PL217265B1 - Sposób regulacji napięcia wyjściowego przekształtnika rezonansowego dla odbiorników nieliniowych i układ przekształtnika rezonansowego dla odbiorników nieliniowych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób regulacji napięcia wyjściowego przekształtnika rezonansowego dla odbiorników nieliniowych, zwłaszcza reaktorów plazmy nietermicznej typu DBD i układ przekształtnika rezonansowego dla odbiorników nieliniowych, zwłaszcza reaktorów plazmy nietermicznej typu DBD.

Znane z literatury Kazimierczuk M.K., Czarkowski D.: Resonant power converters New York 1995 układy przekształtników rezonansowych przeznaczone do zasilania reaktorów plazmy nietermicznej mają topologie półmostka lub pełnego mostka półprzewodnikowego. Taka konstrukcja narzuca algorytm sterowania w którym półprzewodniki są załączane na czas odpowiadający półfali drgań własnych obwodu. Z amerykańskiego opisu patentowego 2008211478 znany jest przekształtnik, w którym zmiany parametrów elektrycznych dokonuje się poprzez efektywne zmiany indukcyjności lub pojemności. Aby regulować efektywnie wartość napięcia i prądu obciążenia koniecznie jest zastosowanie dodatkowego przekształtnika regulującego wartość napięcia źródła zasilania, lub dodatkowe obwody regulacji.

Wadą przedstawionych rozwiązań jest bardzo duży wpływ nieliniowości obwodu obciążenia, szczególnie o dużej dynamice zmian, dla których układ regulacji nie jest wstanie poprawnie wysterować łączników półprzewodnikowych. Nieprawidłowe wysterowanie przewodników może prowadzić do nadmiernego wzrostu strat i przepięć co może powodować uszkodzenie układu.

Sposób regulacji napięcia wyjściowego przekształtnika rezonansowego według wynalazku polegający na okresowym zasilaniu ładunkiem elektrycznym obwodu rezonansowego składającego się z transformatora, obciążenia i kondensatora charakteryzuje się tym, że główny obwód rezonansowy zasila się ładunkiem elektrycznym w postaci krótkotrwałych impulsów prądowych, które generuje się w dodatkowych niskostratnych obwodach, które załącza się na przemian przez łączniki półprzewodnikowe z regulowanym opóźnieniem względem każdorazowego przejścia przez zero wartości napięcia głównego kondensatora rezonansowego. Korzystnie jako łączniki półprzewodnikowe stosuje się tranzystory IGTB, MOSFET, MTC.

Układ przekształtnika rezonansowego dla odbiorników nieliniowych, według wynalazku zawierający główny obwód rezonansowy składający się z transformatora, obciążenia i kondensatora charakteryzuje się tym, że główny obwód rezonansowy połączony jest poprzez blok pojemności transportującej energię z blokiem sterowania składającym się z dwóch dodatkowych niskostratnych obwodów. Obwody te tworzy się przez szeregowe połączenie w pierwszym obwodzie: pierwszego dławika, pierwszego łącznika półprzewodnikowego i pierwszej diody oraz w drugim obwodzie: drugiej diody, drugiego dławika i drugiego łącznika półprzewodnikowego. W obwodach załączanych na przemian przez pierwszy i drugi łącznik półprzewodnikowy z regulowanym opóźnieniem względem każdorazowego przejścia przez zero wartości napięcia głównego kondensatora rezonansowego, generowany jest ładunek elektryczny w postaci krótkotrwałych impulsów prądowych zasilających główny obwód rezonansowy. Pierwszy dławik połączony jest z pierwszym biegunem źródła zasilania, zaś drugi łącznik półprzewodnikowy połączony jest z drugim biegunem źródła zasilania. Blok pojemności transportującej energię składa się z pierwszego kondensatora trzeciej, czwartej i piątej diody i drugiego kondensatora. Punkt wspólnego połączenia katody pierwszej diody i anody drugiej diody bloku sterowania przyłączony jest jednocześnie do pierwszej elektrody pierwszego kondensatora i katody trzeciej diody, której anoda łączy się z pierwszą elektrodą drugiego kondensatora i katodą czwartej diody. Anoda czwartej diody połączona jest z drugą elektrodą pierwszego kondensatora i jednocześnie połączona jest z katodą piątej diody. Anoda piątej diody przyłączona jest do drugiej elektrody drugiego kondensatora i pierwszej elektrody kondensatora głównego oraz pierwszego zacisku strony pierwotnej transformatora głównego obwodu rezonansowego i do anody szóstej diody. Szósta dioda wraz z trzecim dławikiem tworzy obwód zwrotu nadmiaru energii, a jej katoda poprzez trzeci dławik łączy się z pierwszym biegunem źródła zasilania. Druga elektroda trzeciego kondensatora głównego połączona jest z drugim biegunem źródła zasilania oraz drugim zaciskiem strony pierwotnej transformatora, do którego zacisków strony wtórnej podłączono odbiornik.

