SU1160517A1 - Двухтактный регулируемый инвертор - Google Patents

Description

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам преобразования и регулирования электрической энергии.

Цель изобретения - повышение КПД и надежности путем уменьшения ком2

тационных потерь по мощности в силовых ключах, в него введен двухтактный магнитный усилитель, рабочие обмотки которого включены последовательно на первичной стороне выходного трансформатора, а конденсаторы включены параллельно выходным цепям уп- . равняемых ключей.

• 2. Инвертор по п.1, о т л и ч а ющ и й'с я тем, что в него введены две дополнительные обмотки магнитного усилителя и два.дополнительных диода, причем дополнительная обмотка, расположенная на первом сердечнике, через второй дополнительный диод подключена к рабочей обмотке, расположенной на втором сердечнике, а дополнительная обмотка, расположенная на втором сердечнике, через первый дополнительный диод подключена к рабочей обмотке, расположенной на втором сердечнике.
• 3. Инвертор по ц. 1, отличающий с я тем, что цепь управляющих обмоток магнитного усилителя через первый блокирующий диод подключена к выводам для подключения источника управляющего напряжения и через второй блокирующий диод замкнута накоротко.

мутационных потерь мощности в силовых ключах.

На фиг.1 представлено устройство, ; выполненное по схеме полумоста; на фиг.2 - то же, выполненное по схеме

81).,,.1160517 А1

3

1160517

4

с двухфазной первичной обмоткой силового трансформатора.

Инвертор (фиг.1) содержит выходной трансформатор 1 и магнитный накопитель энергии (дроссель) 2, выполненные, например, с общей обмоткой и образующие электромагнитный элемент. Первичная обмотка 3 электромагнитного элемента, рабочая обмотка 4 первого сердечника 5 магнитного усилителя (МУ) и первый силовой управляемый ключ 6 соединены последовательно и образуют первое плечо двухтактного регулируемого инвертора.Пер- и вичная обмотка 3 электромагнитного элемента, рабочая обмотка 7 второго сердечника 8 МУ и второй силовой управляемый ключ 9 соединены последовательно и образуют второе плечо двух-эд тактного регулируемого инвертора.Выходные цепи силовых управляемых ключей шунтированы конденсаторами 10 и 1! .

Первый возвратный диод 12, рабо- 25 чая обмотка 4 первого сердечника 5 МУ и первичная обмотка 3 электромагнитного элемента соединены последовательно и образуют первую рекуперационную цепь. Второй возвратный диод эд 13 и рабочая обмотка 7 второго сердечника 8 МУ соединены последовательно и образуют вторую рекуперационную цепь.

Цепь управления МУ образована обмотками 14-1"и 14-2, намотанными на первом и втором сердечниках 5 и 8 МУ. Эти обмотки соединены последовательно-согласно (либо могут быть выполнены в виде единой обмотки, охватывающей оба сердечника 5 и 8). Источник питания подключен к входным выводам 15 и 16 двухтактного регулируемого инвертора.

¹ 45

б Конденсаторы 17 и 18 образуют входной емкостной делитель напряжения полумостовой схемы.

Параллельно рабочей обмотке 4 первого сердечника 5 МУ включены соединенные последовательно первый дополнительный диод 19 и дополнительная обмотка 20 второго сердечника 8 МУ.

Параллельно рабочей .обмотке 7 второго сердечника 8 МУ включены, со- $$

• единенные последовательно второй дополнительный диод 21 и дополнитель- ¹ ная обмотка 22 первого сердечника 5 МУ.

В инверторе (фиг.2) первичная обмотка 3 электромагнитного элемента выполнена в виде двух секций. Первое плечо двухтактного регулируемого инвертора, образованное соединенными последовательно первой секцией первичной обмотки, рабочей обмоткой 4 первого сердечника 5 МУ и первым силовым управляемым ключом 6, включено между входными выводами 15 и 16. Аналогично включено второе плечо двухтактного регулируемого инвертора, образованное соединенными последовательно второй секцией первичной обмотки электромагнитного элемента, рабочей обмоткой 7 второго сердечника 8 МУ и вторым силовым управляемым ключом 9.

Первая рекуперационная цепь, образованная соединенными последовательно первым возвратным диодом 12, рабочей обмоткой 7 второго сердечника 8 МУ и второй секцией., включена между входными выводами 16 и 15 двухтактного регулируемого инвертора. Ан алогично включена вторая рекуперационная цепь, образованная соединенными последовательно вторым возвратным диодом 13, рабочей обмоткой 4?первого сердечника 5 МУ и первой секцией первичной обмотки электромагнитного элемента.

