RU2558681C1

RU2558681C1 - Independent voltage inverter to supply load through transformer with low coupling coefficient between its windings

Info

Publication number: RU2558681C1
Application number: RU2014111547/07A
Authority: RU
Inventors: Геннадий Ефграфович Кувшинов; Леонид Анатольевич Наумов; Юрий Геньевич Себто; Владимир Александрович Герасимов; Алексей Юрьевич Филоженко; Павел Игоревич Чепурин; Михаил Владимирович Красковский
Priority date: 2014-03-25
Filing date: 2014-03-25
Publication date: 2015-08-10

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: invention is related to electric engineering, in particular to devices for direct to alternating current conversion. An independent inverter (1) receives input voltage from a direct current source (2) and it feeds the load (4) through a transformer (3) with a low coupling coefficient between its windings. The inverter (1) is composed of the following components: an input capacitor (5), a valve switch (6) and a series-resonant circuit (7). The valve switch of a bridge type consists of arms (13), (14), (15) and (16), each of them consisting of a transistor and a diode. The series-resonant circuit (7) and a primary winding (23) of the transformer 3 are connected to output terminals (21) and (22) of the inverter (1). A secondary winding (24) is coupled to input terminals (25) and (26) of a rectifier (10) included into the load circuit (4). Between input terminals (17) and (18) of a semi-bridge valve switch (6) with capacitance divider there are two capacitors (31) and (32) of the same capacitance. The function of the direct current source (2) is implemented by accordant series connection of two direct current sources (34) and (35) having the same voltage.

EFFECT: reducing currents of the independent inverter as well as the capacitance, size and weight of its input capacitor.

5 cl, 6 dwg

Description

Предлагаемый автономный инвертор напряжения относится к электротехнике, в частности, к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный, и наоборот, постоянного тока в переменный с использованием только полупроводниковых приборов: транзисторов и диодов. Автономный инвертор напряжения - это устройство, преобразующее напряжение постоянного тока, подаваемое на его вход, в пропорциональное переменное напряжение на его выходе. В состав предлагаемого автономного инвертора напряжения входит трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками. Такой автономный инвертор, как правило, работает при высокой частоте коммутации (свыше 10 кГц), а входящий в него трансформатор состоит из двух частей: первичной и вторичной обмоток, которые соединяются, образуя трансформатор, только на время работы автономного инвертора. Указанные части такого трансформатора располагаются на разных объектах, например, на зарядной станции и на транспортном средстве, на которое передается электроэнергия для заряда аккумулятора, расположенного на этом средстве. Наличие зазора между обмотками трансформатора, а также полное или частичное отсутствие у него частей магнитного сердечника и являются причинами низкого коэффициента связи между обмотками трансформатора.The proposed stand-alone voltage inverter relates to electrical engineering, in particular, to devices for converting alternating current to direct, and vice versa, direct current to alternating current using only semiconductor devices: transistors and diodes. A stand-alone voltage inverter is a device that converts the DC voltage supplied to its input into a proportional alternating voltage at its output. The composition of the proposed autonomous voltage inverter includes a transformer with a low coupling coefficient between its windings. Such an autonomous inverter, as a rule, operates at a high switching frequency (over 10 kHz), and the transformer included in it consists of two parts: the primary and secondary windings, which are connected to form a transformer only for the duration of the autonomous inverter. The indicated parts of such a transformer are located at different facilities, for example, at a charging station and on a vehicle to which electricity is transmitted to charge the battery located on this vehicle. The presence of a gap between the transformer windings, as well as the complete or partial absence of parts of the magnetic core, are the reasons for the low coupling coefficient between the transformer windings.

Известно применение автономного инвертора напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками (Патент РФ №2401496 «Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта», заявл. 25.06.2009, опуб. 10.10.2010. Бюл. №28, фиг.1). Автономный инвертор напряжения аналога содержит вентильный коммутатор, входной конденсатор и трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками. Вентильный коммутатор составлен из плеч, каждое из которых обладает двусторонней проводимостью и состоит из встречно-параллельно включенного транзистора и диода. Положительный и отрицательный входные зажимы вентильного коммутатора являются соответственно положительным и отрицательным входными зажимами инвертора. При этом положительный входной зажим вентильного коммутатора подключен к положительному зажиму источника напряжения постоянного тока, к отрицательному зажиму которого подключен отрицательный входной зажим вентильного коммутатора. С входными зажимами вентильного коммутатора соединен входной конденсатор большой емкости, который является неотъемлемой частью инвертора напряжения. Этот конденсатор, обеспечивающий ускоренный переход тока с транзистора одного плеча на диод другого, должен располагаться как можно ближе к зажимам плеч, чтобы снизить индуктивность электрических соединений, и, тем самым, уменьшить коммутационные перенапряжения. К выходным зажимам вентильного коммутатора подключена первичная обмотка указанного трансформатора. Зажимы вторичной обмотки трансформатора являются выходными зажимами инвертора, от которых питается его нагрузка.It is known to use a stand-alone voltage inverter to power a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings (RF Patent No. 2401496 "Device for charging a rechargeable battery of an underwater object", filed June 25, 2009, publ. 10.10.2010. Bull. No. 28, fig. .one). An autonomous analog voltage inverter contains a gate switch, an input capacitor, and a transformer with a low coupling coefficient between its windings. The gate switch is composed of shoulders, each of which has two-sided conductivity and consists of a counter-parallel connected transistor and a diode. The positive and negative input terminals of the valve switch are respectively the positive and negative input terminals of the inverter. In this case, the positive input terminal of the valve switch is connected to the positive terminal of the DC voltage source, to the negative terminal of which the negative input terminal of the valve switch is connected. An input capacitor of large capacity, which is an integral part of the voltage inverter, is connected to the input terminals of the valve switch. This capacitor, providing an accelerated current transfer from the transistor of one arm to the diode of the other, should be located as close as possible to the clamps of the arms to reduce the inductance of the electrical connections, and thereby reduce switching overvoltages. The primary winding of the specified transformer is connected to the output terminals of the valve switch. The terminals of the secondary winding of the transformer are the output terminals of the inverter, from which its load is fed.

У аналога вентильный коммутатор выполнен по мостовой схеме. При этом входной конденсатор непосредственно подключен между положительным и отрицательным входными зажимами вентильного коммутатора, в который входят первое, второе, третье и четвертое плечи. К положительному входному зажиму вентильного коммутатора подключены катоды диодов первого и третьего плеч, а к отрицательному входному зажиму - аноды диодов второго и четвертого плеч. Анод диода первого плеча и катод диода второго плеча присоединены к первому выходному зажиму этого коммутатора. К его второму выходному зажиму присоединены анод диода третьего плеча и катод диода четвертого плеча. В мостовой схеме использовано наибольшее количество плеч - четыре.The analog valve switch is made according to the bridge circuit. In this case, the input capacitor is directly connected between the positive and negative input terminals of the valve switch, which includes the first, second, third and fourth arms. The cathodes of the diodes of the first and third arms are connected to the positive input terminal of the valve switch, and the anodes of the diodes of the second and fourth arms are connected to the negative input terminal. The anode of the diode of the first arm and the cathode of the diode of the second arm are connected to the first output terminal of this switch. To its second output terminal are connected the anode of the diode of the third arm and the cathode of the diode of the fourth arm. The bridge used the largest number of shoulders - four.

Вентильный коммутатор может быть выполнен не только по мостовой схеме. В других вариантах коммутатора имеются всего два плеча. Основным из них является вариант, выполненный по полумостовой схеме с емкостным делителем. Этот вариант имеют не только указанное преимущество в количестве плеч по сравнению с вентильным коммутатором мостового типа, но и проигрывает этому варианту по другим показателям. В инверторе с полумостовым вентильным коммутатором и емкостным делителем в два раза увеличено входное напряжение, а вместо одного входного конденсатора в таком инверторе установлены два одинаковых конденсатора (N. Mohan, Т.М. Underland, W.P. Robbins, Power electronics, John Wiley & Sons, Inc., New Yore, 2003. - 820 p., Figure 8-10). Так как у конденсаторов с одинаковыми номинальными параметрами имеются отклонение их емкости от номинального значения и, кроме того, имеются отличия характеристик диодов и транзисторов различных плеч, то напряжения конденсаторов не будут строго одинаковыми, без применения специальных выравнивающих устройств. Наиболее употребительно использование двух последовательно соединенных плеч, составленных из диодов и транзисторов. Схема подключения этих плеч такая же, как у первого и второго плеча вентильного коммутатора мостового типа. Однако система управления транзисторами этих плеч выполняет другую функцию, не такую, как у коммутатора мостового типа: она измеряет напряжения конденсаторов делителя и выравнивает их. Если имеется не один источник входного напряжения инвертора, а два, которые соединены последовательно и согласно и имеют равные напряжения, то необходимость применения дополнительных вентильных плеч для выравнивания указанных напряжений отпадает. Тогда средняя точка двух входных источников напряжения соединяется со средней точкой двух входных конденсаторов инвертора напряжения.The gate switch can be made not only according to the bridge circuit. In other versions of the switch, there are only two shoulders. The main one is the half-bridge version with a capacitive divider. This option has not only the indicated advantage in the number of shoulders in comparison with the bridge-type valve switch, but also loses to this option by other indicators. In an inverter with a half-bridge gate switch and a capacitive divider, the input voltage is doubled, and instead of one input capacitor, such an inverter has two identical capacitors (N. Mohan, T.M. Underland, WP Robbins, Power electronics, John Wiley & Sons, Inc., New Yore, 2003 .-- 820 p., Figure 8-10). Since capacitors with the same nominal parameters have a deviation of their capacitance from the nominal value and, in addition, there are differences in the characteristics of diodes and transistors of different arms, the voltage of the capacitors will not be exactly the same, without the use of special equalizing devices. The most common use of two series-connected arms, composed of diodes and transistors. The connection diagram of these arms is the same as that of the first and second arms of the bridge-type valve switch. However, the transistor control system of these arms performs a different function, not the same as that of a bridge-type switch: it measures the voltage of the divider capacitors and equalizes them. If there is not one source of input voltage of the inverter, but two that are connected in series and in accordance and have equal voltages, then the need to use additional valve arms to equalize these voltages disappears. Then the midpoint of the two input voltage sources is connected to the midpoint of the two input capacitors of the voltage inverter.

Применительно к конкретным условиям и требованиям может быть признан наилучшим тот или другой из перечисленных вариантов исполнения вентильного коммутатора.In relation to specific conditions and requirements, one or the other of the listed versions of the gate switch design can be recognized as the best.