W innej konfiguracji rozwiązania według wynalazku blok pojemności transportującej energię składa się z pierwszego kondensatora i równolegle przyłączonej do niego trzeciej diody. Punkt wspólnego połączenia katody pierwszej diody i anody drugiej diody przyłączony jest jednocześnie do pierwszej elektrody pierwszego kondensatora i katody piątej diody. Anoda piątej diody łączy się z pierwszą elektrodą trzeciego kondensatora głównego oraz z drugą elektrodą pierwszego kondensatora i z anoPL 217 265 B1 dą szóstej diody. Szósta dioda wraz z trzecim dławikiem stanowi obwód zwrotu nadmiaru energii, a jej katoda poprzez trzeci dławik łączy się z pierwszym biegunem źródła zasilania. Druga elektroda trzeciego kondensatora głównego połączona jest z drugim biegunem źródła zasilania oraz drugim zaciskiem strony pierwotnej transformatora, do którego zacisków strony wtórnej podłączono odbiornik.

Korzystnie główny obwód rezonansowy ma trzeci łącznik połączony z jednej strony z pierwszą elektrodą trzeciego kondensatora głównego a z drugiej strony z pierwszym zaciskiem strony pierwotnej transformatora. Korzystnie pierwszy, drugi i trzeci łącznik półprzewodnikowy mają postać tranzystorów IGTB, MOSFET, MCT.

Bliżej wynalazek opisany jest w przykładach wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia schemat układu, w którym jako łączniki półprzewodnikowe zastosowano tranzystory IGBT z dodatkową diodą przyłączoną w sposób odwrotnie równoległy do kierunku przewodzenia tranzystora, Fig. 2 przedstawia blok pojemności transportującej energię w innym wariancie wykonania, Fig. 3 przedstawia główny obwód rezonansowy w wariancie z dodatkowym, trzecim łącznikiem półprzewodnikowym, Fig. 4 przedstawia za pomocą wykresów sposób regulacji i stabilizacji parametrów elektrycznych - napięcia, prądu, poprzez zmianę opóźnienia wysterowania pierwszego i drugiego łącznika względem chwili przejścia przez zero napięcia na trzecim kondensatorze.

