ИНВЕРТОР СИНУСОИДАЛЬНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и к импульсной силовой электронике, в частности - к преобразователям знакопостоянного напряжения в синусоидальное, т.е. к так называемым автономным инверторам и предназначена для использования в автономных системах электропитания и в электроприводах на перспективных авиакосмических летательных аппаратах с преимущественно или полностью электрифицированным приводным оборудованием.
Известны инверторы синусоидального напряжения (аналоги), состоящие из входного энергоемкого электролитического конденсаторного или аккумуляторного фильтра, мостового или полумостового коммутатора с широтно-импульсными или амплитудными модуляторами, блока управления и выходного индуктивно-емкостного фильтра [Зиновьев Г.С. Силовая электроника: учеб. Пособие для бакалавров / Г.С. Зиновьев. - 5-е изд. - М: Издательство Юрайт, 2012, - 667 с. - Серия: Бакалавр. Углубленный курс., стр.418-419, рис.8.3.8, рис.8.3.9 и рис.8.3.10, а также стр.396-397, рис.8.2.2 и рис.8.2.4].
К недостаткам известных инверторов синусоидального напряжения (аналогов) относятся низкая надежность, а именно - термостойкость, безотказность и срок службы из-за необходимости использования входного энергоемкого электролитического конденсаторного или аккумуляторного фильтра, а также плохие массогабаритные, энергетические и динамические показатели, определяемые в основном выходным индуктивно-емкостным фильтром с относительно большой установленной суммарной реактивной мощностью элементов.
Наиболее близким по техническому существу к предлагаемому устройству является известный инвертор синусоидального напряжения (прототип), в однофазном варианте содержащий входной конденсаторный фильтр, два обратимых импульсных конвертора в виде параллельно между собой соединенных двухключевой электронной стойки с обратными диодами и двухконденсаторной стойки, и блок управления [Резников СБ., Бочаров В.В., Кириллов В.Ю., Постников В.А. Электроэнергетическая и электромагнитная совместимость транспортного электрооборудования с высоковольтными цепями питания. Под ред. дтн, проф. СБ. РезниковаУМ.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2010 г., - 512 с, стр.59, рис.1.8.6].
К недостаткам известного инвертора синусоидального напряжения (прототипа) относится его низкая надежность, в частности - термостойкость, безотказность и срок службы из-за необходимости при его питании от сети переменного тока через выпрямитель использовать энергоемкий электролитический конденсаторный или аккумуляторный входной сглаживающий фильтр.
Техническим результатом предложения является повышение надежности устройства, в частности - термостойкости, безотказности и срока службы.
Указанный технический результат обеспечиваются БЛАГОДАРЯ тому, что в инвертор синусоидального напряжения, содержащий входные и выходные выводы для подключения источника питания постоянного тока и нагрузки переменного тока, соответственно, два обратимых импульсных конвертора, состоящих каждый из параллельно между собой соединенных двухключевой однонаправленной электронной стойки с обратными диодами и двухконденсаторной емкостной стойки, зашунтированных третьим конденсатором, и дросселя, включенного между средними выводами указанных стоек, первые крайние выводы которых подключены к заземленному входному выводу устройства, и блок управления с датчиками входного и выходного напряжений в его цепях обратных связей и с модулирующими выходными выводами, подключенными к управляющим выводам ключей конверторов, ВВЕДЕН блок коммутации, состоящий из трех двухключевых двунаправленных электронных стоек и двух раздельных двунаправленных электронных ключей, первый из которых включен между вторыми крайними выводами емкостных стоек конверторов, а второй - между их средними выводами, каждый из которых соединен со вторым крайним выводом той же стойки через первую и вторую двунаправленные электронные стойки, соответственно, и с другим средним выводом аналогичной стойки другого конвертора через третью двунаправленную электронную стойку, подключенную своим средним выводом ко второму входному выводу устройства, а в блок управления ВВЕДЕНЫ коммутирующие выходные выводы, подключенные к управляющим выводам ключей блока коммутации, а также БЛАГОДАРЯ тому, что его блок управления ВЫПОЛНЕН с возможностью одновременной подачи включающих импульсов на свои коммутирующие выводы, подключенные ко всем первым электронным ключам, или на выводы, подключенные ко всем вторым электронным ключам из их пар в зависимости от соотношения между величинами сигналов датчиков входного и выходного напряжений.
