Инвертор инвариантный к нагрузке

Полезная модель относится к преобразовательной электротехнике.
Применяется в источниках питания, имитаторах параметров качества электроэнергии систем электроснабжения.
Известны аэродромные источники питания переменного тока серии PVR (например, представленные на сайте "POWERSTART" компании ООО "Компания "ПВР" в сети Интернет по адресу: www.powerstart.ru), рассматриваемые в качестве аналога, представляющие собой источник питания переменного тока с двойным преобразованием. На входе установлен фильтр и выпрямитель. Выпрямленное напряжение преобразуется ШИМ преобразователем по закону синуса. ШИМ преобразователь работает на частоте 15-20 кГц. Фильтрацию частоты ШИМ и гальваническую развязку входного и выходного напряжений выполняет низкочастотный трансформатор. Управление ШИМ преобразователем, контроль выходного напряжения и тока осуществляет плата управления. Сигналы ШИМ формируются по заданной цифровой диаграмме. Уровень выходного напряжения поддерживается по средневыпрямленному значению. Защита по превышению тока осуществляется контролем тока на выходе с помощью датчиков на эффекте Холла. Недостатки: ШИМ сигналы, формирующие синусоидальное напряжение не учитывают характер нагрузки, что вызывает искажение выходного напряжения при нелинейной нагрузке, низкочастотный трансформатор вносит большую постоянную времени (задержку) в цепи силового каскада преобразователя. Большая постоянная времени не позволяет осуществить оперативное ограничение тока при пиковых нагрузках или работе на нагрузку с большим крест фактором. Большая постоянная времени силового каскада не позволяет ввести обратную связь по форме выходного напряжения для точного поддержания заданных параметров. Защита по току срабатывает по пиковому току на выходе, что не позволяет ограничить пиковое значение тока через ключи преобразователя, что немаловажно при работе на выпрямительно-емкостную нагрузку. При подключении такой нагрузки источник питания выключается, при быстром нарастании тока на выходе (в случае короткого замыкания), преобразователь может выйти из строя.
Наиболее близким аналогом (выбран в качестве прототипа) являются инверторы серий ИНЕ, ИНУ, ИНЮ, ИНТ, ИНК, ИНВ (см. "Инверторы напряжения серий ИНЕ, ИНУ, ИНЮ, ИНТ, ИНК. Руководство по эксплуатации ИЛАВ.435234.001 РЭ", рисунок 1, 2009 г., выложено на сайте "Pandia" в сети Интернет по адресу: https://pandia.ru/text/78/386/10433.php https://pandia.ru/text/78/386/l0433 php).
В этом инверторе входной двухзвенный фильтр обеспечивает необходимый уровень высокочастотных пульсаций и радиопомех на входе. Ограничитель зарядного тока и коммутатор ограничивает зарядный ток во входные конденсаторы и обеспечивает отключение при провалах, превышении и неверной полярности входного напряжения. Преобразователь напряжения (высокочастотный) преобразует постоянное входное напряжение, в стабилизированное, постоянное напряжение высокого уровня и обеспечивает гальваническую развязку между входом и выходом. Высокочастотный преобразователь напряжения работает на частоте 70 кГц и выполнен по схеме сдвоенного однотактного преобразователя. Инвертор преобразует постоянное напряжение в однофазное переменное напряжение. Инвертор работает на частоте 20 кГц и выполнен по мостовой схеме. Выходной коммутатор защищает нагрузку в случае неисправности инвертора и потери синхронизации при параллельной работе. Выходной двухзвенный фильтр обеспечивает необходимый уровень радиопомех на выходе. Входное напряжение, поданное на входные клеммы, через входной фильтр поступает на вспомогательный источник питания и через ограничитель зарядного тока и коммутатор на входные конденсаторы преобразователя напряжения. При правильной полярности входного напряжения и нахождении его значения в заданных пределах происходит включение преобразователя напряжения, а входной коммутатор шунтирует ограничитель зарядного тока, обеспечивая возможность протекания силовых токов на вход преобразователя напряжения. После запуска преобразователя напряжения на входе инвертора появляется стабилизированное постоянное напряжение. Затем включается инвертор. При исправной работе инвертора (выходные параметры в норме) и установлении синхронизации выходной коммутатор подключает инвертор к выходному фильтру и через выходной фильтр выходное напряжение поступает на выходной разъем и в нагрузку.
