RU2637112C1 - Independent voltage inverter to supply load through transformer with low coupling coefficient between its windings - Google Patents

Independent voltage inverter to supply load through transformer with low coupling coefficient between its windings Download PDF

Info

Publication number
RU2637112C1
RU2637112C1 RU2016147592A RU2016147592A RU2637112C1 RU 2637112 C1 RU2637112 C1 RU 2637112C1 RU 2016147592 A RU2016147592 A RU 2016147592A RU 2016147592 A RU2016147592 A RU 2016147592A RU 2637112 C1 RU2637112 C1 RU 2637112C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
transformer
terminal
windings
inverter
primary winding
Prior art date
Application number
RU2016147592A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Александрович Герасимов
Алексей Юрьевич Филоженко
Геннадий Евграфович Кувшинов
Павел Игоревич Чепурин
Михаил Владимирович Красковский
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН)
Priority to RU2016147592A priority Critical patent/RU2637112C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2637112C1 publication Critical patent/RU2637112C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: independent inverter comprises a gate switch and an LC-bipole which is formed by a serial connection of a reactor and a condenser. The first external terminal of the serial LC-bipole connected to the reactor is connected to the first output terminal of the gate switch and to the first terminal of the primary winding of the transformer, the internal terminal of the LC-bipole is connected to the second output terminal of the gate switch, and the second terminal of the primary winding of the mentioned transformer is connected to the second external terminal of the mentioned LC-bipole.
EFFECT: reducing primary winding current of the transformer with a low coupling coefficient between its windings and reducing the current of the gate switch while maintaining the maximum possible value of the transmitted power.
2 cl, 3 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 полупроводниковых приборов: транзисторов и диодов.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 semiconductor devices: transistors and diodes.

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, опубл. 10.10.2010. Бюл. №28, фиг. 1). Устройство содержит автономный инвертор напряжения, его входные клеммы, к которым подключен также фильтрующий конденсатор, подсоединены к источнику постоянного напряжения, а к выходным клеммам автономного инвертора подсоединена первичная обмотка трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками. К зажимам вторичной обмотки указанного трансформатора подсоединен выпрямитель, к выходным зажимам которого присоединен конденсатор сглаживающего фильтра и нагрузка. Первичная и вторичная обмотки трансформатора находятся в двух разных блоках, защищенных герметичными оболочками. Каждая из оболочек имеет выполненную из изоляционного материала контактную стенку, толщина которой достигает нескольких миллиметров. В рабочем режиме конструктивные блоки находятся под водой, 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

Figure 00000001
связи между обмотками, где М - взаимная индуктивность между обмотками трансформатора, a L1 и L2 - индуктивности первичной и вторичной обмоток.It is known to use an autonomous 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”, application form 25.06.2009, publ. 10.10.2010. Bull. No. 28, fig. . one). The device contains an autonomous voltage inverter, its input terminals, to which a filter capacitor is also connected, are connected to a constant voltage source, and the primary winding of a transformer with a low coupling coefficient between its windings is connected to the output terminals of an autonomous inverter. A rectifier is connected to the terminals of the secondary winding of the indicated transformer, to the output terminals of which a smoothing filter capacitor and a load are connected. The primary and secondary windings of the transformer are in two different units, protected by hermetic shells. Each of the shells has a contact wall made of insulating material, the thickness of which reaches several millimeters. In operating mode, the structural blocks are under water, the outer contact surfaces of these walls are tightly adjacent to one another. The end face of the primary winding of the transformer of increased frequency is 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
Figure 00000001
the connection between the windings, where M is the mutual inductance between the transformer windings, and L 1 and L 2 are the inductances of the primary and secondary windings.

В частности, трансформатор указанного назначения, который предназначен для питания от инвертора с напряжением 312 В и частотой ƒ=15 кГц, имеет следующие параметры: М=30 мкГн, L1=L2=60 мкГн, k=0,5.In particular, the transformer of this purpose, which is designed to be powered by an inverter with a voltage of 312 V and a frequency of ƒ = 15 kHz, has the following parameters: M = 30 μH, L 1 = L 2 = 60 μH, k = 0.5.

Если пренебречь малыми величинами: активными сопротивлениями обмоток трансформатора и падениями напряжений в прямом направлении на диодах выпрямителя, то при холостом ходе трансформатора, когда разомкнута цепь, подключенная к выходным зажимам выпрямителя, действующее значение тока первичной обмотки и автономного инвертора напряжения обратно пропорционально индуктивности первичной обмоткиIf we neglect the small values: the active resistances of the transformer windings and the voltage drops in the forward direction on the rectifier diodes, then when the transformer is idling, when the circuit connected to the output terminals of the rectifier is open, the effective value of the primary current and the autonomous voltage inverter is inversely proportional to the primary winding inductance

Figure 00000002
Figure 00000002

где U - напряжение инвертора.where U is the inverter voltage.