Лабораторные экспериментальные исследования макета устройства и его компьютерное моделирование подтвердили его работоспособность и целесообразность широкого использования в промышленности.
На фиг. представлена структура и принципиальная силовая схема предлагаемого инвертора синусоидального напряжения.
Инвертор синусоидального напряжения содержит входные и выходные выводы 1, 2 и 3, 4 для подключения источника питания постоянного тока и нагрузки переменного тока, соответственно и два обратимых импульсных конвертора 5, 6. Каждый конвертор состоит из параллельно соединенных между собой двухключевой однонаправленной электронной стойки 7-8 с обратными диодами и двухконденсаторной емкостной стойки 9-10, зашунтированных третьим конденсатором 11 и дросселя 12. Устройство содержит также блок управления 13 с датчиками 14 и 15 входного и выходного напряжений в его цепях обратных связей и с модулирующими выходными выводами 16, 17, подключенными к управляющим выводам ключей конверторов. Кроме этого устройство содержит блок коммутации 18, состоящий из трех двухключевых двунаправленных электронных стоек 19-20, 21-22, 23-24 и двух раздельных двунаправленных электронных ключей 25 и 26. Первый из них (25) включен между вторыми крайними выводами емкостных стоек конверторов, а второй (26) - между их средними выводами. Каждый из указанных средних выводов емкостных стоек соединен со вторым крайним выводом той же стойки через первую и вторую двунаправленные электронные стойки, соответственно, и с другим средним выводом аналогичной стойки другого конвертора через третью двунаправленную электронную стойку, подключенную своим средним выводом ко второму входному выводу устройства. Блок управления имеет коммутирующие выходные выводы 27, 28, подключенные к управляющим выводам ключей блока коммутации.
Дроссель 12 каждого конвертора 5 и 6 включен между средними выводами электронной и емкостной стоек 7-8 и 9-10, первые крайние выводы которых подключены к заземленному входному выводу 2 устройства.
Блок управления 13 выполнен с возможностью одновременной подачи включающих импульсов на свои коммутирующие выводы 27, 28, подключенные ко всем первым электронным ключам 19, 21, 23, 25 (зачерненным на фиг.), или на выводы, подключенные ко всем вторым электронным ключам 20, 22, 24, 26 из их пар в зависимости от соотношения между величинами сигналов датчиков 14 и 15 входного и выходного напряжений.
В качестве электронных ключей 7 и 8 конверторов 5 и 6 можно использовать либо IGBT-транзисторы с дополнительными обратными диодами, либо МОСФЕТ-транзисторы с внутренними обратными диодами. В качестве двунаправленных ключей с 19 по 26 блока коммутации 18 можно использовать симисторы, либо встречно-параллельно включенные тиристоры или транзисторы, а также диодные мостики, зашунтированные по выходу тиристором или транзистором, либо последовательно-встречно включенные МОСФЕТ-транзисторы.
Инвертор синусоидального напряжения работает следующим образом. Пусть к входным выводам 1, 2 устройства подключен источник питания постоянного тока с глубоко пульсирующим знакопостоянным напряжением, например, однофазный выпрямитель сетевого напряжения с отсутствующим или малоэффективным выходным сглаживающим фильтром. Сначала рассмотрим режим холостого хода без подключения нагрузки к выходным выводам 3,4 устройства.
На модулирующих выходных выводах 16, 17 блока управления 13 появляются широтно-модулируемые высокочастотные управляющие импульсы, подаваемые поочередно на управляющие выводы ключей 7 и 8 каждого из конверторов 5 и 6 (с возможной блокировкой любого очередного импульса).
