RU144402U1 - Импульсный трансформаторный инвертор - Google Patents

Abstract

1. Импульсный трансформаторный инвертор, содержащий входные выводы для подключения источника постоянного тока, зашунтированные фильтровым конденсатором, выходные выводы для подключения нагрузки переменного тока, трансформатор, имеющий первичную обмотку со средним выводом и вторичную обмотку, шунтирующую выходные выводы устройства, электронную двухключевую стойку, шунтирующую своими крайними одноименными выводами первичную обмотку трансформатора и зашунтированную обратными диодами, электронный модуляторный ключ, также зашунтированный обратным диодом, двухдиодную стойку со встречно соединенными диодами, подключенную средним выводом к первому силовому выводу модуляторного ключа, реактор, первый снабберный конденсатор и блок управления, имеющий основные выходные выводы, подключенные к управляющим выводам двухключевой стойки и модуляторного ключа, а также цепи обратных связей по выходным параметрам с датчиками токов и напряжения, отличающийся тем, что в него введены электронная двухвентильная стойка и второй снабберный конденсатор, а блок управления снабжен дополнительными выходными выводами, подключенными к управляющим выводам двухвентильной стойки, средний вывод которой через реактор подключен к среднему выводу двухключевой стойки, а каждый из одноименных крайних выводов через соответствующий снабберный конденсатор подключен к соответствующему крайнему выводу первичной обмотки трансформатора, а через соответствующий диод двухдиодной стойки подключен к среднему выводу этой обмотки, соединенному через модуляторный ключ с первым входным выводом устройства, а реактор включен между средни

Description

Полезная модель относится к электротехнике и силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-бортовых системах электроснабжения в качестве вторичного источника высокочастотного переменного или выпрямленного тока для питания нагрузок со стабилловольтной зоной вольт-амперной характеристики - газоразрядных (ламповых, разрядно-свечевых, лазерных), полупроводниковых (светодиодных, лазерных), выпрямительно-аккумуляторных или накопительно-емкостных и других нагрузок.

Известен трансформаторный инвертор (аналог), содержащий полумостовой высокочастотный коммутатор с параллельными двухключевой и фильтровой двухконденсаторной стойками и трансформатором, подключенным первичной обмоткой к средним выводам стоек (Патент №125787 на полезную модель. Обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты. Резников С.Б., Бочаров В.В., Ермилов Ю.В., Харченко И.Α., Бюл. №7 от 10.03.2013 г.). Он является вторичным источником прямоугольного напряжения без нулевой паузы (меандра).

К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся: узкие функциональные возможности, а именно - неспособность обеспечения внешней вольт-амперной характеристики регулируемого «источника прямоугольного тока», а также низкая надежность из-за наличия цепи для «сквозного сверхтока» при несанкционированном одновременном включении ключей (например, от помехи в блоке управления), а также из-за сложности и недостаточного быстродействия системы антинасыщающего симметрирования вольтсекундных параметров разнополярных импульсов питающего напряжения трансформатора и из-за наличия энергоемких электролитических конденсаторов фильтровой стойки с низкими параметрами термостойкости, безотказности и долговечности.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является трансформаторный инвертор (прототип), содержащий трансформатор со средним выводом первичной обмотки, двухключевую стойку, ограничительную цепь с конденсатором и двухдиодной стойкой, цепь рекуперации энергии индуктивностей рассеяния трансформатора с диодно-ключевой стойкой и балластным дросселем, а также блок управления с основными модуляторными и дополнительными выходными выводами (А. Царенко, Д. Серегин, Новые схемы статических преобразователей электрической энергии и их сравнительный анализ, Силовая Электроника, №3, 2007 г., с. 59-66, стр. 60, рис. 2). Он также является вторичным источником прямоугольного напряжения без нулевой паузы (меандра).