В режиме короткого замыкания, когда выходные зажимы выпрямителя замкнуты накоротко, действующее значение тока первичной обмотки, равное току автономного инвертора напряжения, определяется выражениемIn the short-circuit mode, when the output terminals of the rectifier are short-circuited, the effective value of the primary current equal to the current of the autonomous voltage inverter is determined by the expression

Figure 00000003
Figure 00000003

Видно, что ток первичной обмотки I1КЗ при коротком замыкании из-за низкого коэффициента связи несущественно больше, чем при холостом ходе I1ХХ (для рассматриваемого примера - в 1,33 раза). Для заданных параметров трансформатора ток первичной обмотки и автономного инвертора напряжения достигает 50 А, тогда как длительно допустимый ток первичной обмотки указанного трансформатора составляет 25 А. Данное ограничение обусловлено жесткими требованиями к массе и габаритам оборудования подводного аппарата. А увеличение допустимого тока потребует увеличения сечения обмоточного провода, что приведет к повышению размера и массы обмотки трансформатора, а также сечения окна и соответственно размера и массы сердечника трансформатора.It can be seen that the primary winding current I 1KZ during a short circuit due to the low coupling coefficient is negligible than when idling I 1XX (1.33 times for the considered example). For the given parameters of the transformer, the current of the primary winding and the autonomous voltage inverter reaches 50 A, while the long-term allowable current of the primary winding of the specified transformer is 25 A. This limitation is due to stringent requirements for the weight and dimensions of the equipment of the underwater vehicle. And an increase in the permissible current will require an increase in the cross section of the winding wire, which will lead to an increase in the size and mass of the transformer winding, as well as a section of the window and, accordingly, the size and mass of the transformer core.

При этом коэффициент мощности, потребляемой первичной обмоткой трансформатора, имеет индуктивный характер и очень мал (для рассматриваемого примера он составляет 0,11). Слишком малое значение коэффициента мощности является существенным недостатком аналога. Увеличенный в несколько раз выходной ток инвертора и соответственно ток первичной обмотки вызывают следующие негативные последствия:In this case, the power factor consumed by the primary winding of the transformer is inductive and very small (for the considered example it is 0.11). Too small a power factor is a significant drawback of the analogue. The output current of the inverter increased several times and, accordingly, the primary current causes the following negative consequences:

- необходимость выбора транзисторов и диодов инвертора с завышенными номинальными токами, увеличенной массой и стоимостью;- the need to choose transistors and diodes of the inverter with overestimated rated currents, increased mass and cost;

- увеличение потерь мощности в первичной обмотке и в полупроводниковых приборах инвертора;- an increase in power losses in the primary winding and in the semiconductor devices of the inverter;

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

Известен наиболее близкий к заявляемому устройству по технической сущности, по составу его элементов и связям между ними автономный резонансный инвертор для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками (Патент РФ 2558681 «Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками», заявл. 25.03.2014, опубл. 10.08.2015. Бюл. №28, фиг. 1). Этот инвертор принят в качестве прототипа заявляемого устройства.Known closest to the claimed device in technical essence, in the composition of its elements and the connections between them, an autonomous resonant inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings (RF Patent 2558681 "Autonomous voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings ", declared. March 25, 2014, publ. 08/10/2015. Bull. No. 28, Fig. 1). This inverter is adopted as a prototype of the claimed device.

У прототипа автономный однофазный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками содержит вентильный коммутатор, выполненный по мостовой схеме, и последовательный LC-двухполюсник, который образован из реактора и конденсатора. Положительный входной зажим вентильного коммутатора подключен к положительному зажиму источника напряжения постоянного тока, к отрицательному зажиму которого подключен отрицательный входной зажим вентильного коммутатора, при этом положительный и отрицательный входные зажимы вентильного коммутатора являются также соответственно положительным и отрицательным входными зажимами инвертора. К выходным зажимам вентильного коммутатора подключены параллельно внешние зажимы LC-двухполюсника и зажимы первичной обмотки трансформатора, к выходным зажимам которого подключена нагрузка.The prototype autonomous single-phase voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings contains a bridge switch made in a bridge circuit and a serial LC two-terminal device, which is formed from a reactor and a capacitor. 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, while the positive and negative input terminals of the valve switch are also the positive and negative input terminals of the inverter. The external terminals of the LC bipolar and the terminals of the primary winding of the transformer are connected in parallel to the output terminals of the valve switch, and the load is connected to the output terminals of the transformer.