Недостатки: выходной фильтр исключен из цепи регулирования. Искажения, вносимые выходным фильтром, не учитываются контуром управления. Защита от перегрузки по току осуществляется либо по току силовых ключей, который возникает с задержкой, относительно выходного тока, что приводит к искажению выходного напряжения, либо по сигналу датчика тока на выходе, что может вызвать токовую перегрузку ключей инвертора и выход их из строя.
Техническим задачей заявляемой полезной модели является улучшение параметров качества выходного напряжения инвертора при работе на нелинейную нагрузку путем ввода в контур регулирования выходного фильтра инвертора и положительной обратной связи для управления с опережением.
Технический результат достигаемый полезной моделью, заключается в улучшении параметров качества выходного напряжения инвертора при работе на нелинейную нагрузку.
Указанный технический результат достигается тем, что инвертор инвариантный к нагрузке, позволяющий улучшить параметры качества выходного напряжения при работе на нелинейную нагрузку, содержит блок управления и блок преобразования напряжения, выполненный по схеме преобразователя с включением силовых ключей, драйвера силовых ключей, усилитель ошибки отрицательной обратной связи, усилитель положительной обратной связи, усилитель токового сигнала и выходной LC фильтр, при этом блок управления выполнен с возможностью реализации функций формирования эталонного сигнала для его воспроизводства на выходе инвертора, управления включением/выключением, защитой от перегрузки при штатных режимах и обеспечения связи с процессорным блоком и выработки синхроимпульсов для работы инвертора, а блок преобразования напряжения выполнен по схеме усилителя класса D и имеет отрицательную обратную связь по выходному напряжению с выхода выходного LC фильтра на вход усилителя ошибки отрицательной обратной связи для поддержания заданной формы выходного напряжения и уменьшения внутреннего выходного сопротивления инвертора, и положительную обратную связь по выходному напряжению с выхода выходного LC фильтра через усилитель положительной обратной связи на выход усилителя ошибки отрицательной обратной связи, связанного с входом компаратора, для возбуждения и поддержания автогенерации усилителя класса D, используемой для формирования усиленных драйверами силовых ключей сигналов управления ключами преобразователя инвертора, а усилитель токового сигнала выполнен с возможностью реализации функций по формированию сигнала, влияющего на сигнал, задаваемый платой управления, для ограничения величины выходного тока.
Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.
Настоящая полезная модель поясняется конкретным примером исполнения, который, однако, не является единственно возможным, но наглядно демонстрирует возможность достижения требуемого технического результата.
На фиг. 1 - блок-схема инвертора инвариантного к нагрузке;
На фиг. 2 - принципиальная схема примера конкретного исполнения инвертора согласно полезной модели.
Согласно настоящего изобретения рассматривается новая конструкция инвертора инвариантный к нагрузке, позволяющий улучшить параметры качества выходного напряжения при работе на нелинейную нагрузку. Новый инвертор содержит размещенные в общем корпусе блок управления (например, выполненный на отдельной плате, закрепленной на общем основании с платой блока преобразования напряжения) и блок преобразования напряжения, выполненный по схеме преобразователя с включением силовых ключей, драйвера силовых ключей, усилитель ошибки отрицательной обратной связи, усилитель положительной обратной связи, усилитель токового сигнала и выходной LC фильтр.
При этом блок управления выполнен с возможностью реализации функций формирования эталонного сигнала для его воспроизводства на выходе инвертора, управления включением/выключением, защитой от перегрузки при штатных режимах и обеспечения связи с процессорным блоком (например, персональным компьютером) и выработки синхроимпульсов для работы инвертора.
Блок преобразования напряжения выполнен по схеме усилителя класса D и имеет отрицательную обратную связь по выходному напряжению с выхода выходного LC фильтра на вход усилителя ошибки отрицательной обратной связи для поддержания заданной формы выходного напряжения и уменьшения внутреннего выходного сопротивления инвертора, и положительную обратную связь по выходному напряжению с выхода выходного LC фильтра через усилитель положительной обратной связи на выход усилителя ошибки отрицательной обратной связи, связанного с входом компаратора, для возбуждения и поддержания автогенерации усилителя класса D, используемой для формирования усиленных драйверами силовых ключей сигналов управления ключами преобразователя инвертора
А усилитель токового сигнала выполнен с возможностью реализации функций по формированию сигнала, влияющего на сигнал, задаваемый платой управления, для ограничения величины выходного тока.