P r z y k ł a d 1

Układ przekształtnika rezonansowego dla odbiorników nieliniowych, w którym jako łączniki półprzewodnikowe S1, S2 stosuje się tranzystory IGBT z dodatkową diodą przyłączoną w sposób odwrotnie równoległy do kierunku przewodzenia tranzystora. Pierwszy biegun źródła zasilania Ud połączony jest z pierwszym końcem pierwszego dławika L1 którego drugi koniec połączony jest z kolektorem pierwszego tranzystora S1. Emiter pierwszego tranzystora S1 połączony jest z anodą pierwszej diody D1. Pierwszy dławik L1, pierwszy tranzystor S1, pierwsza dioda D1 połączone są ze sobą szeregowo i tworzą pierwszy obwód. Katoda pierwszej diody D1 połączona jest z anodą drugiej diody D2, której katoda połączona jest z jednym końcem drugiego dławika L2, którego drugi koniec połączony jest z kolektorem drugiego tranzystora S2, a jego emiter przyłączony jest do drugiego bieguna źródła zasilania Ud. Druga dioda D2, drugi dławik L2, i drugi tranzystor S2 są połączone ze sobą w sposób szeregowy i tworzą obwód drugi. Obwód pierwszy i obwód drugi połączone wzajemnie również w sposób szeregowy tworzą razem blok sterowania 2. Do punktu wzajemnego połączenia obwodu pierwszego i obwodu drugiego, to jest katody pierwszej diody D1 z anodą drugiej diody D2, przyłączone są: pierwsza elektroda pierwszego kondensatora C1 i katoda trzeciej diody D3. Druga elektroda pierwszego kondensatora C1 połączona jest jednocześnie z anodą czwartej diody D4 i katodą piątej diody D5. Natomiast katoda czwartej diody D4 połączona jest wspólnym punktem z anodą trzeciej diody D3 i pierwszą elektrodą drugiego kondensatora C2, którego druga elektroda połączona jest z anodą piątej diody D5. Takie wzajemne połączenie pierwszego kondensatora C1, trzeciej diody D3, czwartej diody D4, drugiego kondensatora C2 i piątej diody D5 tworzą blok pojemności transportującej energię 3. Punkt bloku pojemności transportującej energię 3 utworzony z połączenia anody piątej diody D5 i drugiej elektrody drugiego kondensatora C2 przyłączony jest do pierwszej elektrody głównego kondensatora C3 i pierwszego zacisku strony pierwotnej transformatora Tr. Druga elektroda głównego kondensatora C3 połączona jest z drugim zaciskiem strony pierwotnej transformatora Tr, oraz drugim biegunem źródła zasilania Ud. Zaciski strony wtórnej transformatora Tr połączone są z zaciskami odbiornika Odb. Transformator Tr z podłączonym odbiornikiem Odb i główny kondensator C3 tworzą główny obwód rezonansowy 4. Pomiędzy pierwszym biegunem źródła zasilania Ud a punktem wspólnego połączenia kondensatorów drugiego C2 i trzeciego C3 i anodą czwartej diody D4 włączony jest obwód składający się z szeregowego połączenia szóstej diody D6 i trzeciego dławika L3. Połączenie takie pozwala na jednokierunkowy przepływ prądu od głównego kondensatora C3 do źródła zasilania Ud. Działanie układu polega na dostarczaniu energii okresowo w postaci krótkich impulsów do głównego obwodu rezonansowego 4 składającego się z równoległego połączenia głównego kondensatora C3 z transformatorem Tr, którego wyjście zasila odbiornik Odb, w takiej ilości, aby zapewnić pożądane parametry obciążenia. Załączenie pierwszego tranzystora S1 prowadzi do zainicjowania przepływy prądu w obwodzie składającym się ze źródła zasilania i pierwszego dławika L1, pierwszej diody D1, pierwszego kondensatora C1, czwartej diody D4 i drugiego kondensatora C2, oraz głównego kondensatora C3, tworzącego z transformatorem Tr i odbiornikiem Odb - główny obwód rezonansowy 4. Ponieważ w tak utworzonej gałęzi wielkość strat jest do pominięcia, stąd prąd pierwszego tranzystora S1 będzie miał kształt półfali sinusoidy o czasie trwania zależnym od wielkości parametrów elementów tworzących gałąź. Powyższy stan pracy układu kończy się z chwilą osiągnięcia zerowej wartości prądu płynącego