Первая гармоника выходного тока вентильного коммутатора уменьшена, по сравнению с аналогом, так как часть ее скомпенсирована с помощью LC-двухполюсника, который включается параллельно первичной обмотке трансформатора и на частоте первой гармоники обладает свойством емкостного элемента. При этом резонансная частота ƒ0 LC-двухполюсника превосходит частоту коммутации инвертора ƒ. Соответственно ƒ0=m ƒ, где m≥1, а индуктивность реактора и емкость конденсатора последовательного LC-двухполюсника определяются формулами, которые получены при пренебрежении активными сопротивлениями обмоток трансформатораThe first harmonic of the output current of the valve switch is reduced compared to the analogue, since part of it is compensated by means of an LC two-terminal, which is switched on in parallel with the primary winding of the transformer and has the property of a capacitive element at the frequency of the first harmonic. In this case, the resonant frequency ƒ 0 of the LC two-terminal network exceeds the switching frequency of the inverter ƒ. Accordingly, ƒ 0 = m ƒ, where m≥1, and the reactor inductance and the capacitance of the series LC two-terminal capacitor are determined by the formulas obtained by neglecting the active resistances of the transformer windings

Figure 00000004
Figure 00000004

где

Figure 00000005
- входная индуктивность трансформатора.Where
Figure 00000005
- input transformer inductance.

Формулы (3) показывают, что приближение параметра m к единице приводит к большему подавлению высших гармоник тока LC-двухполюсника и снижению действующего значения этого тока, а также тока инвертора. Однако при этом увеличиваются напряжения, размеры, масса и стоимость реактора и конденсатора.Formulas (3) show that the approximation of the parameter m to unity leads to a greater suppression of the higher harmonics of the current of the LC two-terminal network and a decrease in the effective value of this current, as well as the inverter current. However, this increases the voltage, size, weight and cost of the reactor and capacitor.

Наличие LC-двухполюсника практически не влияет на форму и значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора. Отсюда следует, что прототипу в полной мере присущ недостаток, совпадающий с указанным недостатком аналога по отношению к току первичной обмотки трансформатора. Это увеличенный ток первичной обмотки трансформатора.The presence of an LC bipolar practically does not affect the shape and values of the currents of the primary and secondary windings of the transformer. It follows that the prototype is fully inherent in the disadvantage that matches the specified disadvantage of the analogue with respect to the current of the primary winding of the transformer. This is the increased current of the primary winding of the transformer.

Согласно выражениям (1, 2), уменьшить ток трансформатора без увеличения его габаритов можно, повысив частоту ƒ коммутации транзисторов инвертора либо снизив напряжение U1 на входе инвертора с помощью понижающего преобразователя. Эти решения имеют следующие последствия:According to the expressions (1, 2), it is possible to reduce the current of a transformer without increasing its dimensions by increasing the switching frequency ƒ of the inverter transistors or by reducing the voltage U 1 at the inverter input using a step-down converter. These decisions have the following consequences:

- повышение частоты ƒ коммутации транзисторов инвертора приведет к увеличению потерь мощности в полупроводниковых приборах инвертора и усложнению проблемы отвода тепла, соответствующего этим потерям;- an increase in the frequency транз of switching the inverter transistors will lead to an increase in power losses in the inverter semiconductor devices and to complicate the heat removal problem corresponding to these losses;

- введение дополнительного преобразователя приведет к увеличению массы и габаритов устройства, а также к дополнительным потерям мощности в этом преобразователе.- the introduction of an additional converter will lead to an increase in the mass and dimensions of the device, as well as to additional power losses in this converter.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение тока первичной обмотки трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками и уменьшение тока вентильного коммутатора при сохранении максимально возможного значения передаваемой мощности.The problem to which the invention is directed, is to reduce the current of the primary winding of a transformer with a low coupling coefficient between its windings and to reduce the current of the valve switch while maintaining the maximum possible value of the transmitted power.

Поставленная задача достигается тем, что в автономном инверторе напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками, содержащем вентильный коммутатор, положительный и отрицательный входные зажимы которого являются также соответственно положительным и отрицательным входными зажимами инвертора, и LC-двухполюсник, который образован последовательным включением реактора и конденсатора, 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 последовательного LC-двухполюсника, присоединенный к реактору, подключен к первому выходному зажиму вентильного коммутатора и первому зажиму первичной обмотки трансформатора, причем зажимы вторичной обмотки трансформатора подключены к нагрузке, при этом внутренний зажим последовательного LC-двухполюсника подключен ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора, а ко второму внешнему зажиму упомянутого LC-двухполюсника подключен второй зажим первичной обмотки указанного трансформатора.The problem is achieved in that in an autonomous voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings containing a valve switch, the positive and negative input terminals of which are also the positive and negative input terminals of the inverter, and an LC two-terminal device, which is formed the series connection of the reactor and the capacitor, while the positive input terminal of the valve switch is connected to the positive terminal of the source a direct current voltage, to the negative terminal of which the negative input terminal of the valve switch is connected, and the first external terminal of the serial LC bipolar connected to the reactor is connected to the first output terminal of the valve switch and the first terminal of the transformer primary, and the terminals of the transformer secondary are connected to load, while the internal terminal of the serial LC two-terminal is connected to the second output terminal of the valve switch, and to the second shnemu terminal of said two-terminal LC-connected second clamp primary winding of said transformer.