В качестве нагрузки в аналоге (Патент РФ №2401496 «Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта», заявл. 25.06.2009, опуб. 10.10.2010. Бюл. №28, фиг.1) применен однофазный мостовой выпрямитель, входные зажимы которого подключены к зажимам вторичной обмотки трансформатора, а к выходным зажимам выпрямителя присоединен конденсатор сглаживающего фильтра. Получаемая от инвертора электрическая энергия передается в цепь, подключенную к этому конденсатору. Первичная и вторичная обмотки трансформатора находятся в двух разных блоках, защищенных герметичными оболочками. Каждая из этих двух оболочек имеет выполненную из изоляционного материала контактную стенку, толщина которой достигает нескольких миллиметров. В рабочем режиме указанные блоки находятся под водой, при этом наружные, контактные, поверхности этих стенок плотно прилегают одна к другой. Ко вторым, противоположным контактным, поверхностям этих стенок плотно прилегают, в одном конструктивном блоке, торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты, а в другом конструктивном блоке - торец вторичной обмотки этого трансформатора. В рабочем режиме оси обмоток совпадают, а их торцы находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Тем самым указанные обмотки образуют трансформатор, который, из-за указанного расположения его обмоток, имеет малое значение коэффициента

связи между обмотками, где М - взаимная индуктивность между обмотками трансформатора, a L₁ и L₁ индуктивности первичной и вторичной обмоток. В частности, трансформатор указанного назначения, который предназначен для питания от инвертора с частотой f=12,5 кГц, имеет следующие параметры: М=21,3 мкГн, L₁=58,4 мкГн, L₂=18,2 мкГн, k=0,65.As a load in the analogue (RF Patent No. 2401496 “Device for charging the battery of an underwater object”, application form. 06/25/2009, publ. 10/10/2010. Bull. No. 28, figure 1) used a single-phase bridge rectifier, the input terminals of which are connected to the terminals of the secondary winding of the transformer, and a smoothing filter capacitor is connected to the output terminals of the rectifier. The electrical energy received from the inverter is transferred to a circuit connected to this capacitor. The primary and secondary windings of the transformer are in two different units, protected by hermetic shells. Each of these two shells has a contact wall made of insulating material, the thickness of which reaches several millimeters. In the operating mode, these blocks are under water, while the outer, contact, surfaces of these walls fit tightly against one another. The ends of the primary winding of the transformer of increased frequency are tightly adjacent to the second, opposite contact, surfaces of these walls, in one structural block, and the end of the secondary winding of this transformer in the other structural block. In the operating mode, the axis of the windings coincide, and their ends are at a minimum distance from each other. Thus, these windings form a transformer, which, due to the specified location of its windings, has a small coefficient

the connection between the windings, where M is the mutual inductance between the transformer windings, a L ₁ and L ₁ inductance of the primary and secondary windings. In particular, the transformer of this purpose, which is designed to be powered by an inverter with a frequency of f = 12.5 kHz, has the following parameters: M = 21.3 μH, L ₁ = 58.4 μH, L ₂ = 18.2 μH, k = 0.65.

Если выполнить гармоническую линеаризацию рассматриваемого трансформатора, нагруженного на выпрямитель, к которому подключен конденсатор сглаживающего фильтра, то этот выпрямитель может быть заменен резистором с сопротивлением R, а трансформатор с указанной нагрузкой можно заменить двумя параллельно включенными проводимостями: активной g и индуктивной b. Вполне допустимо пренебрегать малыми величинами: активными сопротивлениями обмоток трансформатора и падениями напряжений в прямом направлении у диодов выпрямителя. Тогда при холостом ходе трансформатора, когда разомкнута цепь, подключенная к выходным зажимам выпрямителя R=R₀=∞, входная активная проводимость трансформатора g₀ равна нулю, а модуль его входной индуктивной проводимости равен b₀=(ωL1)^-1, где ω=2πf - угловая частота автономного инвертора. В режиме короткого замыкания, когда выходные зажимы выпрямителя замкнуты накоротко, R=R_k=0, входная активная проводимость трансформатора g_k также равна нулю, а модуль его входной индуктивной проводимости равен b_k=(ωL₁(1-k²))^-1. Видно, что индуктивная проводимость b_k при коротком замыкании больше, чем при холостом ходе b₀ (для рассматриваемого примера - в 1,74 раза). В этом режиме токи и первичной, и вторичной обмоток трансформатора достигают максимальных значений. Параметры трансформатора, входное напряжение инвертора и его частоту выбирают такими, чтобы обеспечить заданное значение I_{out. max} выпрямленного тока вторичной обмотки трансформатора при ее коротком замыкании, так как этот ток является начальным током заряда незаряженного конденсатора сглаживающего фильтра. При некотором значении R=R_m индуктивная проводимость b_m равна среднему значению между b₀ и b_k, а активная проводимость достигает максимума g_m. Этот максимум в несколько раз меньше соответствующей индуктивной проводимости b_m (для рассматриваемого примера в 3,7 раза), при этом коэффициент мощности, потребляемой первичной обмоткой трансформатора, очень мал (для рассматриваемого примера он составляет 0,26). Если сопротивление нагрузки вторичной обмотки не равно R_m, а больше или меньше его, то коэффициент мощности становится еще меньше.If we perform harmonic linearization of the transformer under consideration, loaded on a rectifier, to which a smoothing filter capacitor is connected, then this rectifier can be replaced by a resistor with resistance R, and a transformer with the indicated load can be replaced by two conductors connected in parallel: active g and inductive b. It is permissible to neglect small quantities: the active resistances of the transformer windings and the voltage drops in the forward direction of the rectifier diodes. Then, when the transformer is idling, when the circuit connected to the output terminals of the rectifier R = R ₀ = ∞ is open, the input active conductivity of the transformer g ₀ is zero, and the module of its input inductive conductivity is b ₀ = (ωL1) ^-1 , where ω = 2πf is the angular frequency of the autonomous inverter. In the short circuit mode, when the output terminals of the rectifier are short-circuited, R = R _k = 0, the input active conductivity of the transformer g _{k is} also equal to zero, and the module of its input inductive conductivity is equal to b _k = (ωL ₁ (1-k ² )) ^{- 1} . It can be seen that the inductive conductivity b _k during short circuit is greater than when idling b ₀ (for the considered example - 1.74 times). In this mode, the currents of both the primary and secondary windings of the transformer reach their maximum values. The parameters of the transformer, the input voltage of the inverter and its frequency are chosen so as to provide a specified value of I _{out. max} rectified current of the secondary winding of the transformer during its short circuit, since this current is the initial charge current of the uncharged capacitor of the smoothing filter. For some value of R = R _{m, the} inductive conductivity b _m is equal to the average value between b ₀ and b _k , and the active conductivity reaches a maximum g _m . This maximum is several times smaller than the corresponding inductive conductivity b _m (3.7 times for the example under consideration), while the power factor consumed by the primary winding of the transformer is very small (for this example, it is 0.26). If the load resistance of the secondary winding is not equal to R _m , but more or less than it, then the power factor becomes even less.

Слишком малое значение максимального коэффициента мощности является существенным недостатком аналога, при любой схеме использованного вентильного коммутатора, что является следствием низкого значения коэффициента связи между разнесенными обмотками трансформатора. Увеличенное в несколько раз, по сравнению с минимально необходимым, значение выходного тока инвертора вызывает следующие последствия:Too small a value of the maximum power factor is a significant drawback of the analogue, for any circuit used valve switch, which is a consequence of the low value of the coupling coefficient between the spaced windings of the transformer. Increased by several times, compared with the minimum necessary, the value of the inverter output current causes the following consequences:

необходимость выбора транзисторов и диодов инвертора с завышенными номинальными токами;the need to select transistors and diodes of the inverter with overestimated rated currents;

увеличение потерь мощности в этих полупроводниковых приборах, их массы и стоимости;increased power losses in these semiconductor devices, their mass and cost;

усложнение проблемы отвода тепла, соответствующего этим потерям.the complication of the heat removal problem corresponding to these losses.

Из-за малого значения коэффициента мощности реактивная составляющая выходного тока вентильного коммутатора значительно больше активной составляющей его выходного тока. По этой причине входной ток инвертора почти половину периода этого тока имеет отрицательное значение, то есть, направлен от входных зажимов вентильного коммутатора в сторону источника питания инвертора. Этот ток замыкается через входной конденсатор инвертора. Для снижения пульсаций входного напряжения инвертора емкость входного конденсатора должна быть большой. При среднем значении входного тока инвертора порядка нескольких десятков ампер эта емкость достигает нескольких сотен микрофарад. Увеличенное значение входной емкости инвертора является еще одним проявлением указанного недостатка: слишком малого значение максимального коэффициента мощности.Due to the small value of the power factor, the reactive component of the output current of the valve switch is much larger than the active component of its output current. For this reason, the inverter input current has a negative value for almost half the period of this current, that is, it is directed from the input terminals of the valve switch to the inverter power source. This current closes through the input capacitor of the inverter. To reduce the ripple of the input voltage of the inverter, the capacitance of the input capacitor must be large. With an average inverter input current of the order of several tens of amperes, this capacity reaches several hundred microfarads. The increased value of the input capacitance of the inverter is another manifestation of this drawback: the value of the maximum power factor is too small.

Известен также автономный резонансный инвертор для питания нагрузки через трансформатор. Это устройство является наиболее близким по технической сущности, по составу его элементов и связям между ними, к заявляемому устройству. Особенность прототипа заключается в последовательном включении последовательного резонансного контура и нагрузки. Принципиальная схема автономного резонансного инвертора для питания нагрузки через трансформатор описана в (Мелешин В.И. «Транзисторная преобразовательная техника», М.: Техносфера, 2005, с.294 - 296, рис.13.7, а, в). На указанных рисунках приведены схемы автономных резонансных инверторов с двумя различными вентильными коммутаторами: мостовым и полумостовым с емкостным делителем.Also known as an autonomous resonant inverter to power the load through a transformer. This device is the closest in technical essence, in the composition of its elements and the relationships between them, to the claimed device. A feature of the prototype is the sequential inclusion of a series resonant circuit and load. The circuit diagram of an autonomous resonant inverter for supplying a load through a transformer is described in (Meleshin V.I. “Transistor Converter Technology”, M .: Technosphere, 2005, p. 294 - 296, fig. 13.7, a, c). The figures show the diagrams of autonomous resonant inverters with two different gate switches: bridge and half-bridge with a capacitive divider.

Автономный инвертор-прототип содержит вентильный коммутатор, составленный из плеч, каждое из которых обладает двусторонней проводимостью и состоит из встречно-параллельно включенного транзистора и диода, входной конденсатор, трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками и последовательный резонансный контур, который образован из конденсатора переменного тока и реактора. Емкость этого конденсатора равна C_rk, а индуктивность реактора - L_rk. Входной конденсатор соединен с положительным и отрицательным входными зажимами инвертора, которые являются также соответственно положительным и отрицательным входными зажимами вентильного коммутатора. При этом положительный входной зажим вентильного коммутатора подключен к положительному зажиму источника напряжения постоянного тока, к отрицательному зажиму которого подключен отрицательный входной зажим вентильного коммутатора. Первый внешний зажим резонансного контура подключен к первому выходному зажиму вентильного коммутатора, ко второму выходному зажиму которого подключен первый зажим первичной обмотки трансформатора, а зажимы вторичной обмотки трансформатора являются выходными зажимами инвертора, от которых питается его нагрузка.An autonomous prototype inverter contains a gate switch composed of arms, each of which has two-sided conductivity and consists of a counter-parallel connected transistor and a diode, an input capacitor, a transformer with a low coupling coefficient between its windings and a series resonant circuit, which is formed from an alternating capacitor current and reactor. The capacitance of this capacitor is C _rk , and the reactor inductance is L _rk . The input capacitor is connected to the positive and negative input terminals of the inverter, which are also respectively the positive and negative input terminals of the valve switch. In this case, the positive input terminal of the valve switch is connected to the positive terminal of the DC voltage source, to the negative terminal of which the negative input terminal of the valve switch is connected. The first external terminal of the resonant circuit is connected to the first output terminal of the valve switch, the first terminal of the primary winding of the transformer is connected to the second output terminal of the transformer, and the terminals of the secondary winding of the transformer are the output terminals of the inverter, from which its load is supplied.

