ИМПУЛЬСНЫЙ ТРАНСФОРМАТОРНЫЙ ИНВЕРТОР

Полезная модель относится к электротехнике и силовой электронике и предназначена для использования в авиационно-бортовых системах электроснабжения в качестве вторичного источника высокочастотного переменного или выпрямленного тока для питания нагрузок со стабилловольтной зоной вольт-амперной характеристики - газоразрядных (ламповых, разрядно-свечевых, лазерных), полупроводниковых (светодиодных, лазерных), выпрямительно-аккумуляторных или накопительно-емкостных и других нагрузок.
Известен трансформаторный инвертор (аналог), содержащий полумостовой высокочастотный коммутатор с параллельными двухключевой и фильтровой двухконденсаторной стойками и трансформатором, подключенным первичной обмоткой к средним выводам стоек (Патент №125787 на полезную модель. Обратимый преобразователь постоянного напряжения с инверторно-трансформаторным звеном высокой частоты. Резников С.Б., Бочаров В.В., Ермилов Ю.В., Харченко И.Α., Бюл. №7 от 10.03.2013 г.). Он является вторичным источником прямоугольного напряжения без нулевой паузы (меандра).
К недостаткам указанного устройства (аналога) относятся: узкие функциональные возможности, а именно - неспособность обеспечения внешней вольт-амперной характеристики регулируемого «источника прямоугольного тока», а также низкая надежность из-за наличия цепи для «сквозного сверхтока» при несанкционированном одновременном включении ключей (например, от помехи в блоке управления), а также из-за сложности и недостаточного быстродействия системы антинасыщающего симметрирования вольтсекундных параметров разнополярных импульсов питающего напряжения трансформатора и из-за наличия энергоемких электролитических конденсаторов фильтровой стойки с низкими параметрами термостойкости, безотказности и долговечности.
Наиболее близким по технической сути к предлагаемому устройству является трансформаторный инвертор (прототип), содержащий трансформатор со средним выводом первичной обмотки, двухключевую стойку, ограничительную цепь с конденсатором и двухдиодной стойкой, цепь рекуперации энергии индуктивностей рассеяния трансформатора с диодно-ключевой стойкой и балластным дросселем, а также блок управления с основными модуляторными и дополнительными выходными выводами (А. Царенко, Д. Серегин, Новые схемы статических преобразователей электрической энергии и их сравнительный анализ, Силовая Электроника, №3, 2007 г., с. 59-66, стр. 60, рис. 2). Он также является вторичным источником прямоугольного напряжения без нулевой паузы (меандра).
К недостаткам известного трансформаторного инвертора (прототипа) относятся: узкие функциональные возможности, а именно - неспособность обеспечения внешней вольт-амперной характеристики регулируемого «источника прямоугольного тока», а также низкая надежность из-за сложности и недостаточного быстродействия системы антинасыщающего симметрирования вольтсекундных параметров разнополярных импульсов питающего напряжения трансформатора и из-за наличия энергоемких электролитических конденсаторов с низкими параметрами термостойкости, безотказности и долговечности.
Основным техническим результатом предложения является расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение внешней вольтамперной характеристики регулируемого «источника тока». Дополнительными техническими результатами являются: снижение требований к качеству питающей электроэнергии, а именно - расширение диапазона допустимых средних уровней и размахов пульсаций питающего напряжения, например, выпрямленного сетевого, и кроме того, повышение надежности устройства - термостойкости, безотказности и срока службы за счет исключения электролитического емкостного фильтра, а также исключение аварийного режима из-за насыщения трансформатора при асимметричных вольтсекундных параметрах.
Указанные технические результаты обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в импульсный трансформаторный инвертор, содержащий входные выводы, зашунтированные фильтровым конденсатором, выходные выводы, трансформатор, имеющий первичную обмотку и вторичную обмотку, электронную двухключевую стойку с обратными диодами, электронный модуляторный ключ с обратным диодом, двухдиодную стойку, реактор, первый снабберный конденсатор и блок управления, имеющий основные выходные выводы, а также цепи обратных связей по выходным параметрам с датчиками токов и напряжения ВВЕДЕНЫ электронная двухвентильная стойка и второй снабберный конденсатор, а блок управления СНАБЖЕН дополнительными выходными выводами, и БЛАГОДАРЯ тому, что в него ВВЕДЕНА шунтирующая цепь в виде полууправляемого косого моста, состоящего из двух согласно-параллельных диодно-ключевых стоек и третьего снабберного конденсатора, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательными выходными выводами.