Поставленная задача достигается также тем, что резонансная частота состоящего из двух ветвей параллельного резонансного контура, у которого первую ветвь образует реактор LC-двухполюсника, а вторая ветвь состоит из последовательно включенных первичной обмотки трансформатора и конденсатора LC-двухполюсника, равна частоте первой гармоники выходного напряжения этого инвертора.The task is also achieved by the fact that the resonant frequency of a parallel resonant circuit consisting of two branches, in which the first branch forms an LC two-terminal reactor, and the second branch consists of a series-connected primary winding of a transformer and an LC two-terminal capacitor, is equal to the frequency of the first harmonic of the output voltage of this inverter.

Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:Distinctive features of the proposed solution perform the following functional tasks:

- признак 1: «…внутренний зажим последовательного LC-двухполюсника подключен ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора, а ко второму внешнему зажиму упомянутого LC-двухполюсника подключен второй зажим первичной обмотки указанного трансформатора» обеспечивает включение параллельно выходу вентильного коммутатора не первичной обмотки трансформатора, а реактора LC-двухполюсника. При этом ток, проходящий по последовательно включенным первичной обмотке трансформатора и конденсатору LC-двухполюсника, обратно пропорционален индуктивности реактора LC-двухполюсника. Тем самым открывается возможность уменьшить ток первичной обмотки трансформатора;- symptom 1: "... the internal terminal of the serial LC two-terminal 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 the second external terminal of the LC-two-terminal"; not the transformer primary but the reactor LC bipolar. In this case, the current flowing through the transformer primary winding and the LC double-capacitor is connected in series with the inductance of the LC double-pole reactor. This opens up the possibility of reducing the current of the primary winding of the transformer;

- признак 2: «…резонансная частота состоящего из двух ветвей параллельного резонансного контура, у которого первую ветвь образует реактор последовательного LC-двухполюсника, а вторая ветвь состоит из последовательно включенных первичной обмотки трансформатора и конденсатора последовательного LC-двухполюсника, равна частоте первой гармоники выходного напряжения этого инвертора» обеспечивает то, что первая гармоника тока, проходящего по первичной обмотке трансформатора и конденсатора LC-двухполюсника, соответствует емкостному режиму нагрузки источника напряжения переменного тока. Эта гармоника тока первичной обмотки трансформатора и конденсатора LC-двухполюсника компенсирует часть первой гармоники тока, проходящего по реактору LC-двухполюсника и соответствующего индуктивному режиму нагрузки источника напряжения переменного тока и соответствующего индуктивному режиму нагрузки источника напряжения переменного тока. Тем самым достигается уменьшение тока первичной обмотки трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками и уменьшение тока вентильного коммутатора при сохранении максимально возможного значения передаваемой мощности.- symptom 2: “... the resonant frequency of a parallel resonant circuit consisting of two branches, in which the first branch forms the reactor of a serial LC two-terminal network, and the second branch consists of series-connected primary windings of a transformer and a capacitor of a serial LC two-terminal network, is equal to the frequency of the first harmonic of the output voltage of this inverter ”ensures that the first harmonic of the current passing through the primary winding of the transformer and capacitor of the LC two-terminal device corresponds to the capacitive mode load AC voltage source. This harmonic current of the primary winding of the transformer and LC-bipolar capacitor compensates for part of the first harmonic of the current passing through the LC-bipolar reactor and corresponds to the inductive load mode of the AC voltage source and the corresponding inductive load mode of the AC voltage source. Thereby, a decrease in the current of the primary winding of the transformer with a low coupling coefficient between its windings and a decrease in the current of the valve switch while maintaining the maximum possible value of the transmitted power are achieved.

Технический результат, который достигается 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 параллельно выходу инвертора не первичной обмотки трансформатора, а реактора LC-двухполюсника - позволяет уменьшить первую гармонику тока первичной обмотки трансформатора. Этот эффект приводит к следующим последствиям:The technical result that is achieved 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: turning on not the transformer primary winding, but the LC two-pole reactor in parallel with the inverter output, allows to reduce the first harmonic of the current of the transformer primary winding. This effect leads to the following consequences:

- уменьшаются потери мощности в первичной обмотке;- reduced power loss in the primary winding;

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

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.