У прототипа второй внешний зажим упомянутого резонансного контура присоединен ко второму зажиму первичной обмотки указанного трансформатора. При этом упомянутый резонансный контур и первичная обмотка указанного трансформатора оказываются соединенными последовательно, образуя электрическую цепь, включенную между первым и вторым выходным зажимами инвертора.In the prototype, a second external terminal of said resonant circuit is connected to a second terminal of the primary winding of said transformer. Moreover, the resonant circuit and the primary winding of the specified transformer are connected in series, forming an electric circuit connected between the first and second output terminals of the inverter.

В качестве нагрузки в прототипе применен однофазный мостовой выпрямитель, входные зажимы которого подключены к зажимам вторичной обмотки трансформатора, а к выходным зажимам выпрямителя присоединен конденсатор сглаживающего фильтра. Если использовать перечисленные выше допущения и, с применением гармонической линеаризации, заменить нагрузку трансформатора резистором, имеющим сопротивление R_нг, то входное сопротивление первичной обмотки нагруженного трансформатора прототипа целесообразно представить в виде последовательного соединения активного сопротивления R и эквивалентной индуктивности L. Эта индуктивность изменяется от минимального значения L_k, соответствующего режиму короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора, до максимального значения L₀, соответствующего режиму его холостого хода. Резонансная частота цепи, состоящей из нагруженного трансформатора и включенного последовательно с его первичной обмоткой резонансного контура с индуктивностью L_rk и емкостью C_rk, равна

. Нормальная работа автономных резонансных инверторов рассматриваемого вида обеспечивается при выполнении условия: резонансная частота f₀ должна быть больше частоты коммутации транзисторов инвертора f. (Это условие должно соблюдаться и при наибольшем значении индуктивности L=L₀). Тогда форма выходного тока автономного резонансного инвертора близка к последовательности знакопеременных полусинусоидальных импульсов, разделенных промежутками времени с нулевым значением тока. С увеличением индуктивности L_rk снижается диапазон изменения частоты f₀. При этом можно получить желаемое максимальное значение указанных промежутков времени с нулевым значением тока. Следует отметить, что для рассматриваемого назначения инвертора (нагрузкой служит зарядное устройство аккумуляторов) такая особенность резонансного инвертора с последовательным включением нагрузки - форма выходного тока близка к последовательности полусинусоидальных импульсов - не требуется.As the load in the prototype, a single-phase bridge rectifier is used, the input terminals of which are connected to the terminals of the secondary winding of the transformer, and a smoothing filter capacitor is connected to the output terminals of the rectifier. If we use the above assumptions and, using harmonic linearization, replace the transformer load with a resistor having a resistance of R _ng , then the input resistance of the primary winding of a loaded prototype transformer should be represented as a series connection of the active resistance R and the equivalent inductance L. This inductance varies from the minimum value L _k, a short circuit mode corresponding to the transformer secondary winding to a maximum value L _0, The appropriate mode of its idling. The resonant frequency of the circuit, consisting of a loaded transformer and connected in series with its primary winding of the resonant circuit with inductance L _rk and capacitance C _rk , is

. The normal operation of autonomous resonant inverters of the type under consideration is ensured when the condition is met: the resonant frequency f ₀ must be greater than the switching frequency of the inverter f transistors. (This condition must also be satisfied with the largest inductance value L = L ₀ ). Then the shape of the output current of the autonomous resonant inverter is close to a sequence of alternating half-sine pulses, separated by time intervals with a zero current value. As the inductance L _rk increases, the frequency range f ₀ decreases. In this case, you can get the desired maximum value of these time intervals with a zero current value. It should be noted that for the purpose of the inverter (the battery charger serves as the load), such a feature of a resonant inverter with a series connection of the load - the shape of the output current is close to a sequence of half-sinusoidal pulses - is not required.

При тех же, что и у аналога, параметрах трансформатора и частоте коммутации заданное значение I_{out. max} выпрямленного тока вторичной обмотки трансформатора при ее коротком замыкании можно получить, если к входу инвертора подвести напряжение постоянного тока, которое в несколько раз меньше чем у аналога. Это обстоятельство не является преимуществом резонансного инвертора, так как при снижении входного напряжения инвертора требуется во столько же раз увеличить среднее значение его входного тока. Выходной ток вентильного преобразователя инвертора является также током резонансного контура и первичной обмотки трансформатора. Если выходной ток выпрямителя в режиме его короткого замыкания равен I_{out. max}, то средние по модулю значения входного напряжения и входного тока первичной обмотки, а также токов транзисторов и диодов вентильного преобразователя прототипа практически не отличаются от аналогичных величин аналога.With the same as the analogue, the parameters of the transformer and the switching frequency, the set value I _{out. max} rectified current of the secondary winding of the transformer during its short circuit can be obtained if the DC voltage is applied to the inverter input, which is several times less than that of the analogue. This fact is not an advantage of a resonant inverter, since when the input voltage of the inverter decreases, the average value of its input current must be increased by the same amount. The output current of the inverter valve converter is also the current of the resonant circuit and the primary winding of the transformer. If the output current of the rectifier in its short circuit mode is equal to I _{out. max} , then the average modulo values of the input voltage and input current of the primary winding, as well as the currents of transistors and diodes of the valve converter of the prototype, practically do not differ from similar analog values.

Отсюда следует, что прототипу в полной мере присущ недостаток, совпадающий с указанным недостатком аналога. Это увеличенное в несколько раз, по сравнению с минимально необходимым, значение выходного тока инвертора.It follows that the prototype is fully inherent in the disadvantage that matches the specified disadvantage of the analogue. This is a several-fold increase in comparison with the minimum necessary value of the inverter output current.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение выходного тока автономного инвертора при использовании его для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между обмотками этого трансформатора, что приведет к снижению перечисленных выше отрицательных последствий. Кроме того, необходимо представить набор таких вариантов решения этой задачи, из которых можно выбрать наилучший для конкретных условий применения предлагаемого изобретения.The problem to which the invention is directed is to reduce the output current of a stand-alone inverter when used to power a load through a transformer with a low coupling coefficient between the windings of this transformer, which will reduce the above negative consequences. In addition, it is necessary to provide a set of such solutions to this problem, from which you can choose the best for the specific application conditions of the invention.

Поставленная задача достигается тем, что в автономном инверторе напряжения, содержащем вентильный коммутатор, который составлен из плеч, каждое из которых обладает двусторонней проводимостью и состоит из встречно-параллельно включенного транзистора и диода, входной конденсатор, соединенный с положительным и отрицательным входными зажимами инвертора, которые являются также соответственно положительным и отрицательным входными зажимами вентильного коммутатора, трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками и последовательный резонансный контур, который образован из конденсатора переменного тока и реактора, при этом положительный входной зажим вентильного коммутатора подключен к положительному зажиму источника напряжения постоянного тока, к отрицательному зажиму которого подключен отрицательный входной зажим вентильного коммутатора, а первый внешний зажим резонансного контура подключен к первому выходному зажиму вентильного коммутатора, ко второму выходному зажиму которого подключен первый зажим первичной обмотки трансформатора, причем зажимы вторичной обмотки трансформатора являются выходными зажимами инвертора, от которых питается его нагрузка, второй внешний зажим резонансного контура подключен ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора, а к его первому выходному зажиму подключен второй зажим первичной обмотки указанного трансформатора.The problem is achieved in that in an autonomous voltage inverter containing a valve switch, which is composed of arms, each of which has two-sided conductivity and consists of a counter-parallel connected transistor and a diode, an input capacitor connected to the positive and negative input terminals of the inverter, which are also positive and negative input terminals of the valve switch, a transformer with a low coupling coefficient between its windings and the resonant resonant circuit, which is formed from an AC capacitor and a reactor, while the positive input terminal of the valve switch is connected to the positive terminal of the DC voltage source, to the negative terminal of which is connected the negative input terminal of the valve switch, and the first external terminal of the resonant circuit is connected to the first output terminal of the valve switch, to the second output terminal of which the first terminal of the primary winding of the transformer is connected, and The secondary windings of the transformer are the output terminals of the inverter, from which its load is supplied, the second external terminal of the resonant circuit is connected to the second output terminal of the valve switch, and the second terminal of the primary winding of the specified transformer is connected to its first output terminal.

Поставленная задача достигается также тем, что резонансная частота упомянутого резонансного контура превосходит частоту первой гармоники выходного напряжения этого инвертора.The task is also achieved by the fact that the resonant frequency of the resonant circuit exceeds the frequency of the first harmonic of the output voltage of this inverter.

Поставленная задача достигается также тем, что входящий в автономный инвертор напряжения вентильный коммутатор выполнен по мостовой схеме, при этом входной конденсатор непосредственно подключен между положительным и отрицательным входными зажимами вентильного коммутатора, в который входят первое, второе, третье и четвертое плечи, причем катоды диодов первого и третьего плеч подключены к положительному входному зажиму вентильного коммутатора, а к его отрицательному входному зажиму подключены аноды диодов второго и четвертого плеч, при этом анод диода первого плеча и катод диода второго плеча подключены к первому выходному зажиму вентильного коммутатора, а анод диода третьего плеча и катод диода четвертого плеча подключены к его второму выходному зажиму.The task is also achieved by the fact that the gate switch included in the autonomous voltage inverter is made according to the bridge circuit, while the input capacitor is directly connected between the positive and negative input terminals of the gate switch, which includes the first, second, third and fourth arms, and the cathodes of the first diodes and the third shoulders are connected to the positive input terminal of the valve switch, and the anodes of the diodes of the second and fourth shoulders are connected to its negative input terminal, p and the anode of the diode of the first arm and the second arm of the diode cathode connected to the first output terminal of the switch valve, and the anode of the third diode shoulder and a cathode of the fourth diode are connected to the shoulder its second output terminal.