К недостаткам известного трансформаторного инвертора (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности, а именно - неспособность обеспечения внешней вольт-амперной характеристики регулируемого «источника прямоугольного тока», а также низкая надежность из-за сложности и недостаточного быстродействия системы антинасыщающего симметрирования вольтсекундных параметров разнополярных импульсов питающего напряжения трансформатора и из-за наличия энергоемких электролитических конденсаторов с низкими параметрами термостойкости, безотказности и долговечности.

Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение внешней вольтамперной характеристики регулируемого «источника тока». Дополнительными техническими результатами являются: снижение требований к качеству питающей электроэнергии, а именно - расширение диапазона допустимых средних уровней и размахов пульсаций питающего напряжения, например, выпрямленного сетевого, и кроме того, повышение надежности устройства - термостойкости, безотказности и срока службы за счет исключения электролитического емкостного фильтра, а также исключение аварийного режима из-за насыщения трансформатора при асимметричных вольтсекундных параметрах.

Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный трансформаторный инвертор, содержащий входные выводы, зашунтированные фильтровым конденсатором, выходные выводы, трансформатор, имеющий первичную обмотку и вторичную обмотку, электронную двухключевую стойку с обратными диодами, электронный модуляторный ключ с обратным диодом, двухдиодную стойку, реактор, первый снабберный конденсатор и блок управления, имеющий основные выходные выводы, а также цепи обратных связей по выходным параметрам с датчиками токов и напряжения ВВЕДЕНЫ электронная двухвентильная стойка и второй снабберный конденсатор, а блок управления СНАБЖЕН дополнительными выходными выводами, и БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНА шунтирующая цепь в виде полууправляемого косого моста, состоящего из двух согласно-параллельных диодно-ключевых стоек и третьего снабберного конденсатора, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательными выходными выводами.

Экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и его компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.

На чертеже (Фиг.) показаны силовая схема и цепи управления предлагаемого импульсного трансформаторного инвертора.

Импульсный трансформаторный инвертор содержит: входные выводы 1, 2 для подключения источника питания постоянного тока, зашунтированные фильтровым конденсатором 3, выходные выводы 4-5 для подключения нагрузки переменного тока, трансформатор 6, имеющий первичную обмотку 7 со средним выводом и вторичную обмотку 8, шунтирующую выходные выводы устройства, электронную двухключевую стойку 9-10, зашунтированную обратными диодами 11-12, электронный модуляторный ключ 13, также зашунтированный обратным диодом 14, двухдиодную стойку 15-16 со встречно соединенными диодами, реактор 17, первый снабберный конденсатор 18 и блок управления 19, имеющий основные выходные выводы 20, 21 и цепи обратных связей 22 по выходным параметрам с датчиками 23, 24 и 25 токов и напряжения. Устройство содержит также электронную двухвентильную стойку 26-27 и второй снабберный конденсатор 28. Блок управления снабжен также дополнительными выходными выводами 29, 30. Кроме этого устройство содержит шунтирующую цепь в виде полууправляемого косого моста, состоящего из двух согласно-параллельных диодно-ключевых стоек 31-32 и 33-34, подключенных к выводам реактора, и третьего снабберного конденсатора 35, включенного между средними выводами этих стоек, а блок управления снабжен вспомогательными выходными выводами 36, подключенными к управляющим выводам указанных стоек.

Двухключевая стойка 9-10 шунтирует своими крайними одноименными выводами первичную обмотку 7 трансформатора 6. Двухвентильная стойка 26-27 своим средним выводом через реактор 17 подключена к среднему выводу двухключевой стойки 9-10, а каждым из своих крайних выводов подключена через соответствующий снабберный конденсатор 18,28 к соответствующему крайнему выводу первичной обмотки 7 трансформатора 6, а через соответствующий диод 15, 16 двухдиодной стойки - к среднему выводу этой обмотки, соединенному через модуляторный ключ 13 с первым входным выводом 1 устройства. Реактор 17 включен между средним выводом двухключевой стойки 9-10 и вторым входным выводом 2 устройства. Вспомогательный электронный ключ 31 своими силовыми выводами шунтирует реактор 17. Блок управления 19 своими основными выходными выводами 20 и 21 подключен к управляющим выводам двухключевой стойки 9-10 и модуляторного ключа 13, дополнительными выходными выводами 29 и 30 - к управляющим выводам двухвентильной стойки 26-27, а вспомогательными выходными выводами 36 - к управляющим выводам диодно-ключевых стоек 31-32 и 33-34 шунтирующей цепи.