Цепь управления МУ, выполненная в виде соединенных последовательно обмоток 14-1 и 14-2 первого и второго сердечников МУ, через первый блокирующий диод 23 подключена к источнику 24 сигнала управления, а через ' второй блокирующий диод 25 замкнута накоротко.

Принцип действия устройства на фиг.1 и 2 одинаков.

Устройство (фиг.1) работает следующим образом.

Устройство управления обеспечивает поочередную коммутацию силовых управляемых ключей 6 и 9.

Когда силовой управляемый ключ 6 переходит в проводящее состояние, к соединенным последовательно обмоткам 4 и 3 прикладывается половина напряжения питания. Для упрощения принимается равномерное распределение напряжений на конденсаторах 17 и 18. Сердечник 5 находится в ненасыщенном состоянии и начинает перемагничиваться в положительном направлении, чему соответствует положительная поляр5

6

1 ность напряжения на началах обмоток 4 первого сердечника. При работе сердечника 5 МУ в ненасыщенном состоянии магнитное сопротивление (индуктивность) рабочей обмотки 4 намного выше индуктивности первичной обмотки 3 электромагнитного элемента. Поэтому напряжение на первичной обмотке 3 близко к нулю, и энергии в форматор не передается.

Напряжение, приложенное к рабочей обмотке 4 первого сердечника 5,трансформируется в обмотку 14 управления. Напряжение на обмотке 14-1 через источник сигнала управления оказывается приложенным к обмотке управления 14-2 второго сердечника 8 МУ, вызывая перемагничивание второго сердечника в обратном направлении.

Если в магнитном усилителе число витков обмоток 20 и 22 меньше, чем обмоток 4 и 7, то трансформируемое из обмотки 14-2 в обмотку 20 напряжение меньше, чем приложенное к обмотке 4, и диод 19 оказывается под обратным напряжением смещения.

Перемагничивание первого сердечника 5 МУ в положительном направлении приводит в конце концов к насыщению сердечника. При этом магнитное сопротивление обмотки 4 и напряжение на обмотке уменьшаются до нуля, и напряжение на конденсаторе 18 входного фильтра оказывается приложенным к первичной обмотке 3 электромагнитного элемента. Наличие магнитного накопителя энергии на Первичной стороне трансформатора вызывает при этом плавное нарастание тока в обмотке 3 и на вторичной ^стороне трансформатора.

Исчезновение напряжения на обмотке 4 означает, что перестает трансформироваться напряжение в обмотке 14-1» Соответственно исчезает напряжение отрицательной полярности на обмотках второго сердечника 8 МУ, т.е. прекращается перемагничивание последнего в отрицательном направлении. Таким образом, при переходе первого сердечника 5 в насыщенное состояние, второй сердечник 8 оказывается установленным в состояние высокого магнитного сопротивления.

В момент окончания первого такта запирается силовой управляемый ключ 6, а отпирание второго управляемого силового ключа 9 задерживают на в ре*

160517

мя перезаряда конденсаторов 10 и 11 с помощью любой известной схемы фор мирователя напряжения управления. Чем позже перешел в насыщенное состояние сердечник 5 МУ, т.е. чем позже к первичной обмотке 3 электромагнитного элемента приложено напряжение положительной полярности, тем эд до меньшей величины успевают нарасти токи на первичной и вторичной обмотках трансформатора. Таким образом, в данной схеме широтно-импульсное регулирование напряжения на первичной

15 обмотке 3 электромагнитного элемента, осуществляемое с помощью МУ, преобразуется в амплитудное регулирование величины токов, передаваемых на вторичную обмотку.

20 После запирания силового управляемого ключа 6 магнитный накопитель, на первичной-стороне начинает отдавать накопленную энергию, поэтому ток первичной обмотки 3 протекает в прежнем

25 направлении (от начала обмотки к концу) , плавно уменьшаясь по абсолютной величине. Указанным током начинается перезаряд конденсаторов -10 и И.

30 Конденсатор 10, включенный параллельно ранее проводившему ток управляемому ключу 6, оказывается к моменту его запирания в разряженном состоянии. Поэтому током, замыкаю- 35 щимся через соединенные последовательно обмотки 4 и 3, конденсатор 10 начинает заряжаться, а напряжение на нем и силовом управляемом ключе 6 нарастает плавно, чем обусловлены не40 значительные коммутационные потери при запирании силового управляемого ключа 6.

Для того, чтобы в следующем (втором) такте обеспечить незначительные 45 коммутационные потери при отпирании силового управляемого ключа 9, необходимо до момента отпирания разрядить демпфирующий' конденсатор 11 .Разряд конденсатора происходит током, 50 замыкающимся через соединенные последовательно обмотки 7 и 3.