Поставленная задача достигается также тем, что входящий в автономный инвертор напряжения вентильный коммутатор выполнен по полумостовой схеме с емкостным делителем и двумя, верхним и нижним плечами с двусторонней проводимостью, в вентильный коммутатор введен второй входной конденсатор, последовательно включенный с первым входным конденсатором, при этом оба этих конденсатора имеют одинаковую емкость и образуют емкостной делитель напряжения между положительным и отрицательным входными зажимами инвертора, функцию источника напряжения постоянного тока выполняет согласное последовательное соединение двух источников напряжения постоянного тока, имеющих одинаковое напряжение, положительный и отрицательный внешние зажимы этого соединения источников подключены соответственно к положительному и отрицательному входным зажимам инвертора, а средний зажим последовательного соединения конденсаторов подключен к первому выходному зажиму вентильного коммутатора и к среднему зажиму указанного последовательного соединения источников напряжения постоянного тока, причем катод диода верхнего плеча подключен к положительному входному зажиму вентильного коммутатора, а к его отрицательному входному зажиму подключен анод диода нижнего плеча, при этом анод диода верхнего плеча и катод диода нижнего плеча подключены ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора.The task is also achieved by the fact that the gate switch included in the autonomous voltage inverter is made according to a half-bridge circuit with a capacitive divider and two, upper and lower arms with two-sided conductivity, a second input capacitor is introduced in series with the first input capacitor, both of which these capacitors have the same capacitance and form a capacitive voltage divider between the positive and negative input terminals of the inverter, the function of the voltage source I DC consonant performs a series connection of two DC voltage sources having the same voltage, the positive and negative external terminals of this source connection are connected to the positive and negative input terminals of the inverter, and the middle terminal of the series connection of capacitors is connected to the first output terminal of the valve switch and to the middle clamp of the specified serial connection of DC voltage sources, and atod upper arm diode connected to the positive input terminal of the switch valve, and to its negative input terminal connected to the anode of the diode of the lower arm, wherein the anode of the diode of the upper arm and the lower arm diode cathode connected to the second output terminal of the switch valve.

Поставленная задача достигается также тем, что первичная и вторичная обмотки входящего в автономный инвертор напряжения трансформатора выполнены в виде коаксиальных круговых плоских катушек.The task is also achieved by the fact that the primary and secondary windings of the transformer included in the autonomous inverter are made in the form of coaxial circular flat coils.

Два основных отличительных признака предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:The two main distinguishing features of the proposed solution perform the following functional tasks:

- признак 1: «…второй внешний зажим резонансного контура подключен ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора, а к его первому выходному зажиму подключен второй зажим первичной обмотки указанного трансформатора» обеспечивает включение последовательного резонансного контура не последовательно с первичной обмоткой трансформатора, а параллельно ей. При этом выходной ток вентильного коммутатора инвертора не равен току, потребляемому первичной обмоткой указанного трансформатора, а отличается от него на ток, проходящий по упомянутому резонансному контуру. Тем самым открывается возможность уменьшить выходной ток вентильного преобразователя инвертора;- symptom 1: "... the second external terminal of the resonant circuit is connected to the second output terminal of the valve switch, and the second terminal of the primary winding of the specified transformer is connected to its first output terminal" ensures that the serial resonant circuit is switched on in parallel with the primary winding of the transformer, and parallel to it. In this case, the output current of the inverter valve switch is not equal to the current consumed by the primary winding of the specified transformer, but differs from it by the current passing through the mentioned resonant circuit. This opens up the possibility of reducing the output current of the inverter valve converter;

- признак 2: «…резонансная частота упомянутого резонансного контура превосходит частоту первой гармоники выходного напряжения этого инвертора» обеспечивает то, что первая гармоника тока, проходящего по резонансному контуру, соответствует емкостному режиму нагрузки источника напряжения переменного тока. Эта гармоника тока резонансного контура компенсирует часть первой гармоники тока, потребляемого первичной обмоткой трансформатора и соответствующего индуктивному режиму нагрузки источника напряжения переменного тока. Тем самым достигается уменьшение первой гармоники тока, генерируемого вентильным преобразователем инвертора.- symptom 2: "... the resonant frequency of the mentioned resonant circuit exceeds the frequency of the first harmonic of the output voltage of this inverter" ensures that the first harmonic of the current passing through the resonant circuit corresponds to the capacitive load mode of the AC voltage source. This harmonic current of the resonant circuit compensates for part of the first harmonic of the current consumed by the primary winding of the transformer and corresponding to the inductive load mode of the AC voltage source. Thereby, a reduction in the first harmonic of the current generated by the inverter valve converter is achieved.

Два следующих отличительных признаков предлагаемого решения дают возможность выбрать такую структуру вентильного коммутатора, которая наилучшим образом отвечает конкретным условиям эксплуатации предлагаемого решения:Two of the following distinctive features of the proposed solution make it possible to select a valve switch structure that best suits the specific operating conditions of the proposed solution:

- признак 3: «…входящий в автономный инвертор напряжения вентильный коммутатор выполнен по мостовой схеме, при этом входной конденсатор непосредственно подключен между положительным и отрицательным входными зажимами вентильного коммутатора, в который входят первое, второе, третье и четвертое плечи, причем катоды диодов первого и третьего плеч подключены к положительному входному зажиму вентильного коммутатора, а к его отрицательному входному зажиму подключены аноды диодов второго и четвертого плеч, при этом анод диода первого плеча и катод диода второго плеча подключены к первому выходному зажиму вентильного коммутатора, а анод диода третьего плеча и катод диода четвертого плеча подключены к его второму выходному зажиму»;- sign 3: “... the valve switch included in the autonomous voltage inverter is made according to the bridge circuit, while the input capacitor is directly connected between the positive and negative input terminals of the valve switch, which includes the first, second, third and fourth arms, and the cathodes of the first and the third shoulders are connected to the positive input terminal of the valve switch, and the anodes of the diodes of the second and fourth arms are connected to its negative input terminal, while the anode of the diode of the first shoulder and the cathode of the diode of the second arm is connected to the first output terminal of the valve switch, and the anode of the diode of the third arm and the cathode of the diode of the fourth arm are connected to its second output terminal ";

- признак 4: «…входящий в автономный инвертор напряжения вентильный коммутатор выполнен по полумостовой схеме с емкостным делителем и двумя, верхним и нижним плечами с двусторонней проводимостью, в вентильный коммутатор введен второй входной конденсатор, последовательно включенный с первым входным конденсатором, при этом оба этих конденсатора имеют одинаковую емкость и образуют емкостной делитель напряжения между положительным и отрицательным входными зажимами инвертора, функцию источника напряжения постоянного тока выполняет согласное последовательное соединение двух источников напряжения постоянного тока, имеющих одинаковое напряжение, положительный и отрицательный внешние зажимы этого соединения источников подключены соответственно к положительному и отрицательному входным зажимам инвертора, а средний зажим последовательного соединения конденсаторов подключен к первому выходному зажиму вентильного коммутатора и к среднему зажиму указанного последовательного соединения источников напряжения постоянного тока, причем катод диода верхнего плеча подключен к положительному входному зажиму вентильного коммутатора, а к его отрицательному входному зажиму подключен анод диода нижнего плеча, при этом анод диода верхнего плеча и катод диода нижнего плеча подключены ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора».- sign 4: “... the gate switch included in the stand-alone voltage inverter is made according to a half-bridge circuit with a capacitive divider and two, upper and lower arms with two-sided conductivity, a second input capacitor connected in series with the first input capacitor is introduced into the valve switch, both of which capacitors have the same capacitance and form a capacitive voltage divider between the positive and negative input terminals of the inverter, the function of the DC voltage source is performed according to Another series connection of two DC voltage sources having the same voltage, the positive and negative external terminals of this source connection are connected to the positive and negative input terminals of the inverter, and the middle terminal of the series connection of capacitors is connected to the first output terminal of the valve switch and to the middle terminal of the specified series connection of DC voltage sources, and the cathode of the upper arm diode is connected ene to the positive input terminal of the switch valve, and to its negative input terminal connected to the anode of the diode of the lower arm, wherein the anode of the diode of the upper arm and the lower arm diode cathode connected to the second output terminal of the switch valve. "

Последний отличительный признаки предлагаемого решения определяют основные конструктивные особенности трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками:The last distinguishing features of the proposed solution determine the main design features of a transformer with a low coupling coefficient between its windings:

- признак 5: «…первичная и вторичная обмотки входящего в автономный инвертор напряжения трансформатора выполнены в виде коаксиальных круговых плоских катушек» облегчает стыковку катушек, расположенных в разных объектах, с образованием трансформатора и обеспечивает достижение максимального значения коэффициента связи между обмотками трансформатора при выполнении вентильного коммутатора по мостовой или полумостовой схемам. При прочих равных условиях коэффициент связи между двумя коаксиальными круговыми плоскими катушками выше, чем между катушками другой формы.- sign 5: “... the primary and secondary windings of the transformer included in the autonomous inverter are made in the form of coaxial circular flat coils” facilitates the coupling of coils located in different objects with the formation of the transformer and ensures the maximum value of the coupling coefficient between the transformer windings when performing a valve switch on bridge or half-bridge schemes. Other things being equal, the coupling coefficient between two coaxial circular flat coils is higher than between coils of another shape.

Технический результат, который получается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Предлагаемое изменение структуры автономного инвертора напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками: включение последовательного резонансного контура не последовательно с первичной обмоткой трансформатора, а параллельно ей, а также исполнение рекомендации по выбору резонансной частоты указанного контура - позволяют уменьшить первую гармонику тока, генерируемого вентильным преобразователем инвертора. Этот эффект приводит к следующим последствиям:The technical result that is obtained when solving the problem is expressed in the following. The proposed change in the structure of an autonomous voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings: switching on a serial resonant circuit not in series with the primary winding of the transformer, but parallel to it, as well as following the recommendation on choosing the resonant frequency of this circuit, can reduce the first harmonic current generated by the inverter valve converter. This effect leads to the following consequences:

- обеспечивается выбор транзисторов и диодов инвертора с уменьшенными номинальными токами;- provides a selection of transistors and diodes of the inverter with reduced rated currents;

- уменьшаются потери мощности в этих полупроводниковых приборах, их масса и стоимость;- reduced power losses in these semiconductor devices, their mass and cost;

- упрощается проблема отвода тепла, соответствующего этим потерям,- simplifies the problem of heat removal corresponding to these losses,

- снижаются емкость, размеры и масса входного конденсатора инвертора.- reduced capacity, size and weight of the input capacitor of the inverter.

Предлагаемые варианты построения вентильного коммутатора, входящего в автономный инвертор напряжения позволяют учесть те дополнительные требования к конструкции вентильного коммутатора, которые следуют из условий эксплуатации инвертора.The proposed options for constructing a valve switch included in an autonomous voltage inverter allow you to take into account those additional requirements for the design of the valve switch that follow from the operating conditions of the inverter.

На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря этой совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.Based on the foregoing, we can conclude that the set of essential features of the claimed invention has a causal relationship with the achieved technical result, i.e. due to this combination of essential features of the invention, it became possible to solve the problem. Therefore, the claimed invention is new, has an inventive step and is suitable for use.

На фиг.1 представлена электрическая структурная схема автономного инвертора, предназначенного для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками, при построении вентильного коммутатора, входящего в состав автономного инвертора, по мостовой схеме.Figure 1 presents the electrical structural diagram of a stand-alone inverter, designed to power the load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings, when building a valve switch, which is part of a stand-alone inverter, according to the bridge circuit.

На фиг.2 показана схема замещения трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками.Figure 2 shows the equivalent circuit of a transformer with a low coupling coefficient between its windings.

На фиг.3 представлена электрическая структурная схема автономного инвертора, предназначенного для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками, при построении вентильного коммутатора выполнен по полумостовой схеме с емкостным делителем.Figure 3 presents the electrical structural diagram of an autonomous inverter designed to power the load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings, when constructing a valve switch, it is made according to a half-bridge circuit with a capacitive divider.