В качестве электронных модулирующего ключа 13 и ключей 31, 33, шунтирующей цепи используются транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры, а в качестве электронных ключей 9, 10 и вентилей 26, 27 - они же или однооперационные тиристоры.

Импульсный трансформаторный инвертор работает следующим образом. К входным выводам 1-2 подключают источник питания постоянного (или пульсирующего) напряжения, например, выпрямленная автономно-бортовая сеть переменного тока, а к выходным выводам 4-5 нагрузку переменного или выпрямленного (через выпрямитель) тока, имеющую стабиловольтную зону вольт-амперной характеристики, например газоразрядную (ламповую, лазерную, разрядно-свечевую), полупроводниковую (светодиодную, лазерную), выпрямительно-аккумуляторную или выпрямительно-емкостную и др.

Блок управления 19 формирует на своих основных выходных выводах 20, 21 и на вспомогательном выходном выводе 32 широтно-модулируемые высокочастотные импульсы а на дополнительных выходных выводах 29, 30 - релейно управляющие импульсы.

Период T_ШИМ высокочастотной импульсной модуляции содержит два тактовых полупериода длительностью 0,5T_ШИМ, каждый из которых имеет три временных интервала: 1) нарастание потокосцепления (тока) реактора длительностью t_И=y_И·0,5T_ШИМ, где y_И - коэффициент заполнения (относительная длительность) импульса; 2) приблизительное сохранение потокосцепления длительностью Δt_П=γ_П·0,5T_ШИМ, где γ_П - относительная длительность паузы; 3) частичное спадание потокосцепления длительностью: T_ШИМ-Δt_Π-t_И=0,5(1-γ_И-γ_П) T_ШИМ.

На первом интервале блок управления может организовать одну из двух возможных цепей для нарастающего тока, в зависимости от соотношения между величинами напряжения питания: U_П=U_1-2 и напряжения (противо-э.д.с.) на полуобмотке (секции) первичной обмотки 7 трансформатора 6: 0,5U₇. Если U_П>0,5U₇ (режим «понижения напряжения»), то включаются ключ 13 и один из ключей 9, 10, и ток реактора нарастает по цепи: 1-13-7-(9 или 10)-17-2. При этом часть энергии источника питания непосредственно передается в нагрузку. Если U_П<0,5U₇ (режим «повышения напряжения»), то включаются сразу три ключа: 13, 9 и 10, и ток реактора нарастает через закороченный (без контура намагничивания) трансформатор по цепи: 1-13-7-(9 и 10)-17-2. В том и в другом случае в реакторе 17 происходит накопление электромагнитной энергии, а энергия индуктивностей рассеяния обмотки 7 трансформатора 6 сбрасывается в снабберные конденсаторы 18 и 28 по цепям токов 7-18-15-7 и/или 7-28-16-7. Заметим, что эта энергия передается реактору 17 на первом этапе следующего очередного периода (или полупериода) по цепям разрядки: 18-9-17-26-18 и 28-10-17-27-28.

На втором интервале блок управления включает ключи 31 и 33, а остальные ключи и вентили выключает. При этом потокосцепление и энергия реактора 17 приблизительно сохраняются вместе с током в расщепленной цепи: 17-(31-32 и 33-34)-17. К указанной энергии добавляется энергия третьего снабберного конденсатора 35, заряженного на третьем интервале предыдущего такта и разряжаемого по цепи:35-33-17-31-35.