Сущность изобретения поясняется чертежами, гдеThe invention is illustrated by drawings, where

на фиг. 1 представлена электрическая структурная схема автономного инвертора, предназначенного для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками;in FIG. 1 is an electrical block diagram of an autonomous inverter designed to power a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings;

на фиг. 2 приведены графики зависимостей напряжения на нагрузке от тока нагрузки UH=ƒ(IH) для заявляемого устройства (кривая 1), а также для прототипа при исходном значении питающего напряжении (кривая 2) и при сниженном питающем напряжении, соответствующем ограничению тока первичной обмотки трансформатора заданным допустимым значением (кривая 3);in FIG. 2 shows graphs of the dependences of the voltage on the load from the load current U H = ƒ (I H ) for the inventive device (curve 1), as well as for the prototype with the initial value of the supply voltage (curve 2) and with a reduced supply voltage corresponding to the limitation of the primary current transformer set permissible value (curve 3);

на фиг. 3 приведены зависимости тока первичной обмотки трансформатора от тока нагрузки I1=ƒ(IH) для заявляемого устройства (кривая 1), а также для прототипа при исходном значении питающего напряжении (кривая 2) и при сниженном питающем напряжении, соответствующем ограничению тока первичной обмотки трансформатора заданным допустимым значением (кривая 3).in FIG. 3 shows the dependence of the current of the primary winding of the transformer on the load current I 1 = ƒ (I H ) for the claimed device (curve 1), as well as for the prototype with the initial value of the supply voltage (curve 2) and with a reduced supply voltage corresponding to the limitation of the current of the primary winding transformer set permissible value (curve 3).

Как следует из фиг. 1, вход инвертора 1 подключен к источнику 2 напряжения постоянного тока, а его выход через трансформатор 3 с низким коэффициентом связи между его обмотками питает нагрузку 4. Инвертор 1 содержит вентильный коммутатор 5, последовательный LC-двухполюсник 6, состоящий из реактора 7 с индуктивностью LP и конденсатора 8 с емкостью СР. Положительный входной зажим 9 и отрицательный входной зажим 10 вентильного коммутатора 5 являются входными зажимами инвертора 1.As follows from FIG. 1, the input of inverter 1 is connected to a DC voltage source 2, and its output through a transformer 3 with a low coupling coefficient between its windings feeds the load 4. Inverter 1 contains a valve switch 5, a serial LC two-terminal 6, consisting of a reactor 7 with an inductance L P and capacitor 8 with capacitance C P. The positive input terminal 9 and the negative input terminal 10 of the valve switch 5 are the input terminals of the inverter 1.

Первый выходной зажим 11 вентильного коммутатора 5 подключен к первому внешнему зажиму 12 LC-двухполюсника 6, присоединенному к реактору 7, а ко второму выходному зажиму 13 вентильного коммутатора 5 подключен внутренний зажим 14 LC-двухполюсника 6. Между первым внешним зажимом 12 и вторым внешним зажимом 15 LC-двухполюсника 6 включена первичная обмотка 16 трансформатора 3. Вторичная обмотка 17 трансформатора 3 подключена к нагрузке 4.The first output terminal 11 of the valve switch 5 is connected to the first external terminal 12 of the LC two-terminal 6 connected to the reactor 7, and to the second output terminal 13 of the valve switch 5 is connected an internal terminal 14 of the LC two-terminal 6. Between the first external terminal 12 and the second external terminal 15 LC bipolar 6 includes a primary winding 16 of the transformer 3. The secondary winding 17 of the transformer 3 is connected to the load 4.

Автономный инвертор 1 напряжения, предназначенный для питания нагрузки 4 через трансформатор 3 с низким коэффициентом связи между его обмотками, работает следующим образом.Autonomous voltage inverter 1, designed to power the load 4 through a transformer 3 with a low coupling coefficient between its windings, operates as follows.

После подключения инвертора 1 к источнику 2 работа инвертора 1 и других элементов, показанных на фиг. 1, начинается после того как будет обеспечено взаимное расположение первичной 16 и вторичной 17 обмоток, соответствующее рабочему режиму инвертора 1. В этом режиме оси обмоток совпадают, а их торцы находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Тем самым указанные обмотки образуют трансформатор, который имеет малое значение коэффициента связи между обмотками 16 и 17.After connecting the inverter 1 to the source 2, the operation of the inverter 1 and other elements shown in FIG. 1, begins after the relative position of the primary 16 and secondary 17 windings is ensured, corresponding to the operating mode of the inverter 1. In this 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 has a small value of the coupling coefficient between the windings 16 and 17.