Экспериментальные исследования лабораторного макета устройства и его компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого промышленного использования.
На чертеже (Фиг.) показаны силовая схема и цепи управления предлагаемого импульсного трансформаторного инвертора.
Импульсный трансформаторный инвертор содержит: входные выводы 1, 2 для подключения источника питания постоянного тока, зашунтированные фильтровым конденсатором 3, выходные выводы 4-5 для подключения нагрузки переменного тока, трансформатор 6, имеющий первичную обмотку 7 со средним выводом и вторичную обмотку 8, шунтирующую выходные выводы устройства, электронную двухключевую стойку 9-10, зашунтированную обратными диодами 11-12, электронный модуляторный ключ 13, также зашунтированный обратным диодом 14, двухдиодную стойку 15-16 со встречно соединенными диодами, реактор 17, первый снабберный конденсатор 18 и блок управления 19, имеющий основные выходные выводы 20, 21 и цепи обратных связей 22 по выходным параметрам с датчиками 23, 24 и 25 токов и напряжения. Устройство содержит также электронную двухвентильную стойку 26-27 и второй снабберный конденсатор 28. Блок управления снабжен также дополнительными выходными выводами 29, 30. Кроме этого устройство содержит шунтирующую цепь в виде полууправляемого косого моста, состоящего из двух согласно-параллельных диодно-ключевых стоек 31-32 и 33-34, подключенных к выводам реактора, и третьего снабберного конденсатора 35, включенного между средними выводами этих стоек, а блок управления снабжен вспомогательными выходными выводами 36, подключенными к управляющим выводам указанных стоек.
Двухключевая стойка 9-10 шунтирует своими крайними одноименными выводами первичную обмотку 7 трансформатора 6. Двухвентильная стойка 26-27 своим средним выводом через реактор 17 подключена к среднему выводу двухключевой стойки 9-10, а каждым из своих крайних выводов подключена через соответствующий снабберный конденсатор 18,28 к соответствующему крайнему выводу первичной обмотки 7 трансформатора 6, а через соответствующий диод 15, 16 двухдиодной стойки - к среднему выводу этой обмотки, соединенному через модуляторный ключ 13 с первым входным выводом 1 устройства. Реактор 17 включен между средним выводом двухключевой стойки 9-10 и вторым входным выводом 2 устройства. Вспомогательный электронный ключ 31 своими силовыми выводами шунтирует реактор 17. Блок управления 19 своими основными выходными выводами 20 и 21 подключен к управляющим выводам двухключевой стойки 9-10 и модуляторного ключа 13, дополнительными выходными выводами 29 и 30 - к управляющим выводам двухвентильной стойки 26-27, а вспомогательными выходными выводами 36 - к управляющим выводам диодно-ключевых стоек 31-32 и 33-34 шунтирующей цепи.
В качестве электронных модулирующего ключа 13 и ключей 31, 33, шунтирующей цепи используются транзисторы или двухоперационные (запираемые по управлению) тиристоры, а в качестве электронных ключей 9, 10 и вентилей 26, 27 - они же или однооперационные тиристоры.
Импульсный трансформаторный инвертор работает следующим образом. К входным выводам 1-2 подключают источник питания постоянного (или пульсирующего) напряжения, например, выпрямленная автономно-бортовая сеть переменного тока, а к выходным выводам 4-5 нагрузку переменного или выпрямленного (через выпрямитель) тока, имеющую стабиловольтную зону вольт-амперной характеристики, например газоразрядную (ламповую, лазерную, разрядно-свечевую), полупроводниковую (светодиодную, лазерную), выпрямительно-аккумуляторную или выпрямительно-емкостную и др.
Блок управления 19 формирует на своих основных выходных выводах 20, 21 и на вспомогательном выходном выводе 32 широтно-модулируемые высокочастотные импульсы а на дополнительных выходных выводах 29, 30 - релейно управляющие импульсы.