Протекание тока заряда конденсатора 10 по обмотке 4 не сопровождается возникновением ЭДС электромагнитной ι 55 индукции на этой обмотке, так как сердечник 5 к моменту запирания силового ключа 6 уже насыщен. Для того, чтобы протекание тока разряда конденсатора 11 по обмотке 7 второго сердеч7

1160517

8

ника 8, находящегося в состоянии высокого магнитного сопротивления, не сопровождалось появлением значительного напряжения на этой обмотке, ис- $ пользована цепь из соединенных последовательно диода 19 и дополнительной обмотки 20 сердечника 8. По короткозамкнутому контуру 20-19-4-20 протекает ток, трансформируемый в обмотку 20 из обмотки 7 * а в обмотку 7 соответственно трансформировано незначительное падение напряжения из обмотки 20.

I * 15

Таким образом, заряд конденсаторов 10 и 11 происходит током первичной обмотки 3 электромагнитного элемента за счет энергии магнитного накопителя, причем во время переза- _Ζ0 ряда конденсаторов 10 и 11 силовые управляемые ключи 6 и 9 находятся в запертом состоянии.

Использование накопленной магнит? ной энергии для перезаряда конденса- 25 торов позволяет осуществлять его при незначительных потерях энергии.

По окончании перезаряда производится отпирание второго силового ключа 9, и конденсатор 11 после это- 30 го остается в разряженном состоянии до окончания второго такта работы схемы, а к соединенным последовательно обмоткам 3 и 7 приложено напряжение на конденсаторе 17. 35

Пока энергия из магнитного накопителя на первичной стороне не выведена и ток через обмотку 3 продолжает протекать в направлении от ее начала к концу, ток протекает через первую до рёкуперационную цепь, образованную диодом 12 и рабочей обмоткой 4 первого сердечника 5 МУ. При этом напряжение на рабочей обмотке 7 второго сердечника 8 близко к нулю. 45

Когда прекратится вывод энергии и диод 12 перейдет в режим отсечки, напряжение конденсатора 17, приложенное через проводящий силовой управляемый ключ 9 к соединенным последовательно обмоткам 3 и 7, практически полностью сосредотачивается на обмотке 7, так как магнитное сопротивление (индуктивность) обмотки 7 намного выше, чем обмотки 3. Тем самым $$ формируется пауза в кривой напряжения на первичной.обмотке 3 трансформатора 1-2, характерная для регулирования мощности по принципу ШИМ.

Напряжение, приложенное к обмотке 7, вызывает перемагничивание второго сердечника 8 в положительном направлении. Напряжение, трансформируемое в управляющую обмотку 14-2 из рабочей обмотки 8, оказывается приложенным к другой управляющей обмотке 14-1 через источник управляющего сигнала, что обусловливает перемагничивание первого сердечника 5 МУ в отрицательном направлении.

Если в МУ число витков обмоток 20 и 22 меньше, чем обмоток 4 и 7, то трансформируемое из обмотки 14-2 в обмотку 22 напряжение меньше, чем приложенное к рабочей обмотке 7, и второй коммутирующий диод 21 оказывается под обратным смещением.

Перемагничивание во время второго такта второго сердечника 8 в положительном направлении приводит к насыщению сердечника. При этом магнитное сопротивление обмотки 7 и напряжение на обмотке уменьшаются практически до нуля, и напряжение на конденсаторе 17 входного фильтра оказывается приложенным к первичной обмотке. Тем самым заканчивается пауза в кривой напряжения на первичной обмотке трансформатора, а из-за наличия магнитного накопителя на первичной стороне возникает плавное нарастание тока, протекающего по последовательной цепи 3-7-9, и соответственно плавно нарастает ток на вторичной стороне трансформатора.

Плавность тока на вторичной стороне при наличии паузы в кривой тока, характерной для регулирования по принципу ШИМ, обуславливает отсутст- ί вие коммутационных процессов в выпрямительных диодах, устраняя один из основных источников коммутационных пдмех. . ί

Исчезновение напряжения на обмотке 7 означает, что перестает трансформироваться напряжение в обмотку 14-2. Соответственно исчезает напряжение отрицательной полярности на обмотках первого сердечника 5, т,е. прекращается его перемагничивание в отрицательном направлении. Таким образом, при переходе второго сердечника 8 МУ в насыщенное состояние первый сердечник 5 оказывается установленным в состояние высокого магнитного сопротивления.

