RU145994U1 - Трансформаторный инвертор - Google Patents

Abstract

1. Трансформаторный инвертор, содержащий входные выводы для подключения источника постоянного напряжения, зашунтированные фильтровым конденсатором, выходные выводы для подключения нагрузки переменного тока, трансформатор, имеющий первичную обмотку со средним выводом и вторичную обмотку, шунтирующую выходные выводы, электронную двухключевую стойку, с обратными диодами шунтирующую своими крайними одноименными выводами первичную обмотку трансформатора и подключенную средним выводом к первому входному выводу устройства, ограничительную цепь, состоящую из снабберного конденсатора и двухвентильной стойки, шунтирующей своими крайними одноименными выводами первичную обмотку трансформатора и подключенной средним выводом через снабберный конденсатор ко второму входному выводу устройства, цепь рекуперации энергии рассеяния, состоящую из диодно-ключевой стойки и балластного дросселя, включенного между вторым входным выводом устройства и средним выводом диодно-ключевой стойки, включенной своими крайними выводами между средним выводом двухдиодной стойки ограничительной цепи и первым входным выводом устройства, а также блок управления с парой основных модуляторных выходных выводов, и дополнительным выходным выводом, подключенным к управляющему выводу диодно-ключевой стойки, отличающийся тем, что в него введены реактор и шунтирующий его управляемый электронный ключ, включенные между средним выводом первичной обмотки трансформатора и вторым входным выводом устройства, и диод, включенный между средними выводами двухдиодной стойки и первичной обмотки трансформатора, вентили двухвентильной стойки вы�

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.А., 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 трансформаторный инвертор, содержащий входные выводы, зашунтированные фильтровым конденсатором, выходные выводы, трансформатор, имеющий первичную обмотку со средним выводом и вторичную обмотку, двухключевую стойку с обратными диодами, ограничительную цепь, состоящую из снабберного конденсатора и двухвентильной стойки, цепь рекуперации энергии рассеяния, состоящую из диодно-ключевой стойки и балластного дросселя, а также блок управления с парой основных модуляторных выходных выводов и дополнительным выходным выводом ВВЕДЕНЫ реактор, шунтирующий его управляемый вентиль и диод, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательными выходными выводами и ВЫПОЛНЕН с возможностью синхронизации включающих фронтов и временного сдвига выключающих спадов управляющих импульсов в паре основных модуляторных выходных выводов.

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 трансформаторного инвертора.

Трансформаторный инвертор содержит: входные выводы 1, 2 для подключения источника постоянного напряжения, 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, двухключевую стойку 9-10 с обратными диодами, ограничительную цепь 11, состоящую из мнабберного конденсатора 12 и двухвентильной стойки 13-14, цепь рекуперации энергии рассеяния 15, состоящую из диодно-ключевой стойки 16-17 и балластного дросселя 18, а также блок управления 19 с парой основных модуляторных выходных выводов 20 и дополнительным выходным выводом 21, реактор 22 и шунтирующий его управляемый электронный ключ 23, а также диод 24. Блок управления снабжен также вспомогательными выходными выводами 25 и 26.

Двухключевая стойка 9-10 шунтирует своими крайними одноименными выводами первичную обмотку 7 трансформатора 6 и подключена своим средним выводом к первому входному выводу 1 устройства. Двухвентильная стойка 13-14 ограничительной цепи 11 шунтирует своими крайними одноименными выводами первичную обмотку 7 трансформатора 6 и подключена своим средним выводом через снабберный конденсатор 12 ко второму входному выводу 2 устройства. Балластный дроссель 18 цепи рекуперации энергии рассеяния 15 включен между вторым входным выводом 2 устройства и средним выводом диодно-ключевой стойки 16-17, включенной своими крайними выводами между средним выводом двухвентильной стойки 13-14 ограничительной цепи 11 и первым входным выводом 1 устройства. Реактор 22 с шунтирующим его управляемым ключом 23 включены между средним выводом первичной обмотки 7 трансформатора 6 и вторым входным выводом 2 устройства. Диод 24 включен между средними выводами двухвентильной стойки 13-14 и первичной обмотки 7 трансформатора 6.