Выходное напряжение вентильного коммутатора 5 представляет собой периодическую последовательность симметричных прямоугольных биполярных импульсов с частотой ƒ. Падения напряжения в транзисторах и диодах коммутатора 5, при их проводящем состоянии, пренебрежимо малы по сравнению с напряжением U источника 2. Поэтому можно считать, что амплитуда прямоугольных биполярных импульсов выходного напряжения вентильного коммутатора 5 не зависит от нагрузки этого коммутатора 5 и равна U. При моделировании работы предлагаемого изобретения и экспериментального исследования его макета напряжение U источника 2 принято равным 312 В, частота ƒ выходного напряжения вентильного коммутатора 5 равна 15 кГц. Параметры трансформатора 3 имеют те же значения, что и у приведенного выше примера для аналога: взаимная индуктивность между обмотками 16 и 17 М=30 мкГн, индуктивность первичной обмотки 16 L1=60 мкГн, индуктивность вторичной обмотки 17 L2=60 мкГн, коэффициент связи между обмотками k=0,5, активное сопротивление первичной обмотки 16 R1=45 мОм и вторичной обмотки 17 R2=45 мОм.The output voltage of the gate switch 5 is a periodic sequence of symmetrical rectangular bipolar pulses with a frequency of ƒ. The voltage drops in the transistors and diodes of switch 5, when they are conducting, are negligible compared to the voltage U of source 2. Therefore, we can assume that the amplitude of the rectangular bipolar pulses of the output voltage of the valve switch 5 is independent of the load of this switch 5 and is equal to U. When modeling the operation of the present invention and experimental research of its layout, the voltage U of the source 2 is taken equal to 312 V, the frequency ƒ of the output voltage of the valve switch 5 is 15 kHz. The parameters of transformer 3 have the same values as the above example for an analog: mutual inductance between windings 16 and 17 M = 30 μH, primary inductance 16 L 1 = 60 μH, secondary inductance 17 L 2 = 60 μH, coefficient the connection between the windings k = 0.5, the active resistance of the primary winding 16 R 1 = 45 mOhm and the secondary winding 17 R 2 = 45 mOhm.

Нагрузка 4, которая, как правило, содержит однофазный мостовой выпрямитель, выходной фильтр и потребителя электроэнергии, может быть представлена в виде активного сопротивления. Достаточно высокая точность анализа работы исследуемого устройства сохраняется при пренебрежении падениями напряжения в соединительных проводах 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 тока реактора 7 LC-двухполюсника 6 определяются выходным напряжением вентильного коммутатора 5. Форма тока реактора 7 LC-двухполюсника 6 пилообразная, а модуль действующего значения этого тока определяется формулойThe load 4, which, as a rule, contains a single-phase bridge rectifier, an output filter and a consumer of electricity, can be represented in the form of active resistance. A sufficiently high accuracy in analyzing the operation of the device under study is preserved when neglecting voltage drops in the connecting wires and in the active resistances of the transformer windings 3. The results of circuit simulation and experimental studies confirm the validity of these simplifications. Based on these assumptions, the shape and amplitude values of the current of the reactor 7 of the LC two-terminal 6 are determined by the output voltage of the valve switch 5. The shape of the current of the reactor 7 of the LC two-terminal 6 is sawtooth, and the module of the effective value of this current is determined by the formula

Figure 00000006
Figure 00000006

Потери мощности в полупроводниковых приборах вентильного коммутатора 5 снижены благодаря уменьшению первой гармоники выходного тока вентильного коммутатора 5, так как ее индуктивная часть, потребляемая реактором 7, скомпенсирована с помощью цепи, включенной параллельно реактору 7. Эта цепь, образованная последовательным включением конденсатора 8 и первичной обмотки 16 трансформатора 3, обладает свойством емкостного элемента. Частота выходного напряжения вентильного коммутатора 5 определяется формулойThe power losses in the semiconductor devices of the valve switch 5 are reduced due to a decrease in the first harmonic of the output current of the valve switch 5, since its inductive part consumed by the reactor 7 is compensated by a circuit connected in parallel to the reactor 7. This circuit, formed by the series connection of the capacitor 8 and the primary winding 16 transformer 3, has the property of a capacitive element. The frequency of the output voltage of the valve switch 5 is determined by the formula

Figure 00000007
Figure 00000007

Форма тока первичной обмотки 16 трансформатора 3 близка к последовательности полусинусоидальных импульсов, а модуль действующего значения этого тока определяется формулойThe current shape of the primary winding 16 of the transformer 3 is close to a sequence of half-sine pulses, and the module of the effective value of this current is determined by the formula

Figure 00000008
Figure 00000008

Из формул (5) и (6) можно найти зависимости, определяющие индуктивность реактора 7 и конденсатора 8 последовательного LC-двухполюсника 6From formulas (5) and (6), we can find the dependences that determine the inductance of the reactor 7 and the capacitor 8 of the sequential LC two-terminal 6

Figure 00000009
Figure 00000009

Для рассматриваемого примера, для ограничения тока первичной обмотки 16 значением I1=19 А, необходимо иметь следующие значения параметров LC-двухполюсника 6: LP=175 мкГн, СР=0,48 мкФ.For this example, to limit the current of the primary winding 16 to the value of I 1 = 19 A, it is necessary to have the following parameter values for the LC two-terminal 6: L P = 175 μH, C P = 0.48 μF.