PL 217 265 B1 przez pierwszy tranzystor S1, który wyłączny jest przy zerowej wartości prądu. Efektem powyżej opisanego procesu jest dostarczenie porcji energii do głównego kondensatora C3 oraz naładowanie kondensatorów pierwszego C1 i drugiego C2. Załączenia drugiego tranzystora S2, po czasie równym czasowi trwania półfali drgań własnych głównego obwodu rezonansowego 4, powoduje przepływ energii z równolegle połączonych kondensatorów pierwszego C1, poprzez piątą diodę D5 i drugiego kondensatora C2, poprzez trzecią diodę D3 do głównego kondensatora C3 i szeregowo połączonych drugiej diody D2, drugiego dławika L2 i drugiego tranzystora S2. W przypadku gdy w tym stanie pracy napięcie na kondensatorach drugim C2 i głównym C3 osiągnie wartość równą zero to, część energii zgromadzonej w drugim dławiku L2 będzie przekazana do głównego kondensatora C3 w torze szeregowego połączenia diod: drugiej D2, trzeciej D3, czwartej D4 i piątej D5. Tak dostarczana energia do głównego kondensatora C3 (w fazie z napięciem i w rytm drgań własnych obwodu utworzonego z transformatorem Tr i jego odbiornikiem Odb) prowadzi do znacznego wzrostu napięcia głównego kondensatora C3, co daje również wzrost napięcia wyjściowego transformatora Tr. Dobór współczynnika sprzężenia k pomiędzy pierwotnym a wtórnym uzwojeniem transformatora Tr pozwala utrzymać częstotliwość głównego obwodu rezonansowego 4 w pożądanym zakresie. Wartość napięcia na głównym kondensatorze C3 zależna jest zarówno od wartości energii pobranej ze źródła zasilania Ud jak i dobroci głównego obwodu rezonansowego 4. Dobroć głównego obwodu rezonansowego 4 jest zależna od stanu obciążenia wyjścia transformatora Tr. Dla przedstawionej topologii koniecznej regulacji i stabilizacji parametrów elektrycznych obciążenia takich jak napięcie, prąd i moc dokonuje się poprzez zmianę opóźnienia wysterowania tranzystorów pierwszego S1 i drugiego S2 względem chwili przejścia przez zero napięcia na głównym kondensatorze C3. Szeregowo połączone trzeci dławik L3 i szósta dioda D6 tworzą obwód zwrotu nadmiaru energii 5, który włączony jest pomiędzy elektrodę głównego kondensatora C3 a pierwszy biegun źródła zasilania Ud. Zadaniem obwodu zwrotu nadmiaru energii 5 jest odprowadzanie nadmiaru energii zgromadzonej na nim do źródła Ud. Przekazywanie energii wystąpi gdy dobroć głównego obwodu rezonansowego 4 gwałtownie wzrośnie co pociąga za sobą wzrost napięcia głównego kondensatora C3 powyżej wartości napięcia źródła zasilania Ud. Powstają wówczas warunki do wygenerowania impulsowego przepływu prądu w kierunku źródła zasilania Ud.

P r z y k ł a d 2

Układ jak w przykładzie 1, z tym, że jako łączniki S1 i S2 zastosowano tranzystory MOSFET, zaś blok pojemności transportującej energię 3 składa się z pierwszego kondensatora C1 i równolegle przyłączonej do niego trzeciej diody D3, której zadaniem jest utrzymanie polaryzacji kondensatora zgodnej z biegunowością napięcia zasilania Powyższa zamiana obwodów wiąże się ze wzrostem napięcia na drugim tranzystorze S2. Punkt wspólnego połączenia katody pierwszej diody D1 i anody drugiej diody D2 bloku sterowania 2 przyłączony jest jednocześnie do pierwszej elektrody pierwszego kondensatora C1 i katody trzeciej diody D3. Anoda trzeciej diody D3 łączy się z drugą elektrodą pierwszego kondensatora C1 i jednocześnie połączona jest z pierwszą elektrodą głównego kondensatora C3 oraz pierwszego zacisku strony pierwotnej transformatora Tr głównego obwodu rezonansowego 4 i do anody szóstej diody D6, która wraz z trzecim dławikiem L3 tworzy obwód zwrotu nadmiaru energii 5. Katoda szóstej diody D6 poprzez trzeci dławik L3 łączy się z pierwszym biegunem źródła zasilania Ud, zaś druga elektroda głównego kondensatora C3 połączona jest z drugim biegunem źródła zasilania Ud oraz drugim zaciskiem strony pierwotnej transformatora Tr, do którego zacisków strony wtórnej podłączono odbiornik Odb.

P r z y k ł a d 3

Układ jak w przykładzie 1, z tym, że jako łączniki półprzewodnikowe zastosowano tranzystory MTC, a główny obwód rezonansowy 4 wyposażony jest w dodatkowy trzeci tranzystor S3 połączony z jednej strony z pierwszą elektrodą głównego kondensatora C3 a z drugiej strony z pierwszym zaciskiem strony pierwotnej transformatora Tr.