На фиг.4, 5 и 6 приведены осциллограммы токов и напряжений инвертора и обмоток трансформатора при его работе в следующих режимах: фиг.4 - в режиме короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора, фиг.5 - в режиме холостого хода трансформатора, фиг.6 - в режиме передачи максимума активной мощности.Figure 4, 5 and 6 shows the waveforms of the currents and voltages of the inverter and the transformer windings when it is operating in the following modes: Fig. 4 - in the short circuit mode of the secondary winding of the transformer, Fig. 5 - in the idle mode of the transformer, Fig. 6 - in the mode of maximum active power transmission.

Как следует из фиг.1, автономный инвертор 1 напряжения получает входное напряжение U от источника 2 постоянного тока и через трансформатор 3 с низким коэффициентом связи между его обмотками питает нагрузку 4. Инвертор 1 содержит входной конденсатор 5 с емкостью C_in, вентильный коммутатор 6 и последовательный резонансный контур 7, состоящий из реактора 8 с индуктивностью L_rc и конденсатора 9 с емкостью C_rc. Цепь нагрузки 4 содержит однофазный мостовой выпрямитель 10, выходной конденсатор 11 с емкостью C_out и источник 12 тока нагрузки, который начинает функционировать после того, как напряжение на конденсаторе 11 достигнет требуемого значения. В автономный инвертор 1 напряжения входит вентильный коммутатор мостового типа, состоящий из первого 13, второго 14, третьего 15 и четвертого 16 плеч, каждое из которых обладает двусторонней проводимостью и состоит из встречно-параллельно включенных транзистора и диода. Катоды диодов первого 13 и третьего 15 плеч подключены к положительному входному зажиму 17 инвертора 1, а к его отрицательному входному зажиму 18 - аноды диодов второго 14 и четвертого 16 плеч. Между входными зажимами 17 и 18 инвертора 1 включен его входной конденсатор с емкостью C_in. Зажимы 17 и 18 присоединены к выходным зажимам 19 и 20 источника 2 постоянного тока. Анод диода первого 13 плеча и катод диода второго 14 плеча подключены к первому выходному зажиму 21 инвертора 1. К его второму выходному зажиму 22 подключены анод диода третьего 15 плеча и катод диода четвертого 16 плеча. Между выходными зажимами 21 и 22 инвертора 1 включены параллельно соединенные резонансный контур 7 и первичная обмотка 23 трансформатора 3. Вторичная обмотка 24 трансформатора 3 подключена к входным зажимам 25 и 26 выпрямителя 4, между выходными зажимами 27 и 28 которого включены параллельно соединенные выходной конденсатор 11 и источник 12 тока нагрузки.As follows from figure 1, a stand-alone voltage inverter 1 receives the input voltage U from a DC source 2 and feeds a load 4 through a transformer 3 with a low coupling coefficient between its windings. Inverter 1 contains an input capacitor 5 with a capacitance C _in , a valve switch 6 and a series resonant circuit 7, consisting of a reactor 8 with an inductance L _rc and a capacitor 9 with a capacitance C _rc . The load circuit 4 contains a single-phase bridge rectifier 10, an output capacitor 11 with a capacitance C _out, and a load current source 12, which begins to function after the voltage across the capacitor 11 reaches the desired value. The autonomous voltage inverter 1 includes a bridge-type valve switch, consisting of the first 13, second 14, third 15 and fourth 16 arms, each of which has two-sided conductivity and consists of transistor and diode connected in parallel. The cathodes of the diodes of the first 13 and third 15 arms are connected to the positive input terminal 17 of the inverter 1, and the anode diodes of the second 14 and fourth 16 arms are connected to its negative input terminal 18. Between the input terminals 17 and 18 of the inverter 1 is included in its input capacitor with a capacity of C _in . The terminals 17 and 18 are connected to the output terminals 19 and 20 of the direct current source 2. The anode of the diode of the first 13 arms and the cathode of the diode of the second 14 arms are connected to the first output terminal 21 of the inverter 1. To its second output terminal 22 are connected the anode of the diode of the third 15 arms and the cathode of the diode of the fourth 16 arms. Between the output terminals 21 and 22 of the inverter 1, a resonant circuit 7 and a primary winding 23 of the transformer 3 are connected in parallel. The secondary winding 24 of the transformer 3 is connected to the input terminals 25 and 26 of the rectifier 4, between the output terminals 27 and 28 of which the parallel connected output capacitor 11 and source 12 of the load current.

На фиг.2 изображена Т-образная схема замещения трансформатора 3, содержащая три ветви, с индуктивностями: L₁-М, М и L₂-M. Эти ветви имеют общий, расчетный, узел 29, который отсутствует у реального трансформатора 3. Через другой фиктивный узел 30 зажим 22 первичной обмотки 23 трансформатора 3 соединяется с зажимом 22 вторичной обмотки 24 трансформатора 3. В этой схеме замещения одна из индуктивностей имеет отрицательное значение: у понижающего трансформатора L₁>М и L₂<M, поэтому отрицательна индуктивность L₂-М, а у повышающего трансформатора L₁<М и L₂>М, поэтому отрицательна индуктивность L₁-М.Figure 2 shows the T-shaped equivalent circuit of the transformer 3, containing three branches, with inductances: L ₁ -M, M and L ₂ -M. These branches have a common, calculated, node 29, which is absent in the real transformer 3. Through another dummy node 30, the terminal 22 of the primary winding 23 of the transformer 3 is connected to the terminal 22 of the secondary winding 24 of the transformer 3. In this equivalent circuit, one of the inductances has a negative value: the step-down transformer L ₁ > M and L ₂ <M, therefore the inductance L ₂ -M is negative, and the step-up transformer L ₁ <M and L ₂ > M, therefore the inductance L ₁ -M is negative.

Основное отличие электрической структурной схемы автономного инвертора 1, показанной на фиг.3, от аналогичной схемы этого инвертора, приведенной на фиг.1, состоит в следующем. В вентильном коммутаторе 6 содержатся не четыре, как на фиг.1, а два плеча, в каждое из которых входят встречно-параллельно включенные транзистор и диод.The main difference between the electrical structural diagram of a stand-alone inverter 1, shown in figure 3, from a similar circuit of this inverter, shown in figure 1, is as follows. In the gate switch 6 contains not four, as in figure 1, but two shoulders, each of which includes counter-parallel connected transistor and diode.

У полумостового вентильного коммутатора с емкостным делителем (фиг.3) отсутствуют показанные на фиг.1 первое 13 и второе 14 плечи вентильного коммутатора 6. Вместо входного конденсатора 5 с емкостью C_in (фиг.1) между положительным 17 и отрицательным 18 входными зажимами вентильного коммутатора 6 включено последовательное соединение двух конденсаторов 31 и 32. Емкость каждого из этих конденсаторов также равна C_in, как и у входного конденсатора 5, подключенного к зажимам 17 и 18 на фиг.1. Средний зажим 33 последовательного соединения конденсаторов 31 и 32 подключен к первому выходному зажиму 21 вентильного коммутатора 6. Функцию источника напряжения постоянного тока 2 выполняет согласное последовательное соединение двух источников напряжения постоянного тока 34 и 35, имеющих одинаковое напряжение. Положительный 19 и отрицательный 20 внешние зажимы этого соединения источников подключены соответственно к положительному 17 и отрицательному 18 входным зажимам инвертора 1. Средний зажим 36 последовательного соединения источников напряжения 34 и 35 постоянного тока подключен к среднему зажиму 33 последовательного соединения конденсаторов 31 и 32. Входное напряжение полумостового вентильного коммутатора 6 с емкостным делителем равно 2 U, то есть в два раза больше, чем у мостового коммутатора (фиг.1).The half-bridge gate switch with a capacitive divider (figure 3) does not have the first 13 and second 14 shoulders of the gate switch shown in figure 1. Instead of the input capacitor 5 with a capacitance C _in (figure 1) between the positive 17 and 18 negative input terminals of the valve switch 6 includes a series connection of two capacitors 31 and 32. The capacitance of each of these capacitors is also equal to C _in , as well as the input capacitor 5 connected to the terminals 17 and 18 in figure 1. The middle terminal 33 of the series connection of the capacitors 31 and 32 is connected to the first output terminal 21 of the valve switch 6. The function of the DC voltage source 2 performs a consistent series connection of two DC voltage sources 34 and 35 having the same voltage. The positive 19 and negative 20 external terminals of this source connection are connected respectively to the positive 17 and 18 negative input terminals of the inverter 1. The middle terminal 36 of the serial connection of DC voltage sources 34 and 35 is connected to the middle terminal 33 of the series connection of capacitors 31 and 32. The input voltage of the half-bridge valve switch 6 with a capacitive divider is equal to 2 U, that is, two times more than that of the bridge switch (figure 1).

Работа устройства.The operation of the device.

Ниже рассматривается работа такого автономного инвертора 1 напряжения, предназначенного для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками, у которого вентильный коммутатор 6 выполнен по мостовой (фиг.1) или полумостовой (фиг.3) схемам. Падения напряжения в транзисторах и диодах вентильных коммутаторов 6, а также в соединительных проводах учитываться не будут. Для обеих указанных разновидностей вентильного коммутатора 6 принято одно и то же значение U амплитуды импульсов выходного напряжения вентильного коммутатора 6. При этом напряжение источника 2 также равно U для мостовой схемы вентильного коммутатора 6 и 2 U - для полумостовой схемы. Это отличие должно учитываться при выборе транзисторов и диодов, входящих в плечи вентильных коммутаторов 6. Когда проводят ток одни плечи мостового коммутатора 6 (фиг.1), к двум другим плечам подводится напряжение U. Если же проводит ток одно плечо полумостового коммутатора (фиг.3), то к другому плечу подводится напряжение 2 U. Отсюда следует, что для полумостовых вентильных коммутаторов диоды и транзисторы выбираются по напряжению, которое в два раза больше, чем для мостового коммутатора. Параметры трансформатора 3 для обеих указанных разновидностей вентильного коммутатора 6 принимаются одинаковыми.Below, we consider the operation of such an autonomous voltage inverter 1, designed to power the load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings, in which the valve switch 6 is made according to the bridge (Fig. 1) or half-bridge (Fig. 3) circuits. The voltage drops in the transistors and diodes of the valve switches 6, as well as in the connecting wires will not be taken into account. For both of these varieties of the valve switch 6, the same value U of the pulse amplitude of the output voltage of the valve switch 6. The voltage of the source 2 is also equal to U for the bridge circuit of the valve switch 6 and 2 U for the half-bridge circuit. This difference should be taken into account when choosing transistors and diodes included in the arms of the gate switches 6. When one arm of the bridge switch 6 conducts current (Fig. 1), voltage U is applied to the other two arms. If, however, one arm of the half-bridge commutator conducts current (Fig. 3), then a voltage of 2 U is applied to the other arm. From this it follows that for half-bridge gate switches, diodes and transistors are selected according to the voltage, which is two times higher than for the bridge switch. The parameters of the transformer 3 for both of these varieties of the valve switch 6 are assumed to be the same.