П
Сначала на коммутирующие выходные выводы 27, 28 подаются включающие импульсы, отпирающие все первые ключи 19, 21, 23, 25 каждой пары двунаправленных электронных ключей блока коммутации 18 (на фиг. ключи зачернены). Этот режим работы схемы соответствует понижению напряжений конверторов. Питающее напряжение U от входных выводов 1, 2 подается на крайние выводы емкостных стоек 9-10 и на выводы шунтирующих конденсаторов 11 обоих конверторов 5, 6 через включенные ключи 23 и 25. Выходные выводы 3, 4 устройства подключаются к средним выводам указанных емкостных стоек через включенные ключи 19 и 21.
Благодаря высокочастотно-дозированной перекачке заряда от первого конденсатора 9 емкостной стойки 9-10 во второй конденсатор 10 в первом конверторе 5 и обратной перекачке заряда во втором конверторе 6 происходит плавное синусоидальное нарастание потенциала выходного потенциала вывода 3 и аналогичное спадание потенциала выходного вывода 4, после чего направления перекачки зарядов меняются на противоположные. Далее указанные процессы периодически повторяются, а потенциалы выходных выводов 3 и 4 устройства изменяются по законам:
V<sub>3</sub>(t)=V<sub>=</sub>+V<sub>max</sub>·sin(ω·t+φ<sub>0</sub>); V<sub>4</sub>(t)=V<sub>=</sub>+ΔV<sub>max</sub>·sin(ω·t+φ<sub>0</sub>+π)=V<sub>=</sub>-V<sub>max</sub>·sin(ω·t+φ<sub>0</sub>), где V<sub>=</sub> - постоянная составляющая потенциалов, V<sub>max</sub> - амплитуда переменных составляющих потенциалов (ΔV<sub>max</sub>≤V<sub>=</sub>), ω=2·π·f - циклическая частота переменных составляющих, φ<sub>0 </sub>- начальная фаза переменной составляющей потенциала V<sub>4</sub>(t).
3-4
3
4
0
0
0
max
0
0
Таким образом, на выходных выводах 3, 4 устройства получаем синусоидальное напряжение: V(t)=V-V=U·sin(ω·t+φ), где U=2·V - амплитуда с регулируемыми параметрами (U, ω и φ), определяемыми источником эталонного синусоидального напряжения, входящим в состав блока управления 13.
При подключении к выходным выводам 3, 4 устройства нагрузки переменного тока энергия источника питания будет дозировано передаваться в нагрузку с регулируемыми параметрами синусоидального напряжения.
П
3,4
П
В моменты времени, когда пульсирующее питающее напряжение, спадая с учетом нагрузки, сравнивается с требуемым потенциалом одного (меньшего) из выходных выводов 3, 4 (U=V) и становится меньше него, с помощью сигналов на коммутирующих выходных выводах 27, 28 блока управления 13 схема переводится в режим повышающих конверторов, для чего отпираются все вторые ключи 20, 22, 24, 26 каждой пары ключей блока коммутации 18 (на фиг. ключи незачернены). При этом питающее напряжение U от входных выводов 1, 2 подается на средние выводы емкостных стоек 9-10 обоих конверторов 5, 6 через включенные ключи 24 и 26. Выходные выводы 3, 4 устройства подключаются к крайним выводам указанных стоек через включенные ключи 20 и 22.
3-4
=
max
0
3-4
0
0
0
max
В этом режиме благодаря вышеописанной возвратно-периодической перекачке зарядов из одних конденсаторов емкостных стоек 9-10 конверторов 5, 6 в другие на выходных выводах 3,4 устройства также возникают пульсирующие потенциалы V(t)=V±ΔU·sin(ω·t+φ), создающие выходное напряжение V(t)=U=sin(ω·t+φ), где U=2·ΔV - амплитуда.
В дальнейшем структура схемы будет автоматически изменяться в соответствии с режимами понижения или повышения выходных потенциалов конверторов по сравнению с напряжением питания. Это позволяет исключить установку энергоемкого электролитического конденсаторного сглаживающего фильтра на входе устройства, т.е. повысить его термостойкость, безотказность и срок службы.
Таким образом, в предложенном устройстве по сравнению с прототипом обеспечивается технический результат: повышение надежности устройства, в частности - термостойкости, безотказности и срока службы.