Блок управления 19 своими основными модуляторными выходными выводами 20 подключен к управляющим выводам двухключевой стойки 9-10, своим дополнительным выходным выводом 21 подключен к управляющему выводу ключа 17 диодно-ключевой стойки 16-17, а своим вспомогательными выходными выводами 25 и 26 - к управляющим выводам управляемого ключа 23 и управляемых вентилей 13, 14.

Блок управления 19 выполнен с возможностью синхронизации включающих фронтов и взаимного временного (фазового) сдвига выключающих спадов управляющих импульсов, формируемых в паре основных модуляторных выходных выводов 20 (помимо возможности поочередной подачи управляющих импульсов на эти выводы).

В качестве ключей двухключевой стойки 9-10 и ключа 17 диодно-ключевой стойки 16-17 используются транзисторы, а в качестве управляемого ключа 23 - либо IGBT-транзистор со встроенным в цепь коллектора обратно-блокирующим диодом (показан на чертеже), либо двуоперационный тиристор. В случае использования однооперационного тиристора для его искусственного запирания может применяться кратковременное синхронное включение ключей 9 и 10.

В качестве конденсаторов 3 и 12 могут быть использованы пленочные, бумажные или керамические конденсаторы с относительно небольшой энергоемкостью по сравнению с электролитическими конденсаторами.

Предлагаемый трансформаторный инвертор работает следующим образом. К входным выводам 1, 2 подключают источник постоянного или пульсирующего знакопостоянного напряжения, например выход выпрямителя однофазного сетевого напряжения. К выходным выводам 4, 5 подключают нагрузку переменного тока повышенной частоты, например, газоразрядную, светодиодную, выпрямительно-аккумуляторную, выпрямительно-емкостную и другие, требующие питания от «источника тока» (с задаваемым регулируемым током, не зависящим от напряжения на нагрузке).

На основных модуляторных выходных выводах 20 и на дополнительном выходном выводе 21 блока управления 19 формируются широтно-модулированные высокочастотные импульсные сигналы с постоянным периодом T_ШИМ.

Если мгновенные значения напряжения источника U_2-1 превышает величину напряжения на нагрузке U_4-5·K_ТР, приведенного через коэффициент трансформации (K_ТР) к одной секции (половине) первичной обмотки 7 трансформатора 6, то устройство работает в режиме «понижения напряжения» (подобно прототипу). При включении ключа 9 в нулевой момент времени t=0 ток реактора 22 нарастает по цепи: 2-22-7-9-1, трансформируя часть энергии источника в нагрузку (через контур намагничивания трансформатора) и запасая часть электромагнитной энергии в контуре индуктивностей рассеяния трансформатора бив реакторе 22 в течение длительности включающего импульса: t_И=γ_ИT_ШИМ» где γ_И - коэффициент заполнения импульса. После выключения ключа 9 и включения вентиля 13 ток реактора частично или полностью плавно спадает по цепям: 22-7-13-12-22 и 22-24-12-22, поддерживаемый за счет э.д.с. самоиндукции в 22, заряжая конденсатор 12 ограничительной цепи 11 в течение длительности паузы: Δt_Π<0,5T_ШИМ-t_И=(0,5-γ_И)T_ШИМ. В момент времени t=0,5T_ШИМ включается ключ 10, и указанные процессы повторяются с учетом осевой («зеркальной») симметрии силовой схемы устройства. Далее описанные процессы периодически повторяются с периодом T_ШИМ.