Таким образом, построение вентильного коммутатора 6 по мостовой и полумостовой схемам не влияет на форму выходного напряжения вентильного коммутатора 6 и на работу трансформатора 3.Thus, the construction of the valve switch 6 according to the bridge and half-bridge schemes does not affect the shape of the output voltage of the valve switch 6 and the operation of the transformer 3.

С учетом приведенных допущений и пояснений можно ограничиться описанием работы предлагаемого автономного инвертора только для одного варианта исполнения его вентильного коммутатора, а именно для коммутатора мостового типа.Based on the above assumptions and explanations, one can limit oneself to the description of the operation of the proposed autonomous inverter for only one embodiment of its gate switch, namely, for a bridge type switch.

До подключения входных зажимов 17 и 18 инвертора 1 к зажимам 19 и 20 источника 2 напряжения постоянного тока входной конденсатор 5 инвертора 1 должен быть предварительно заряжен до напряжения U источника 2, чтобы не было больших бросков зарядного тока этого конденсатора. Предварительная зарядка может осуществляться или от источника 2, через токоограничивающие элементы (на фиг.1 они не показаны), или от постороннего зарядного устройства. После подключения инвертора 1 напрямую к источнику 2 работа инвертора 1 и других элементов, показанных на фиг.1, начинается после того, как будет обеспечено такое взаимное расположение первичной 23 и вторичной 24 обмоток, которое соответствует рабочему режиму инвертора 1. В этом режиме оси обмоток 23 и 24 совпадают, а их торцы находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Тем самым указанные обмотки образуют трансформатор 3, который, из-за указанного расположения его обмоток, имеет малое значение коэффициента

связи между обмотками 23 и 24, где М - взаимная индуктивность между этими обмотками, a L₁ и L₂ индуктивности первичной 23 и вторичной 24 обмоток.Before connecting the

input terminals

17 and 18 of the inverter 1 to the

terminals

19 and 20 of the DC voltage source 2, the input capacitor 5 of the inverter 1 must be pre-charged to the voltage U of the source 2 so that there are no large surges of the charging current of this capacitor. Pre-charging can be carried out either from source 2, through current-limiting elements (they are not shown in FIG. 1), or from an external charger. After connecting the inverter 1 directly to the source 2, the operation of the inverter 1 and other elements shown in Fig. 1 starts after the mutual arrangement of the primary 23 and secondary 24 windings is ensured, which corresponds to the operating mode of the inverter 1. In this mode, the axis of the

windings

23 and 24 coincide, and their ends are at a minimum distance from each other. Thus, these windings form a transformer 3, which, due to the specified location of its windings, has a small coefficient

the connection between the

windings

23 and 24, where M is the mutual inductance between these windings, a L ₁ and L ₂ inductance of the primary 23 and secondary 24 windings.

Выходное напряжение u_vc вентильного коммутатора 6 представляет собой периодическую последовательность симметричных прямоугольных биполярных импульсов. Период T напряжения u_vc равен 1/f, где f - частота этого напряжения. Указанные импульсы разделены промежутками времени «мертвой зоны», на которых мгновенные значения напряжения u_vc равны нулю. Наличие этих промежутков устраняет возможность короткого замыкания источника 2 через два транзистора разных плеч, которые входят в одну стойку моста вентильного преобразователя 6 (плеч 13 и 14, а также 15 и 16). Падения напряжения в транзисторах и диодах коммутатора 6, при их проводящем состоянии, пренебрежимо малы по сравнению с напряжением U источника 2. Поэтому можно считать, что амплитуда прямоугольных биполярных импульсов выходного напряжения u_vc вентильного коммутатора 6 не зависит от нагрузки этого коммутатора и равна U. Осциллограмма напряжения u_vc приведена на фиг.4, а. Напряжение U источника 3 принято равным 300 В, частота f выходного напряжения u_vc равна 12,5 кГц (T=80 мкс), а время «мертвой зоны» T_dz составляет 1 мкс. Параметры трансформатора 3 такие же, что и у приведенного выше примера для аналога. Взаимная индуктивность между обмотками 23 и 24 М=21,3 мкГн, индуктивность первичной обмотки 23 L₁=58,4 мкГн, индуктивность вторичной обмотки 24 L₂=18,2 мкГн, коэффициент связи между обмотками k=0,65, активное сопротивление первичной обмотки R₁=20 мОм и вторичной обмотки R₂=5 мОм.The output voltage u _{vc of the} valve switch 6 is a periodic sequence of symmetrical rectangular bipolar pulses. The period T of the voltage u _vc is 1 / f, where f is the frequency of this voltage. These pulses are separated by time intervals of the "dead zone" at which the instantaneous voltage values u _vc are equal to zero. The presence of these gaps eliminates the possibility of a short circuit of the source 2 through two transistors of different arms, which are included in the same rack of the bridge of the valve Converter 6 (arms 13 and 14, as well as 15 and 16). The voltage drops in the transistors and diodes of the switch 6, when they are conducting, are negligible compared to the voltage U of the source 2. Therefore, we can assume that the amplitude of the rectangular bipolar pulses of the output voltage u _{vc of the} valve switch 6 is independent of the load of this switch and is equal to U. The waveform of the voltage u _vc shown in figure 4, a. The voltage U of source 3 is taken to be 300 V, the frequency f of the output voltage u _vc is 12.5 kHz (T = 80 μs), and the dead time T _dz is 1 μs. The parameters of the transformer 3 are the same as in the above example for an analog. The mutual inductance between the windings 23 and 24 M = 21.3 μH, the primary inductance 23 L ₁ = 58.4 μH, the secondary inductance 24 L ₂ = 18.2 μH, the coupling coefficient between the windings k = 0.65, active resistance primary winding R ₁ = 20 mOhm and secondary winding R ₂ = 5 mOhm.

Емкость C_out конденсатора 11 имеет большое значение, чтобы пульсации его напряжения U_out, вызываемые попеременно следующими импульсами токов транзисторов и диодов вентильного коммутатора, были пренебрежимо малы. Это напряжение в процессе заряда конденсатора 11 изменяется медленно, по отношению к выходному переменному напряжению инвертора 1. Поэтому анализ работы устройства можно производить, заменяя конденсатор 11 источником напряжения постоянного тока.The capacitance C _{out of the} capacitor 11 is of great importance, so that the ripple of its voltage U _out caused alternately by the following pulses of the currents of the transistors and diodes of the valve switch are negligible. This voltage in the process of charging the capacitor 11 changes slowly, relative to the output alternating voltage of the inverter 1. Therefore, the analysis of the operation of the device can be performed by replacing the capacitor 11 with a DC voltage source.

До начала работы инвертора 1 конденсатор 11 был незаряженным, его напряжение U_out равно нулю. Достаточно высокая точность анализа работы исследуемого устройства обеспечивается при пренебрежении падениями напряжения в диодах выпрямителя 10 и в активных сопротивлениях обмоток трансформатора 3. Результаты схемотехнического моделирования и экспериментального исследования подтверждают допустимость указанных упрощений. С учетом этих допущений, форма и амплитудные значения токов первичной 23 и вторичной 24 обмоток трансформатора 3 определяются формой выходного напряжения инвертора u_vc и двумя индуктивностями. Первая из них - это индуктивность L_1k первичной обмотки при замкнутой накоротко вторичной обмотке трансформатора 3. Она находится на основании фиг.2 как сумма индуктивности (L₁-M) с эквивалентной индуктивностью двух, включенных параллельно, индуктивностей М и (L₁-М):Before the inverter 1 started operation, the capacitor 11 was uncharged, its voltage U _out is equal to zero. A sufficiently high accuracy of the analysis of the operation of the device under study is ensured by neglecting the voltage drops in the rectifier diodes 10 and in the active resistances of the transformer windings 3. The results of circuit simulation and experimental studies confirm the validity of these simplifications. Given these assumptions, the shape and amplitude values of the currents of the primary 23 and secondary 24 windings of the transformer 3 are determined by the shape of the inverter output voltage u _vc and two inductors. The first of them is the inductance L _{1k of the} primary winding when the secondary winding of the transformer 3 is short-circuited. It is based on Fig. 2 as the sum of the inductance (L ₁ -M) with the equivalent inductance of two inductors M and (L ₁ -M connected in parallel ):

Вторая, передаточная, индуктивность L₁₂ определяет ток короткозамкнутой вторичной обмотки 24 при подведении напряжения к первичной обмотке 23 (или, наоборот, ток короткозамкнутой первичной обмотки 23 при подведении напряжения к вторичной обмотке 24). Она находится также по схеме, приведенной на фиг.2, с помощью метода ненаправленных графов:The second, transfer, inductance L ₁₂ determines the current of the short-circuited secondary winding 24 when applying voltage to the primary winding 23 (or, conversely, the current of short-circuited primary winding 23 when applying voltage to the secondary winding 24). It is also found according to the scheme shown in figure 2, using the method of undirected graphs:

Форма токов i_1k и i_2k первичной 23 и вторичной 24 обмоток трансформатора 3, при коротком замыкании вторичной обмотки, пилообразная, она представляет собой периодическую последовательность симметричных трапецеидальных биполярных импульсов (треугольных импульсов, у которых обрезана вершина). Протяженность плоской вершины этих импульсов - это время T_dz «мертвой зоны». Модули производных по времени t токов i_1k и i_2k для боковых сторон указанных биполярных импульсов, соответствующие амплитудному значению U выходного напряжения инвертора u_vc, находятся по формулам:The shape of the currents i _1k and i _{2k of the} primary 23 and secondary 24 windings of the transformer 3, in the case of a short circuit of the secondary winding, is sawtooth, it is a periodic sequence of symmetrical trapezoidal bipolar pulses (triangular pulses, in which the peak is cut off). The length of the flat top of these pulses is the time T _{dz of the} "dead zone". Modules of time derivatives of currents i _1k and i _2k for the sides of these bipolar pulses, corresponding to the amplitude value U of the inverter output voltage u _vc , are found by the formulas:

Амплитудные значения этих токов при коротком замыкании вторичной обмотки определяются выражениями:The amplitude values of these currents during a short circuit of the secondary winding are determined by the expressions:

Приведенным выше параметрам трансформатора 3 и выходного напряжения инвертора 1 соответствуют следующие значения: I_1ka=174,8 А и I_2ka=204,5 А.The above parameters of the transformer 3 and the output voltage of the inverter 1 correspond to the following values: I _1ka = 174.8 A and I _2ka = 204.5 A.

На фиг.4, 6 показаны осциллограммы токов i1 (тонкая линия) и i2 (утолщенная линия) при коротком замыкании вторичной обмотки, полученные для рассматриваемого примера с помощью схемотехнического моделирования. При моделировании учитывались активные сопротивления обмоток трансформатора 3 и падения напряжения в диодах мостового выпрямителя 10, но полученные при моделировании амплитудные значения токов i₁ и i₂ (174,7 А и 204,1 А) практически совпадают с расчетными.Figure 4, 6 shows the waveforms of the currents i1 (thin line) and i2 (thickened line) with a short circuit of the secondary winding, obtained for the considered example using circuit simulation. In the simulation, the active resistances of the transformer 3 windings and the voltage drop in the diodes of the bridge rectifier 10 were taken into account, but the amplitude values of the currents i ₁ and i ₂ (174.7 A and 204.1 A) obtained during the simulation practically coincide with the calculated ones.

