра 1 поступает к 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 (увеличение или уменьшение) 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 отсутствуют.

Высокочастотные импульсы с выхода инвертора 2 через трансформатор 3 поступают к выпрямителю 4, который работает по следующему правилу:

1. В случае, когда необходимо увеличить уровень входного напряжения u _BX (t), полярность импульсов u _RUnp (t) на выходе выпрямителя 4 совпадает с полярностью входного напряжения u {t). В этом случае напряжение на входе щ _тл (1) выходного сглаживающего фильтра 5 является суммой входного напряжения u _B (t) и выпрямленных высокочастотных импульсов напряжения u _M ,m _P (t), ^чт о приводит к увеличению уровня выходного напряжения u _0hK (t) относительно входного. Диаграммы работы преобразователя в данном случае изображены на Фиг.2 и Фиг.З в секциях «Увеличение напряжения».

2. В случае, когда необходимо снизить уровень входного напряжения u _liK (t), полярность импульсов u _BMnp (t) на выходе выпрямителя 4 противоположная полярности входного напряжения u _B (f). В этом случае напряжение на входе щ _тп () выходного сглаживающего фильтра 5 является разницей входного напряжения u _X (i) и напряжения выпрямленных высокочастотных импульсов _Bhmp (t), что приводит к уменьшению уровня выходного напряжения u _mAX (t) относительно входного. Диаграммы работы преобразователя в данном случае изображены на Фиг.2 и Фиг.З в секциях «Уменьшение напряжения». 3. В случае, когда выходное напряжение инвертора равняется нулю (пауза между импульсами, или нет необходимости изменять входное напряжение) коммутирующие элементы выпрямителя 4 подключают выходной сглаживающего фильтр 5 непосредственно к входному сглаживающему фильтру 1 . В этом случае напряжение на входе u\ _mn (t) выходного сглаживающего фильтра равняется напряжению на выходе входного сглаживающего фильтра u _BX (t). Диаграммы работы преобразователя в данном случае изображены на Фиг.2 и Фиг.З в секциях «Напряжение не изменяется».

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

Необходимые сигналы управления коммутирующими элементами инвертора 2 и выпрямителя 4 формируются устройством управления на основе информации из датчиков входного 6 и выходного 7 напряжения, а также из датчика выходящего тока 8.

Инвертор и выпрямитель могут быть построены по известным схемам (например, мостовая, или схема, с выводом средней точки трансформатора). В качестве ключей инвертора могут использоваться управляемые ключи как с двусторонней, так и из односторонней, проводимостью. В последнем случае на входе инвертора при преобразовании переменного напряжения нужен дополнительный выпрямитель.