В режиме «повышения напряжения» (U_2-1<U_4-5·K_ТР) устройство работает по типу так называемых, повышающих (бустерных) импульсных модуляторов. При одновременном (синхронном) включении ключей 9 и 10 первичная обмотка 7 трансформатора 6 коротко-замыкается по намагничивающему контуру (благодаря вычитанию потокосцеплений ее секций), сохраняя только часть индуктивности рассеяния. При этом ток реактора 22 ускоренно нарастает под действием приложенного к нему напряжения, приближающегося к напряжению питания, в течение длительности t_И=γ_ИT_ШИМ. Затем включается ключ 23 а ключи 9, 10 - выключаются. При этом ток реактора в течение длительности паузы Δt_П=γ_ПT_ШИМ приблизительно сохраняется в замкнутой накоротко цепи: 22-23-22 благодаря э.д.с. самоиндукции реактора, а токи секций первичной обмотки 7 трансформатора 6 относительно быстро спадают по цепям зарядки конденсатора 12 через диоды 13 и 14. По окончании длительности паузы один из ключей (9 или 10) двухключевой стойки 9-10 включается вместе с выключением шунтирующего ключа 23, и ток реактора 22, подзарядив конденсатор 12 через диоды 13, 14 и 24, плавно, но быстро переключается в цепь намагничивающего контура трансформатора 6, трансформируя часть (дозу) накопленной в реакторе электромагнитной энергии и энергии источника в нагрузку. Далее указанные процессы периодически повторяются с периодом T_ШИМ, но с чередованием выключений ключей 9 и 10, обеспечивающим перемагничивание магнитопровода трансформатора 6. При этом трансформатор 6 по своей функции является «трансформатором тока», не требующим противонасыщающего «симметрирования» вольт-секундных параметров разнополярных питающих импульсов. Благодаря переключению режимов «понижения» и «повышения» напряжений устройство может работать в широком диапазоне средних уровней и размахов пульсаций напряжения питающего источника, например однофазного выпрямителя. Энергия, регулярно накапливаемая в конденсаторе 12 ограничительной цепи 11, передается (рекуперирует) в питающий источник или во входной фильтровый конденсатор 3 через цепь 15 рекуперации энергии рассеяния, представляющую собой общеизвестный «понижающий» импульсный конвертор и работающий так же, как в прототипе.

При относительно малой энергоемкости фильтрового конденсатора 3 и существенных пульсациях питающего напряжения (например, выпрямленного сетевого - однофазного) функцию сглаживающего фильтра может выполнять реактор 22 при соответствующем увеличении его энергоемкости (0,5LI²). Это позволяет исключить энергоемкие электролитические конденсаторы из состава устройства, выполнив конденсаторы 3 и 12 пленочными, бумажными или керамическими.

Таким образом, в предлагаемом трансформаторном инверторе, в отличие от прототипа обеспечивается основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение внешней вольт-амперной характеристики регулируемого «источника тока».

Кроме этого обеспечиваются дополнительные технические результаты: снижение требований к качеству питающей электроэнергии, а именно - расширение диапазона допустимых средних уровней и размахов пульсаций питающего напряжения; повышение надежности устройства, а именно - термостойкости, безотказности и срока службы, а также за счет исключения аварийного режима из-за насыщения трансформатора.

Claims (2)

1. Трансформаторный инвертор, содержащий входные выводы для подключения источника постоянного напряжения, зашунтированные фильтровым конденсатором, выходные выводы для подключения нагрузки переменного тока, трансформатор, имеющий первичную обмотку со средним выводом и вторичную обмотку, шунтирующую выходные выводы, электронную двухключевую стойку, с обратными диодами шунтирующую своими крайними одноименными выводами первичную обмотку трансформатора и подключенную средним выводом к первому входному выводу устройства, ограничительную цепь, состоящую из снабберного конденсатора и двухвентильной стойки, шунтирующей своими крайними одноименными выводами первичную обмотку трансформатора и подключенной средним выводом через снабберный конденсатор ко второму входному выводу устройства, цепь рекуперации энергии рассеяния, состоящую из диодно-ключевой стойки и балластного дросселя, включенного между вторым входным выводом устройства и средним выводом диодно-ключевой стойки, включенной своими крайними выводами между средним выводом двухдиодной стойки ограничительной цепи и первым входным выводом устройства, а также блок управления с парой основных модуляторных выходных выводов, и дополнительным выходным выводом, подключенным к управляющему выводу диодно-ключевой стойки, отличающийся тем, что в него введены реактор и шунтирующий его управляемый электронный ключ, включенные между средним выводом первичной обмотки трансформатора и вторым входным выводом устройства, и диод, включенный между средними выводами двухдиодной стойки и первичной обмотки трансформатора, вентили двухвентильной стойки выполнены управляемыми, а блок управления снабжен вспомогательными выходными выводами, подключенными к управляющим выводам управляемого электронного ключа и управляемых вентилей.

2. Трансформаторный инвертор по п.1, отличающийся тем, что его блок управления выполнен с возможностью синхронизации включающих фронтов и взаимного временного сдвига выключающих спадов управляющих импульсов, формируемых в паре основных модуляторных выходных выводов.