9

И

В момент окончания второго такта запирается второй управляемый ключ 9, а отпирание первого управляемого ключа 6 задерживают на время перезаряда конденсаторов 10 и 11.

После запирания силового управляемого ключа 9 магнитный накопитель на первичной стороне начинает отдавать накопленную энергию, поэтому ток первичной обмотки 3 электромагнитного элемента протекает в прежнем направлении от конца обмотки 3 к ее началу, плавно уменьшаясь по абсолютной величине. Указанным током осуществляется перезаряд конденсаторов

• 10 и 11.

Конденсатор 11, включенный параллельно к ранее проводившему ток силовому управляемому ключу 9, оказывается к моменту его запирания в разряженном состояниио Поэтому током, замыкающимся через соединенные последовательно обмотки 3 и 7,· конденсатор

• 11 начинает заряжаться, а напряжение на нем и силовом управляемом ключе 9 нарастает плавно, чем обусловлена незначительность коммутационных потерь при запирании силового управляемого ключа 9.

Для того, чтобы в следующем (третьем) такте обеспечить незначительные коммутационные потери при отпирании силового управляемого ключа 6, необходимо до момента отпирания разрядить конденсатор 10. Разряд конденсатора происходит током, замыкающимся через соединенные последовательно обмотки 3 и 4. I

Протекание тока заряда конденсатора 11 по обмотке 7 не сопровождается возникновением ЭДС электромагнитной индукции на этой обмотке, так как сердечник 8 к моменту запирания силового управляемого ключа 9 уже насыщен. Для того, чтобы протекание тока разряда демпфирующего конденсатора 10 по обмотке ’4 первого сердечника 5, находящегося в состоянии высокого магнитного сопротивления, не сопровождалось появлением значительного напряжения на этой обмотке, использована цепь из соединенных последовательно коммутирующего диода 21 и дополнительной обмотки 22 сердечника 5. По короткозамкнутому кон10

17 туру 22-7-22-23 протекает ток, трансформируемый в дополнительную обмотку 22 из рабочей обмотки 4 первого сердечника 5, а в обмотку 4 соответственно трансформировано незначительное падение напряжения из обмотки 22.

По окончании перезаряда конденсаторов 10 и 11 производится вновь отпирание первого управляемого силового ключа 6, и далее процессы в схеме повторяются.

Устройство (фиг,2) выполнено по более простой схеме (отсутствуют дополнительные обмотки на сердечниках МУ) и процессы в нем происходят подобно рассмотренным (ф'иг,1). Различие имеется в процессе разряда конденсатора 10 и 11 и состоит в следующем.

Пусть происходит переход от первого этапа к второму, и поэтому конденсатор 10 разряжен, конденсатор 11 заряжен, а в электромагнитном элементе ток на первичной стороне протекает ^с от начала обмотки 3 к концу. Протекание тока заряда конденсатора 10 по обмотке 4 не создает на этой обмотке ЭДС электромагнитной индукции, так как к моменту запирания силового управляемого ключа 6 сердечник 5 насыщен. Протекание тока разряда конденсатора 11 через обмотку 7 сердечника 8^ находящегося в состоянии высокого магнитного сопротивления, вызывает трансформацию этого тока в обмотку 14-2 и ток обмотки 14-2 замыкается по контуру 14-2-14-1-25-14*2. В этом контуре падение напряжения на обмотке 14-1 невелико, так как сердечник 5 насыщен.

Широтно-импульсная модуляция на схемах фиг. 1и 2 осуществляется обычным для МУ путем - измерением тока обмоток управления.

Предлагаемое устройство при регулировании по принципу ШИМ, что в ряде случаев является обязательным требованием к процессу импульсного регулирования, обеспечивает условия для полного перезаряда конденсаторов поперечной компенсации за счет энергии, запасаемой в магнитном накопителе на первичной стороне. Тем самым снижаются коммутационные потери в си<ловых управляемых ключах и повышает·: ся надежность их в работе.

Claims (1)

1. <claim-text>1. ДВУХТАКТНЫЙ РЕГУЛИРУЕМЫЙ ИНВЕРТОР, содержащий выходной трансформатор, на первичной стороне которого включен магнитный накопитель энергии, и силовые управляемые ключи, выходные цепи которых шунтированы возвратными диодами и включены последовательно е первичной обмоткой выходного трансформатора и магнитного накопителя энергии, конденсаторы поперечной емкостной компенсации и формирователи напряжения управления, подключенные к входным цепям управляемых ключей, отличающий-</claim-text></li></ul> <claim-text>с я тем, что, с целью повышения КПД и надежности путем уменьшения комму-</claim-text>