Можно считать, что материально инвертор состоит из корпуса (фиг. 1), в котором размещены платы управления и инвертора, который выполненного по схеме преобразователя с полумостовым или мостовым включением силовых ключей, драйвера 1 силовых ключей, усилителя 2 ошибки отрицательной обратной связи, усилителя 3 положительной обратной связи, усилителя токового сигнала и выходного фильтра. Плата управления формирует эталонный сигнал для воспроизводства на выходе инвертора, обеспечивает логику работы по «медленным» процессам управления (включение, выключение, защиту от перегрузки при штатных режимах) обеспечивает связь с процессорным блоком (может быть персональным компьютером), вырабатывает синхроимпульсы, для работы инвертора. Инвертор выполнен по схеме усилителя класса D. Обратная связь по выходному напряжению берется с выхода выходного LC фильтра 4. Инвертор охвачен положительной 5 и отрицательной 6 обратными связями. Усилитель 3 с положительной обратной связью обеспечивает возбуждение и поддержание автогенерации усилителя D класса, за счет авто генерации формируются сигналы управления ключами преобразователя инвертора. Частота автогенерации изменяется в зависимости от нагрузки и принимается 70-150 кГц. Сигналы управления усиливаются драйверами и подаются на силовые ключи преобразователя. Усилитель 7 с отрицательной обратной связью обеспечивает поддержание заданной формы выходного напряжения, уменьшение внутреннего выходного сопротивления инвертора, что позволяет применять его в качестве источника питания переменного тока. Усилитель токового сигнала формирует сигнал, влияющий на сигнал, задаваемый блоком (платой) управления, корректирует его для ограничения величины выходного тока, что позволяет ускорить реакцию инвертора на перегрузку и короткое замыкание, т.к. из контура обработки исключена цифровая плата управления. Инвертор ограничивает амплитуду выходного напряжения в зависимости от выходного тока и передает сигнал о перегрузке на плату управления. Программа платы управления позволяет настраивать время медленной реакции инвертора на процесс перегрузки.
Ниже приводится описание примера конкретного исполнения инвертора согласно полезной модели (фиг. 2).
Двуполярное силовое входное напряжение, подаваемое на клеммы 8 (XS1-XS6), преобразуется полумостовым инвертором, выполненным на силовых транзисторах 9 (VT1, VT2). Сигналы управления на силовые транзисторы 9 формируют драйверы 10 (силовые ключи D1 и D2) ключей. Фильтрацию высокочастотных составляющих осуществляет выходной фильтр 4, который выполнен на конденсаторе 11 (С22) и дросселе, подключаемом к клеммам 12 (XL1, XL2). DC/DC преобразователи 13 (DC1-DC4) обеспечивают гальваническую развязку и электропитание всех узлов платы инвертора. Плата управления подключается к инвертору жгутом через разъем 14 (Х5). Входной опорный сигнал поступает с платы управления на дифференциальный усилитель 15 (D15), на выходе которого он суммируется с сигналом отрицательной обратной связи на повторителе и усилителе 7 (D11) отрицательной обратной связи. Для поддержания осцилляции и обеспечения устойчивости при динамических воздействиях на выходе, на усилителе 3 (D13) положительной обратной связи, сигнал складывается с напряжением положительной обратной связи и сигналом с усилителя 7 (D11) отрицательной обратной связи. На выходе усилителя 3 (D13) формируется импульсное напряжение с частотой преобразования инвертора. Импульсное напряжение поступает на драйвер 16 (D14), который расщепляет сигнал на два для управления силовыми ключами, эти сигналы подаются на драйверы 10 силовых ключей D1 и D2. Усилитель драйвера 16 (D16) обеспечивает плавный запуск при включении и при срабатывании защит. Защита по выходному току выполнена на операционном усилителе 17 (D3) и компараторе 18 (D8). Токовый сигнал, с датчика тока, выполненного на блоке сопротивлений 19 (R17, R18) усиливается операционным усилителем 17 (D3), после чего попадает на двухпороговый компаратор 18 (D8). Сигнал перегрузки через оптрон 20 (D12) передается на плату управления. Через оптрон 21 (D10) сигнал перегрузки подается на драйвер 16 (D14) для ограничения амплитуды выходного напряжения. Оптроны 22 и 23 (соответственно, D9 и D17) предназначены для включения инвертора сигналом с платы управления.
Совокупность усовершенствований, реализованных в заявляемой полезной модели по отношению к прототипу, позволило улучшить качество воспроизводства задаваемого сигнала, что позволило создавать источники питания постоянного и переменного тока с программируемыми искажениями для воспроизводства параметров качества электроэнергии систем электроснабжения, осуществлять динамическое ограничение тока при перегрузках и коротком замыкании.