На третьем интервале блок управления включает один из вентилей 26, 27 (поочередно) и один из ключей 9, 10 (поочередно) и выключает ключи 31,33. При этом потокосцепление (и энергия) реактора частично спадает вместе с токами в цепях: 17-34-35-32-17 и 17-26-15-7-9-17 или 17-27-16-7-10-17, соответственно (поочередно), передавая в нагрузку через трансформатор бив третий снабберный конденсатор 35 часть накопленной в реакторе 17 энергии. Далее все указанные процессы периодически повторяются с периодом T_ШИМ.

Благодаря наличию постоянной составляющей величины электромагнитной энергии реактора 17 он может выполнять функцию буферного накопителя (фильтра), позволяя снизить требуемую энергоемкость фильтрового конденсатора 3 и исключить электролитические конденсаторы с низкой надежностью из его состава (батареи), даже при питании устройства пульсирующим (выпрямленным сетевым) напряжением.

При возврате (рекуперации) энергии из цепи нагрузки обратно в источник постоянного тока, например при работе с двигательной нагрузкой в режиме рекуперативного торможения предлагаемое устройство работает в качестве трансформаторно-выпрямительного устройства. Роль выпрямителя при этом выполняют обратные диоды 11, 12 и 14, а роль выходного фильтра - реактор 17, который может быть и зашунтирован ключами 31 и 33.

Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение внешней вольтамперной характеристики регулируемого «источника тока», а также дополнительные технические результаты: снижение требований к качеству питающей электроэнергии, а именно - расширение диапазона допустимых средних уровней и размахов пульсаций питающего напряжения, например, выпрямленного сетевого, повышение надежности устройства, а именно - термостойкости, безотказности и срока службы за счет исключения электролитического емкостного фильтра, а также исключения аварийного режима из-за насыщения трансформатора при асимметричных вольтсекундных параметрах питающего его напряжения (так называемого «трансформатора тока»).

Claims (2)

1. Импульсный трансформаторный инвертор, содержащий входные выводы для подключения источника постоянного тока, зашунтированные фильтровым конденсатором, выходные выводы для подключения нагрузки переменного тока, трансформатор, имеющий первичную обмотку со средним выводом и вторичную обмотку, шунтирующую выходные выводы устройства, электронную двухключевую стойку, шунтирующую своими крайними одноименными выводами первичную обмотку трансформатора и зашунтированную обратными диодами, электронный модуляторный ключ, также зашунтированный обратным диодом, двухдиодную стойку со встречно соединенными диодами, подключенную средним выводом к первому силовому выводу модуляторного ключа, реактор, первый снабберный конденсатор и блок управления, имеющий основные выходные выводы, подключенные к управляющим выводам двухключевой стойки и модуляторного ключа, а также цепи обратных связей по выходным параметрам с датчиками токов и напряжения, отличающийся тем, что в него введены электронная двухвентильная стойка и второй снабберный конденсатор, а блок управления снабжен дополнительными выходными выводами, подключенными к управляющим выводам двухвентильной стойки, средний вывод которой через реактор подключен к среднему выводу двухключевой стойки, а каждый из одноименных крайних выводов через соответствующий снабберный конденсатор подключен к соответствующему крайнему выводу первичной обмотки трансформатора, а через соответствующий диод двухдиодной стойки подключен к среднему выводу этой обмотки, соединенному через модуляторный ключ с первым входным выводом устройства, а реактор включен между средним выводом двухключевой стойки и вторым входным выводом устройства.

2. Импульсный трансформаторный инвертор по п. 1, отличающийся тем, что в него введена шунтирующая цепь в виде полууправляемого косого моста, состоящего из двух согласно-параллельных диодно-ключевых стоек, подключенных к выводам реактора, и третьего снабберного конденсатора, включенного между средними выводами этих стоек, а блок управления снабжен вспомогательными выходными выводами.