Средние по модулю значения этих токов находятся по площади трапеции, имеющей основания (T/2+T_dz) и T_dz и высоту I_1ka или I_2ka:The average modulus values of these currents are found over the area of the trapezoid having bases (T / 2 + T _dz ) and T _dz and a height of I _1ka or I _2ka :

Действующие значения этих токов определяются формулами:The effective values of these currents are determined by the formulas:

Применительно к рассматриваемому примеру по формулам (5) и (6) находятся следующие значения: I_1kAVG=90 A, I_2kAVG=105 A; I_1kRMS=103 А, I_2kRMS=121 А. Отличия перечисленных значений от полученных с помощью схемотехнического моделирования не выходят за пределы 1%.In relation to the considered example, the following values are found by formulas (5) and (6): I _1kAVG = 90 A, I _2kAVG = 105 A; I _1kRMS = 103 A, I _2kRMS = 121 A. The differences between the listed values and those obtained using circuit simulation do not go beyond 1%.

Приведенные на фиг.4, 6 осциллограммы показывают, что моменты перехода токов i₁ и i₂ через нулевое значение соответствуют серединам прямоугольных биполярных импульсов выходного напряжения u_vc вентильного коммутатора 6. Следовательно, первая гармоника тока i₁ отстает от первой гармоники напряжения u_vc на угол π/2, как у индуктивного элемента. Можно уменьшить первую гармонику тока, если скомпенсировать часть ее с помощью цепи, которая включается параллельно первичной обмотке 23 трансформатора 3 и на частоте первой гармоники обладает свойством емкостного элемента. Использовать в качестве такой цепи конденсатор нельзя, так как крутые фронты выходного напряжения u_vc вентильного преобразователя 6 вызовут появление чрезмерных по амплитуде импульсов токов компенсирующего конденсатора и вентильного коммутатора 6. Для разрешения этой проблемы предлагается в качестве компенсирующей цепи применить последовательный резонансный контур 7. Его резонансная частота f₀ больше частоты f коммутации вентильного преобразователя 6. Тогда f₀=mf, где m≥1. Наличие резонансного контура 7 практически не влияет на форму и значения токов первичной 23 и вторичной 24 обмоток трансформатора 3. Лучший результат получается, если действие входной индуктивности трансформатора 3 будет скомпенсировано, когда ее значение соответствует среднему значению индуктивной составляющей b_m входной проводимости этого трансформатора (для схемы замещения трансформатора, в которой индуктивная и активная проводимости, включенные параллельно, подключены вместо трансформатора к входным зажимам его первичной обмотки). Эта индуктивность L_avg определяется нижеследующей формулой:The waveforms shown in Fig. 4, 6 show that the moments of the transition of currents i ₁ and i ₂ through a zero value correspond to the midpoints of rectangular bipolar pulses of the output voltage u _{vc of the} valve switch 6. Therefore, the first harmonic of the current i _{1 is} behind the first harmonic of the voltage u _vc by angle π / 2, as in the inductive element. You can reduce the first harmonic of the current if you compensate for part of it with a circuit that is connected in parallel with the primary winding 23 of the transformer 3 and at the frequency of the first harmonic has the property of a capacitive element. It is impossible to use a capacitor as such a circuit, since steep edges of the output voltage u _{vc of the} valve converter 6 will cause the amplitudes of the pulse currents of the compensating capacitor and the gate switch 6 to be excessive in amplitude. To solve this problem, it is proposed to use a series resonant circuit 7. Its resonant the frequency f _{0 is} greater than the switching frequency f of the valve converter 6. Then f ₀ = mf, where m≥1. The presence of the resonant circuit 7 practically does not affect the shape and values of the currents of the primary 23 and secondary 24 windings of the transformer 3. The best result is obtained if the input inductance of the transformer 3 is compensated when its value corresponds to the average value of the inductive component b _{m of the} input conductivity of this transformer (for transformer equivalent circuit, in which inductive and active conductivity, connected in parallel, are connected instead of the transformer to the input terminals of its primary winding). This inductance L _avg is defined by the following formula:

Для рассматриваемого примера L_avg=42,6 мкГн. При указанной настройке резонансного контура 7 наилучшая компенсация достигается в режиме передачи через трансформатор 3 максимума активной мощности. При коротком замыкании трансформатора 3 будет иметь место неполная компенсация его входной индуктивной проводимости, а в режиме холостого хода - перекомпенсация. Перечисленным условиям соответствует следующая система уравнений:For the considered example, L _avg = 42.6 μH. With the specified setting of the resonant circuit 7, the best compensation is achieved in the transmission mode through the transformer 3 of the maximum active power. With a short circuit of the transformer 3, there will be an incomplete compensation of its input inductive conductivity, and in the idle mode - overcompensation. These conditions correspond to the following system of equations:

Результатом решения этой системы являются выражения, определяющие индуктивность реактора 8 и емкость конденсатора 9 последовательного резонансного контура 7:The result of solving this system are expressions that determine the inductance of the reactor 8 and the capacitance of the capacitor 9 of the series resonant circuit 7:

Формулы (9) показывают, что с приближением параметра т к единице, когда резонансная частота резонансного контура 7 приближается к частоте f емкость C_rc снижается, а индуктивность L_rc растет. Последнее проявление снижения частоты f₀ приводит к большему подавлению высших гармоник тока резонансного контура и снижению действующего значения этого тока, а также тока вентильного коммутатора 6. Однако при этом увеличиваются напряжения, размеры, масса и стоимость реактора 8 и конденсатора 9. Выбор параметра т следует проводить с учетом всех перечисленных обстоятельств.Formulas (9) show that as the parameter m approaches unity, when the resonance frequency of the resonant circuit 7 approaches the frequency f, the capacitance C _rc decreases and the inductance L _rc increases. The last manifestation of a decrease in the frequency f ₀ leads to a greater suppression of the higher harmonics of the resonant circuit current and a decrease in the effective value of this current, as well as the current of the valve switch 6. However, the voltages, sizes, mass, and cost of the reactor 8 and capacitor 9 increase. carry out taking into account all of the above circumstances.

Для рассматриваемого примера при m=1,25 получены следующие значения параметров резонансного контура 7: L_rc=75,7 мкГн и C_rc - 1,37 мкФ. На фиг.4, в показаны осциллограммы токов первичной обмотки i1 (тонкая линия), вентильного преобразователя i_vc (утолщенная линия) и резонансного контура i_rc (штрихпунктирная линия), полученные с помощью схемотехнического моделирования. Ток i_vc равен сумме токов i₁ и i_rc, которые практически противоположны по своим направлениям. Поэтому фактически происходит вычитание модулей этих токов. Наглядно видно, что ток вентильного коммутатора 6 I_vc много меньше тока I1 первичной обмотки 23. Этот факт свидетельствует о полезности введения резонансного контура 7 в автономный инвертор 1. С помощью схемотехнического моделирования получены следующие значения этих токов. Их действующие значения: первичной обмотки I_1kRMS=103A, вентильного преобразователя I_vckRMS=38,8 А, резонансного контура I_rckRMS=80,2 А. И средние по модулю значения: первичной обмотки I_1kAVG=90 А, вентильного преобразователя I_vckAVG=29,8 А, резонансного контура I_rckAVG=73,4 А. Следовательно, применение резонансного контура 7 позволило снизить среднее по модулю значение тока вентильного преобразователя в 3 раза, а действующее значение этого тока в 2,7 раза.For the considered example, at m = 1.25, the following values of the parameters of the resonance circuit 7 were obtained: L _rc = 75.7 μH and C _rc - 1.37 μF. Figure 4, c shows the waveforms of the primary currents i1 (thin line), the valve converter i _vc (thickened line) and the resonant circuit i _rc (dash-dot line) obtained using circuit simulation. The current i _vc is equal to the sum of the currents i ₁ and i _rc , which are practically opposite in their directions. Therefore, in fact, the modules subtract these currents. It is clearly seen that the current of the gate switch 6 I _{vc is} much less than the current I1 of the primary winding 23. This fact indicates the usefulness of introducing a resonant circuit 7 into a stand-alone inverter 1. Using the circuit simulation, the following values of these currents are obtained. Their effective values are: primary winding I _1kRMS = 103A, valve converter I _vckRMS = 38.8 A, resonant circuit I _rckRMS = 80.2 A. And the average modulus values: primary winding I _1kAVG = 90 A, valve converter I _vckAVG = 29.8 A, resonant circuit I _rckAVG = 73.4 A. Therefore, the use of resonant circuit 7 allowed to reduce the average modulus of the valve converter current by 3 times, and the current value of this current by 2.7 times.

Другой, кроме короткого замыкания, крайний режим - это режим холостого хода. Он возникает после окончания заряда выходного конденсатора 11 при отключенной от него цепи нагрузки или при отключении этого конденсатора и источника тока нагрузки от выходных зажимов 27 и 28 выпрямителя 4. Форма напряжения вторичной обмотки 24 такая же, как и у напряжения первичной обмотки. Но амплитуда импульсов напряжения другая:Other than a short circuit, the extreme mode is the idle mode. It occurs after the end of the charge of the output capacitor 11 when the load circuit is disconnected from it or when this capacitor and the load current source are disconnected from the output terminals 27 and 28 of the rectifier 4. The voltage shape of the secondary winding 24 is the same as that of the primary winding voltage. But the amplitude of the voltage pulses is different:

У понижающего трансформатора она меньше амплитудного значения напряжения первичной обмотки. Для рассматриваемого примера U_2a=109 В. Осциллограмма напряжения первичной обмотки, полученная с помощью схемотехнического моделирования, приведена на фиг.5, а.At a step-down transformer, it is less than the amplitude value of the voltage of the primary winding. For this example, U _2a = 109 V. The waveform of the voltage of the primary winding, obtained using circuit simulation, is shown in figure 5, a.

Нагрузкой вентильного преобразователя является индуктивность L1 первичной обмотки 23 трансформатора 3. Форма тока первичной обмотки такая же, как и в режиме короткого замыкания вторичной обмотки 24 трансформатора 3. Производная тока i_1,0 первичной обмотки и его амплитуда определяются выражениями, которые получены из (3) и (4) путем замены i_1k на i_1,0, a di_1k/dt на di_1,0/dt:The load of the valve converter is the inductance L1 of the primary winding 23 of the transformer 3. The current shape of the primary winding is the same as in the short circuit mode of the secondary winding 24 of the transformer 3. The derivative of the current i _{1,0 of the} primary winding and its amplitude are determined by the expressions obtained from (3 ) and (4) by replacing i _1k by i _1,0 , and di _1k / dt by di _1,0 / dt:

Среднее по модулю I_1,0AVG и действующее I_1,0RMS значения тока первичной обмотки находятся по формулам, аналогичным (5) и (6):The average modulus I _1,0AVG and the current I _1,0RMS of the primary current are found by the formulas similar to (5) and (6):

Для рассматриваемого примера амплитуда тока первичной обмотки не-нагруженного трансформатора I_1,0a=100 А, среднее по модулю и действующее значения этого тока: I_1,0AVG=51 А, I_1,0RMS=59 А. С помощью схемотехнического моделирования получены несколько другие значения: I_1,0AVG=53 A, I_1,0RMS=61 А, которые достаточно близки к значениям, найденным по формулам (11).For the example under consideration, the amplitude of the primary winding current of the _unloaded transformer I _1.0a = 100 A, the average modulus and the effective values of this current: I _1.0AVG = 51 A, I _1.0RMS = 59 A. Using circuit simulation, several other values: I _1,0AVG = 53 A, I _1,0RMS = 61 A, which are quite close to the values found by formulas (11).