С использованием этих параметров было выполнено схемотехническое моделирование, результаты которого приведены на фиг. 2 и 3. При этом учитывались падения напряжения в транзисторах и диодах вентильного коммутатора 5, а также на соединительных проводах и на активных сопротивлениях обмоток трансформатора 3. При моделировании для трансформатора прототипа были приняты такие же параметры, как и для заявляемого устройства.Using these parameters, a circuit simulation was performed, the results of which are shown in FIG. 2 and 3. In this case, the voltage drops in the transistors and diodes of the valve switch 5, as well as on the connecting wires and the active resistances of the windings of the transformer 3, were taken into account. In the simulation for the prototype transformer, the same parameters were taken as for the claimed device.

На фиг. 2 приведены графики зависимостей напряжения на нагрузке от тока нагрузки UH=ƒ(IH) для заявляемого устройства (кривая 1), а также для прототипа (кривые 2 и 3). Кривая 2 соответствует напряжению питания инвертора, равному напряжению питания заявляемого устройства, при этом передаваемая мощность прототипа соответствует номинальной.In FIG. 2 shows graphs of the dependences of the voltage on the load from the load current U H = ƒ (I H ) for the inventive device (curve 1), as well as for the prototype (curves 2 and 3). Curve 2 corresponds to the supply voltage of the inverter equal to the supply voltage of the claimed device, while the transmitted power of the prototype corresponds to the nominal.

На фиг. 3 показано, что ток первичной обмотки 16 заявляемого устройства (кривая 1) при изменении нагрузки 4 от холостого хода до короткого замыкания находится в диапазоне I1=19,7..23,7 А, тогда как для прототипа ток первичной обмотки прототипа (кривая 2) при этих же условиях изменяется в пределах от 49,8 до 66,4 А. Снижение тока первичной обмотки прототипа до заданного значения (19 А) можно обеспечить путем снижения напряжения питания. При этом соответственно снижается и передаваемая мощность, которая при принятых условиях оказывается равной 15,1% от номинальной. Этот же результат, то есть ограничение тока первичной обмотки заданным допустимым значением 19 А, в заявляемом устройстве обеспечивается при передаваемой мощности 28% от номинальной. Таким образом, поставленная задача уменьшения тока первичной обмотки трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками и уменьшения тока вентильного коммутатора при сохранении максимально возможного значения передаваемой мощности в заявляемом устройстве решена.In FIG. 3 shows that the current of the primary winding 16 of the inventive device (curve 1) when changing load 4 from idle to short circuit is in the range I 1 = 19.7..23.7 A, while for the prototype the current of the primary winding of the prototype (curve 2) under the same conditions, varies from 49.8 to 66.4 A. A decrease in the current of the primary winding of the prototype to a predetermined value (19 A) can be achieved by reducing the supply voltage. At the same time, the transmitted power also decreases, which under the accepted conditions turns out to be equal to 15.1% of the nominal. The same result, that is, limiting the current of the primary winding to a predetermined allowable value of 19 A, in the inventive device is provided with a transmitted power of 28% of the nominal. Thus, the task of reducing the current of the primary winding of the transformer with a low coupling coefficient between its windings and reducing the current of the valve switch while maintaining the maximum possible value of the transmitted power in the inventive device is solved.

Claims (2)

1. Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками, содержащий вентильный коммутатор, положительный и отрицательный входные зажимы которого являются также соответственно положительным и отрицательным входными зажимами инвертора, и LC-двухполюсник, который образован последовательным включением реактора и конденсатора, 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 последовательного LC-двухполюсника, присоединенный к реактору, подключен к первому выходному зажиму вентильного коммутатора и первому зажиму первичной обмотки трансформатора, причем зажимы вторичной обмотки трансформатора подключены к нагрузке, отличающийся тем, что внутренний зажим последовательного LC-двухполюсника подключен ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора, а ко второму внешнему зажиму упомянутого LC-двухполюсника подключен второй зажим первичной обмотки указанного трансформатора.1. An autonomous voltage inverter for supplying a load through a transformer with a low coupling coefficient between its windings, comprising a valve switch, the positive and negative input terminals of which are also the positive and negative input terminals of the inverter, and an LC two-terminal device, which is formed by series connection of the reactor and capacitor , while the positive input terminal of the valve switch is connected to the positive terminal of the DC voltage source, to negative the terminal of which the negative input terminal of the valve switch is connected, and the first external terminal of the serial LC bipolar connected to the reactor is connected to the first output terminal of the valve switch and the first terminal of the transformer primary, the terminals of the transformer secondary are connected to the load, characterized in that the internal terminal of the serial LC bipolar is connected to the second output terminal of the valve switch, and to the second external terminal of the LC-d uhpolyusnika second clamp connected the primary winding of said transformer. 2. Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками по п. 1, отличающийся тем, что резонансная частота состоящего из двух ветвей параллельного резонансного контура, у которого первую ветвь образует реактор последовательного LC-двухполюсника, а вторая ветвь состоит из последовательно включенных первичной обмотки трансформатора и конденсатора последовательного LC-двухполюсника, равна частоте первой гармоники выходного напряжения этого инвертора.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 consists of two branches of a parallel resonant circuit, in which the first branch forms a reactor of a serial LC two-terminal network and the second branch consists of a series-connected primary winding of a transformer and a capacitor of a serial LC two-terminal device, equal to the frequency of the first harmonic of the output voltage of this inverter.
RU2016147592A 2016-12-05 2016-12-05 Independent voltage inverter to supply load through transformer with low coupling coefficient between its windings RU2637112C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016147592A RU2637112C1 (en) 2016-12-05 2016-12-05 Independent voltage inverter to supply load through transformer with low coupling coefficient between its windings