ШИМ
ШИМ
И
И
ШИМ
И
П
П
ШИМ
П
ШИМ
Π
И
И
П
ШИМ
Период T высокочастотной импульсной модуляции содержит два тактовых полупериода длительностью 0,5T, каждый из которых имеет три временных интервала: 1) нарастание потокосцепления (тока) реактора длительностью t=y·0,5T, где y - коэффициент заполнения (относительная длительность) импульса; 2) приблизительное сохранение потокосцепления длительностью Δt=γ·0,5T, где γ - относительная длительность паузы; 3) частичное спадание потокосцепления длительностью: T-Δt-t=0,5(1-γ-γ) T.
П
1-2
7
П
7
П
7
На первом интервале блок управления может организовать одну из двух возможных цепей для нарастающего тока, в зависимости от соотношения между величинами напряжения питания: U=U и напряжения (противо-э.д.с.) на полуобмотке (секции) первичной обмотки 7 трансформатора 6: 0,5U. Если U>0,5U (режим «понижения напряжения»), то включаются ключ 13 и один из ключей 9, 10, и ток реактора нарастает по цепи: 1-13-7-(9 или 10)-17-2. При этом часть энергии источника питания непосредственно передается в нагрузку. Если U<0,5U (режим «повышения напряжения»), то включаются сразу три ключа: 13, 9 и 10, и ток реактора нарастает через закороченный (без контура намагничивания) трансформатор по цепи: 1-13-7-(9 и 10)-17-2. В том и в другом случае в реакторе 17 происходит накопление электромагнитной энергии, а энергия индуктивностей рассеяния обмотки 7 трансформатора 6 сбрасывается в снабберные конденсаторы 18 и 28 по цепям токов 7-18-15-7 и/или 7-28-16-7. Заметим, что эта энергия передается реактору 17 на первом этапе следующего очередного периода (или полупериода) по цепям разрядки: 18-9-17-26-18 и 28-10-17-27-28.
На втором интервале блок управления включает ключи 31 и 33, а остальные ключи и вентили выключает. При этом потокосцепление и энергия реактора 17 приблизительно сохраняются вместе с током в расщепленной цепи: 17-(31-32 и 33-34)-17. К указанной энергии добавляется энергия третьего снабберного конденсатора 35, заряженного на третьем интервале предыдущего такта и разряжаемого по цепи:35-33-17-31-35.
ШИМ
На третьем интервале блок управления включает один из вентилей 26, 27 (поочередно) и один из ключей 9, 10 (поочередно) и выключает ключи 31,33. При этом потокосцепление (и энергия) реактора частично спадает вместе с токами в цепях: 17-34-35-32-17 и 17-26-15-7-9-17 или 17-27-16-7-10-17, соответственно (поочередно), передавая в нагрузку через трансформатор бив третий снабберный конденсатор 35 часть накопленной в реакторе 17 энергии. Далее все указанные процессы периодически повторяются с периодом T.
Благодаря наличию постоянной составляющей величины электромагнитной энергии реактора 17 он может выполнять функцию буферного накопителя (фильтра), позволяя снизить требуемую энергоемкость фильтрового конденсатора 3 и исключить электролитические конденсаторы с низкой надежностью из его состава (батареи), даже при питании устройства пульсирующим (выпрямленным сетевым) напряжением.
При возврате (рекуперации) энергии из цепи нагрузки обратно в источник постоянного тока, например при работе с двигательной нагрузкой в режиме рекуперативного торможения предлагаемое устройство работает в качестве трансформаторно-выпрямительного устройства. Роль выпрямителя при этом выполняют обратные диоды 11, 12 и 14, а роль выходного фильтра - реактор 17, который может быть и зашунтирован ключами 31 и 33.
Таким образом, по сравнению с прототипом в предлагаемом устройстве обеспечиваются основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение внешней вольтамперной характеристики регулируемого «источника тока», а также дополнительные технические результаты: снижение требований к качеству питающей электроэнергии, а именно - расширение диапазона допустимых средних уровней и размахов пульсаций питающего напряжения, например, выпрямленного сетевого, повышение надежности устройства, а именно - термостойкости, безотказности и срока службы за счет исключения электролитического емкостного фильтра, а также исключения аварийного режима из-за насыщения трансформатора при асимметричных вольтсекундных параметрах питающего его напряжения (так называемого «трансформатора тока»).