Индуктивность L₁ (58,4 мкГн) первичной обмотки 23 обмотки больше индуктивности L_avg (42,6 мкГн), для компенсации которой выбраны приведенные выше параметры фильтра 7. Поэтому при подключении этого фильтра параллельно первичной обмотке 23 трансформатора 3, наблюдается перекомпенсация индуктивной проводимости в параллельной схеме замещения трансформатора. На фиг.5, б показаны осциллограммы токов первичной обмотки i_1,0 (тонкая линия), вентильного преобразователя i_vc (утолщенная линия) и резонансного контура i_rc (штрихпунктирная линия), полученные с помощью схемотехнического моделирования. Сравнивая осциллограммы тока I_vc, приведенные на фиг.4, в и 5, 6, можно заметить, что первые гармоники этих осциллограмм противоположны по фазе. Этот факт подтверждает наличие перекомпенсации индуктивной проводимости трансформатора в режиме холостого хода. При обработке указанных осциллограмм найдены следующие средние по модулю и действующие значения выходного тока вентильного преобразователя 6: I_vcAVG=25,8 A, I_vcRMS=32,2 А, что несколько меньше, чем в режиме короткого замыкания вторичной обмотки 24 трансформатора 3. Применение резонансного контура 7 позволило в режиме холостого хода снизить среднее по модулю значение тока вентильного преобразователя в 3,5 раза, а действующее значение этого тока в 3,2 раза. Естественно, что для тока резонансного контура его форма, а также среднее по модулю и действующие значения остались такими же, как и в режиме короткого замыкания.The inductance L ₁ (58.4 μH) of the primary winding 23 of the winding is greater than the inductance L _avg (42.6 μH), for which compensation the above filter parameters are selected 7. Therefore, when this filter is connected in parallel with the primary winding 23 of transformer 3, over-compensation of the inductive conductivity is observed in parallel transformer equivalent circuit. Figure 5, b shows the waveforms of the primary currents i _1,0 (thin line), the valve converter i _vc (thickened line) and the resonant circuit i _rc (dash-dot line) obtained using circuit simulation. Comparing the waveforms of the current I _vc shown in Figs. 4, 5 and 6, it can be noted that the first harmonics of these waveforms are opposite in phase. This fact confirms the presence of overcompensation of the inductive conductivity of the transformer in idle mode. When processing the indicated waveforms, the following average moduli and effective values of the output current of the valve converter 6 were found: I _vcAVG = 25.8 A, I _vcRMS = 32.2 A, which is slightly less than in the short-circuit mode of the secondary winding 24 of transformer 3. Application resonant circuit 7 allowed in idle mode to reduce the average modulus of the current value of the valve Converter by 3.5 times, and the current value of this current by 3.2 times. Naturally, for the resonant circuit current, its shape, as well as the average modulus and effective values, remained the same as in the short circuit mode.

Режим передачи максимума активной мощности на выход выпрямителя 4 близок к режиму, при котором к выходным зажимам 27 и 28 выпрямителя 4 подключен источник напряжения постоянного тока с напряжением, которое равно половине амплитуды выходного напряжения вторичной обмотки трансформатора 3 в режиме его холостого хода. На фиг.6, а. показаны осциллограммы напряжений первичной обмотки u_vc (сплошная линия) и вторичной обмотки u₂ с амплитудой 55 В (штриховая линия), полученные с помощью схемотехнического моделирования. Видно, что напряжение u₂ отстает по фазе от напряжения u_vc и имеет более пологие передний и задний фронты. Наличие напряжения u₂ на зажимах выходной обмотки приводит к появлению соответствующих этому напряжения составляющих токов i₁ и i₂ первичной и вторичной обмоток трансформатора 3. При этом форма этих токов становится более сложной, чем в режимах холостого хода и короткого замыкания. Указанная особенность формы этих токов проявляется на их осциллограммах, приведенных на фиг.6, б: i₁ (тонкая линия) и i₂ (утолщенная линия). У обоих токов одинаковые амплитуды - 150 А и близкие средние по модулю (I_1AVG=77,2 А и I_2AVG=78,6 А) и действующие (I_1RMS=90,8 А и I_2RMS=90,2 А) значения. На фиг.6, в. показаны осциллограммы токов первичной обмотки i₁ (тонкая линия), вентильного преобразователя I_vc (утолщенная линия) и резонансного контура i_rc (штрихпунктирная линия), полученные с помощью схемотехнического моделирования. Найдены следующие средние по модулю и действующие значения выходного тока вентильного коммутатора 6 в этом режиме: I_vcAVG=34,8 A, I_vcRMS=40A, что немногим больше по сравнению с режимом короткого замыкания вторичной обмотки трансформатора 3. Применение резонансного контура 7 позволило в режиме передачи максимальной мощности снизить среднее по модулю значение тока вентильного преобразователя и его действующее значение тока в 2,6 раза.The mode of transmitting the maximum active power to the output of the rectifier 4 is close to the mode in which a DC voltage source with a voltage equal to half the amplitude of the output voltage of the secondary winding of the transformer 3 is connected to the output terminals 27 and 28 of the rectifier 4 in idle mode. 6, a. The waveforms of the voltages of the primary winding u _vc (solid line) and the secondary winding u ₂ with an amplitude of 55 V (dashed line) obtained using circuit simulation are shown. It is seen that the voltage u ₂ lags behind the phase voltage u _vc and has more gentle front and rear edges. The presence of voltage u ₂ at the terminals of the output winding leads to the appearance of corresponding voltage components of the currents i ₁ and i _{2 of the} primary and secondary windings of the transformer 3. Moreover, the shape of these currents becomes more complex than in idle and short circuit modes. The indicated feature of the shape of these currents is manifested in their oscillograms shown in Fig.6, b: i ₁ (thin line) and i ₂ (thickened line). Both currents have the same amplitudes - 150 A and close average modulo (I _1AVG = 77.2 A and I _2AVG = 78.6 A) and current (I _1RMS = 90.8 A and I _2RMS = 90.2 A) values . 6, c. waveforms of primary currents i ₁ (thin line), valve converter I _vc (thickened line) and resonant circuit i _rc (dash-dotted line) obtained using circuit simulation are shown. The following average moduli and effective values of the output current of the gate switch 6 were found in this mode: I _vcAVG = 34.8 A, I _vcRMS = 40A, which is slightly larger compared to the short circuit mode of the secondary winding of transformer 3. The use of resonant circuit 7 allowed in the maximum power transmission mode, reduce the average modulus value of the current of the valve converter and its current value by 2.6 times.

Таким образом, результаты анализа работы предложенного устройства показали его превосходство над прототипом:Thus, the results of the analysis of the proposed device showed its superiority over the prototype:

среднее по модулю и действующее значения выходного тока автономного инвертора, при использовании его для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между обмотками этого трансформатора, снижаются не менее чем в 2,5 раза.the absolute value and the effective value of the output current of the autonomous inverter, when used to power the load through a transformer with a low coupling coefficient between the windings of this transformer, are reduced by at least 2.5 times.

Это преимущество обеспечивает выбор транзисторов и диодов инвертора с уменьшенными номинальными токами; позволяет снизить потери мощности в этих полупроводниковых приборах, их массу и стоимость; облегчает отвод тепла, соответствующего этим потерям. Кроме того, указанное преимущество позволяет снизить емкость, размеры, массу и стоимость входного конденсатора инвертора.This advantage provides a choice of transistors and diodes of the inverter with reduced rated currents; allows to reduce power losses in these semiconductor devices, their mass and cost; facilitates the removal of heat corresponding to these losses. In addition, this advantage allows to reduce the capacity, size, weight and cost of the input capacitor of the inverter.

Claims

1. An autonomous voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings, comprising a valve switch, which is composed of arms, each of which has two-sided conductivity and consists of an in-parallel-connected transistor and a diode, an input capacitor connected to a positive and the negative input terminals of the inverter, which are also respectively the positive and negative input terminals of the valve switch, a transformer with a low the coupling coefficient between its windings and a serial resonant circuit, which is formed from an AC capacitor and a reactor, while the positive input terminal of the valve switch is connected to the positive terminal of the DC voltage source, to the negative terminal of which is connected the negative input terminal of the valve switch, and the first external terminal the resonant circuit is connected to the first output terminal of the valve switch, to the second output terminal of which the first the primary winding of the transformer, and the terminals of the secondary winding of the transformer are the output terminals of the inverter, from which its load is fed, characterized in that the second external terminal of the resonant circuit is connected to the second output terminal of the valve switch, and the second terminal of the primary winding of the specified winding is connected to its first output terminal transformer.

2. A stand-alone voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings according to claim 1, characterized in that the resonant frequency of said resonant circuit exceeds the frequency of the first harmonic of the output voltage of this inverter.

3. A stand-alone voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings according to claim 1, characterized in that the gate switch included in it is made according to a bridge circuit, while the input capacitor is directly connected between the positive and negative input terminals of the valve switch , which includes the first, second, third and fourth arms, and the cathodes of the diodes of the first and third arms are connected to the positive input terminal of the valve switch, and to its negative the anode of the second and fourth arms diodes are connected to the input input terminal, while the anode of the diode of the first arm and the cathode of the diode of the second arm are connected to the first output terminal of the valve switch, and the anode of the diode of the third arm and the cathode of the diode of the fourth arm are connected to its second output terminal.

4. A stand-alone voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings according to claim 1, characterized in that the gate switch included in it is made according to a half-bridge circuit with a capacitive divider and two upper and lower shoulders with bilateral conductivity, a second input capacitor is introduced into the valve switch, connected in series with the first input capacitor, while both of these capacitors have the same capacitance and form a capacitive voltage divider between the positive With the input and negative input terminals of the inverter, the function of the DC voltage source is performed by a consonant series connection of two DC voltage sources having the same voltage, the positive and negative external terminals of this source connection are connected to the positive and negative input terminals of the inverter, and the middle terminal of the series connection of capacitors connected to the first output terminal of the valve switch and to the middle terminal of the specified serial connection of DC voltage sources, and the upper arm diode cathode is connected to the positive input terminal of the valve switch, and the lower shoulder diode anode is connected to its negative input terminal, while the upper shoulder diode anode and lower shoulder diode cathode are connected to the second output terminal of the valve switch .

5. A stand-alone voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings according to claim 1, characterized in that the primary and secondary windings of the transformer included in it are made in the form of coaxial circular flat coils.