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016147592A RU2637112C1 (en) 2016-12-05 2016-12-05 Independent voltage inverter to supply load through transformer with low coupling coefficient between its windings

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2637112C1 true RU2637112C1 (en) 2017-11-30

Family

ID=60581684

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016147592A RU2637112C1 (en) 2016-12-05 2016-12-05 Independent voltage inverter to supply load through transformer with low coupling coefficient between its windings

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2637112C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2613896A1 (en) * 1976-03-31 1977-10-13 Siemens Ag FLOW FLOW CONVERTER WITH TORQUE CURRENT LIMITING
SU1192064A1 (en) * 1984-01-04 1985-11-15 Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт One-step d.c.voltage-to-d.c.voltage converter
RU2401496C1 (en) * 2009-06-25 2010-10-10 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПМТ ДВО РАН) Device for charging accumulator battery of underwater facility
RU153595U1 (en) * 2014-11-27 2015-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) VOLTAGE TRANSFORMER

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2613896A1 (en) * 1976-03-31 1977-10-13 Siemens Ag FLOW FLOW CONVERTER WITH TORQUE CURRENT LIMITING
SU1192064A1 (en) * 1984-01-04 1985-11-15 Московский Ордена Ленина И Ордена Октябрьской Революции Энергетический Институт One-step d.c.voltage-to-d.c.voltage converter
RU2401496C1 (en) * 2009-06-25 2010-10-10 Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (статус государственного учреждения) (ИПМТ ДВО РАН) Device for charging accumulator battery of underwater facility
RU153595U1 (en) * 2014-11-27 2015-07-27 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева" (СибГАУ) VOLTAGE TRANSFORMER

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2017102579A (en) System architecture for a battery charger based on gallium nitride-based power supplies
JP2017532943A (en) Intrinsic power factor correction method and apparatus
CN104303385A (en) Battery energy storage and power system
Fu et al. A 13.56 MHz wireless power transfer system without impedance matching networks
CN105262332A (en) Power-on surge current suppression circuit applied to switching power supply
Mondzik et al. High efficiency switched capacitor voltage doubler with planar core-based resonant choke
RU2637112C1 (en) Independent voltage inverter to supply load through transformer with low coupling coefficient between its windings
RU2601419C1 (en) Secondary power supply
RU2353040C1 (en) Network protection from third harmonics current effects
RU115132U1 (en) AUTONOMOUS INVERTER VOLTAGE CONVERTER
KR102236576B1 (en) Wireless power transfer system
RU2635364C2 (en) Push-pull dc/dc converter
Miiura et al. Voltage control of inductive contactless power transfer system with coaxial coreless transformer for DC power distribution
CN203788135U (en) Auxiliary power supply of three-phase three-level VIENNA rectifier
RU208118U1 (en) Device for protecting the electrical network from the effects of hormonal components of the current
RU64451U1 (en) PULSE CONVERTER
RU2558681C1 (en) Independent voltage inverter to supply load through transformer with low coupling coefficient between its windings
RU2629751C1 (en) Device for contactless transmission of electric energy to submersible object through transformer with low magnetic communication coefficient
RU77517U1 (en) INDUCTIVE CAPACITY CONVERTER
CN103762834A (en) Auxiliary power supply of three-phase three-level VIENNA rectifier
RU145566U1 (en) STABILIZING CONVERTER OF AC THREE-PHASE VOLTAGE TO DC
RU218514U1 (en) DEVICE FOR LIMITING THE CURRENT IN THE ZERO WORKING WIRE OF A THREE-PHASE FOUR-WIRE NETWORK
RU151548U1 (en) ELECTROMAGNETIC COMPENSATOR OF HIGH CURRENT HARMONICS
RU117744U1 (en) CONVERTER
Kivi et al. Z-impedance enhanced trans-Z-source inverters with switched