Claims (5)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób regulacji napięcia wyjściowego przekształtnika rezonansowego dla odbiorników nieliniowych, zwłaszcza reaktorów plazmy nietermicznej typu DBD polegający na okresowym zasilaniu ładunkiem elektrycznym obwodu rezonansowego składającego się z transformatora, obciążenia i kondensatora, znamienny tym, że główny obwód rezonansowy (4) zasila się ładunkiem elektrycznym w postaci krótkotrwałych impulsów prądowych, które generuje się w dodatkowych niskostratnych obPL 217 265 B1 wodach, które załącza się na przemian przez łączniki pierwszy (S1) i drugi (S2) z regulowanym opóźnieniem względem każdorazowego przejścia przez zero wartości napięcia głównego kondensatora rezonansowego (C3).
2. 2. Układ przekształtnika rezonansowego dla odbiorników nieliniowych, zwłaszcza reaktorów plazmy nietermicznej typu DBD zawierający główny obwód rezonansowy składający się z transformatora, obciążenia i kondensatora, znamienny tym, że główny obwód rezonansowy (4) połączony jest poprzez blok pojemności transportującej energię (3) z blokiem sterowania (2) składającym się z dwóch dodatkowych niskostratnych obwodów utworzonych przez szeregowe połączenie w pierwszym obwodzie: pierwszego dławika (L1), pierwszego łącznika półprzewodnikowego (S1) i pierwszej diody (D1) oraz w drugim obwodzie: drugiej diody (D2), drugiego dławika (L2) i drugiego łącznika półprzewodnikowego (S2), w których to obwodach załączanych na przemian przez łączniki pierwszy (S1) i drugim (S2) z regulowanym opóźnieniem względem każdorazowego przejścia przez zero wartości napięcia głównego kondensatora rezonansowego (C3), generowany jest ładunek elektryczny w postaci krótkotrwałych impulsów prądowych zasilających główny obwód rezonansowy (4), przy czym pierwszy dławik (L1) połączony jest z pierwszym biegunem źródła zasilania (Ud), zaś drugi łącznik (S2) połączony jest z drugim biegunem źródła zasilania (Ud).
3. 3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że blok pojemności transportującej energię (3) składa się z pierwszego kondensatora (C1), diody trzeciej (D3), czwartej (D4), piątej (D5), i drugiego kondensatora (C2), przy czym punkt wspólnego połączenia katody pierwszej diody (D1) i anody drugiej diody (D2) bloku sterowania (2) przyłączony jest jednocześnie do pierwszej elektrody pierwszego kondensatora (C1) i katody trzeciej diody (D3), której anoda łączy się z pierwszą elektrodą drugiego kondensatora (C2) i katodą czwartej diody (D4), której to z kolei anoda połączona jest z drugą elektrodą pierwszego kondensatora (C1) i jednocześnie połączona jest z katodą piątej diody (D5), a anoda piątej diody (D5) przyłączona jest do drugiej elektrody drugiego kondensatora (C2) i pierwszej elektrody kondensatora głównego (C3) oraz pierwszego zacisku strony pierwotnej transformatora (Tr) głównego obwodu rezonansowego (4) i do anody szóstej diody (D6), która wraz z trzecim dławikiem (L3) tworzy obwód zwrotu nadmiaru energii (5), i której katoda poprzez trzeci dławik (L3) łączy się z pierwszym biegunem źródła zasilania (Ud), zaś druga elektroda kondensatora głównego (C3) połączona jest z drugim biegunem źródła zasilania (Ud) oraz drugim zaciskiem strony pierwotnej transformatora (Tr), do którego zacisków strony wtórnej podłączono odbiornik (Odb).
4. 4. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że blok pojemności transportującej energię (3) składa się z pierwszego kondensatora (C1) i równolegle przyłączonej do niego trzeciej diody (D3), przy czym punkt wspólnego połączenia katody pierwszej diody (D1) i anody drugiej diody (D2) przyłączony jest jednocześnie do pierwszej elektrody pierwszego kondensatora (C1) i katody trzeciej diody (D3), której anoda łączy się z pierwszą elektrodą kondensatora głównego (C3) oraz z drugą elektrodą pierwszego kondensatora (C1) i z anodą szóstej diody (D6), która wraz z trzecim dławikiem (L3) stanowi obwód zwrotu nadmiaru energii (5), i której katoda poprzez trzeci dławik (L3) łączy się z pierwszym biegunem źródła zasilania (Ud), zaś druga elektroda kondensatora głównego (C3) połączona jest z drugim biegunem źródła zasilania (Ud) oraz drugim zaciskiem strony pierwotnej transformatora (Tr), do którego zacisków strony wtórnej podłączono odbiornik (Odb).
5. 5. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że główny obwód rezonansowy (4) ma trzeci łącznik (S3) połączony z jednej strony z pierwszą elektrodą kondensatora głównego (C3) a z drugiej strony z pierwszym zaciskiem strony pierwotnej transformatora (Tr).