ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ПРЕДОТВРАЩЕНИЕМ ОДНОСТОРОННЕГО НАСЫЩЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА

Настоящее техническое решение относится к области электротехники и предназначено для использования в преобразователях постоянного напряжения в переменное.
Известны устройства для преобразования постоянного напряжения в переменное посредством периодического переключения полярности напряжения, подаваемого на первичную обмотку выходного трансформатора, с выхода которого снимают переменное напряжение для подключения нагрузки. Они имеют недостаток - возникновение одностороннего насыщения магнитопровода выходного трансформатора при изменениях входного напряжения, асимметрии нагрузки или элементов схемы.
Известны способы и устройства устранения этого недостатка с обнаружением магнитного насыщения магнитопровода выходного трансформатора при помощи контроля выходного напряжения дополнительно введенного в схему трансформатора тока. В частности, контроль начала насыщения магнитопровода осуществляется путем контроля напряжения на выходе трансформатора тока и определения второй производной оттока в выходном трансформаторе [1]. Однако в преобразователе постоянного напряжения в переменное для такого решения необходимы отдельный трансформаторный датчик тока и сложные быстродействующие средства контроля второй производной.
Известны схемы предотвращения асимметричного насыщения магнитопровода выходного трансформатора путем компенсации тока насыщения противоположно направленным воздействием с дополнительным питанием обмотки трансформатора током противоположной полярности [2]. Однако это приводит к усложнению конструкции, и в мощных инверторах приводит ухудшению массогабаритных показателей.
Известен способ предотвращения насыщения трансформатора, реализованный в инверторе для работы с емкостной нагрузкой - люминесцентной лампой [3]. Инвертор содержит схемы контроля постоянной и переменной составляющих при управлении транзисторными ключами и средства предотвращения насыщения трансформатора. Недостаток - неудовлетворительные массогабаритные показатели и сложность конструкции.
Известно также использование двух датчиков насыщения для борьбы с насыщением трансформатора, однако это существенно усложняет конструкцию [4].
Известно также решение, патент РФ [5], по которому устройство для ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения содержит средства, которые выявляют сигнал, пропорциональный току намагничивания трансформатора, сравнивают его с заданным сигналом, пропорциональным максимальному допустимому току намагничивания, и формируют управляющий сигнал, корректирующий режим перемагничивания трансформатора.
Недостаток такого устройства заключается в сложности реализации его в конструкции, так как для этого необходим специальный датчик сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, т.е. требуется выполнять измерение тока в короткозамкнутом витке, охватывающем часть магнитопровода трансформатора, что усложняет конструкцию как самого магнитопровода, так и преобразователя в целом, требующего дополнительного трансформатора тока.
Ближайшим известным аналогом является патент РФ [6]. Инвертор [6] с защитой от одностороннего насыщения трансформатора преобразователя напряжения со средствами предотвращения одностороннего насыщения трансформатора преобразователя напряжения выполнен следующим образом.
Выходной трансформатор содержит обмотку измерения ЭДС намагничивания, подключенную на вход формирователя измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания первого и второго полупериодов, который имеет два выхода. К этим выходам подключены соответствующие входы двух каналов измерения и формирования первого и второго полупериодов напряжения.
Первый канал предназначен для измерения текущих значений напряжений первого полупериода и вычисления действующего и среднего значений напряжения. Второй канал предназначен для измерения текущих значений напряжений второго полупериода и вычисления среднего значения напряжения. Сигналы с выходов этих каналов передаются на преобразователь постоянного тока в переменный, содержащий мостовой коммутатор.
Недостаток устройства данного инвертора - преобразователя постоянного напряжения в переменное заключается в сложности обеспечения идентичности переходных характеристик схем для обоих выходов формирователя измерительного напряжения первого и второго полупериодов. В каждом канале этого формирователя имеются собственные систематические и случайные погрешности, различные зависимости от температуры и других воздействий в конструкции. Обеспечение идентичности схем обоих выходов усложняет как схему конструкции, так и ее регулировки.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в уменьшении погрешностей и упрощении конструкции.
Для этого использовано решение, позволяющее выполнить средство выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания первого и второго полупериодов, с одним выходом, общим для входов обоих каналов измерения и формирования первого и второго полупериодов напряжения.
Предложенное решение представляет собой инвертор напряжения, выполненный следующим образом.
Инвертор напряжения с предотвращением одностороннего насыщения трансформатора, содержит ряд известных технических решений и совокупность новых технических решений.
Инвертор содержит следующие известные технические решения.
Преобразователь постоянного тока в переменный с мостовым коммутатором, подсоединенный к выводам для источника питания.
Выходной трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к выходу мостового коммутатора преобразователя постоянного тока в переменный.
Тактовый генератор, задающий период выходного напряжения, имеющий первый и второй выходы со сдвигом выходных импульсов второго выхода на половину периода относительно импульсов на первом выходе.
Признаки, отличающие предложенное решение от известных, следующие.
Выходной трансформатор содержит измерительную обмотку, к ней подсоединено входом средство выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, имеющее один общий выход, как для первого полупериода, так и для второго полупериода;
Для управления запуском начала формирования каждого полупериода введены электрические связи для запускающих импульсов с выходов тактового генератора:
на вход запуска преобразователя постоянного тока в переменный, на вход запуска вычислителя действующего значения напряжения первого полупериода, на вход запуска вычислителя среднего значения напряжения первого полупериода, на вход запуска вычислителя среднего значения напряжения второго полупериода,
на вход запуска запоминающего устройства.
Вычислитель действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединенный измерительным входом к выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к первому выходу тактового генератора.
Источник опорного напряжения, пропорционального заданной величине действующего значения напряжения, которое должно быть сформировано в первый полупериод.
Первый компаратор сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения, подсоединенный входами сравнения напряжений к источнику опорного напряжения и к выходу вычислителя действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, и выход первого компаратора соединен с тем входом мостового коммутатора, который предназначен для завершения формирования напряжения первого полупериода.
Вычислитель среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединенный измерительным входом к выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к первому выходу тактового генератора.
Запоминающее устройство, запоминающее среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, подсоединенное сигнальным входом к выходу вычислителя среднего значения напряжения первого полупериода, входом для запуска начала запоминания - к первому выходу тактового генератора, а входом для завершения запоминания и перехода в режим хранения - к выходу первого компаратора сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения;
вычислитель среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого в первичной обмотке, подсоединенный измерительным входом к выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, а входом для запуска начала измерений - ко второму выходу тактового генератора;
второй компаратор сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода, подсоединенный входами сравнения напряжений к выходу вычислителя среднего значения текущего напряжения второго полупериода, и к выходу запоминающего устройства, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, а выход второго компаратора соединен с тем входом мостового коммутатора, который предназначен для завершения формирования напряжения второго полупериода.
Схема инвертора напряжения с предотвращением одностороннего насыщения трансформатора представлена на фиг.1, где приняты следующие обозначения элементов и узлов, из которых выполнен инвертор.
1, 2 - вход;
3, 4 - выход;
5 - преобразователь постоянного тока в переменный с мостовым коммутатором;
6 - выходной трансформатор;
7 - первичная обмотка;
8 - выходная обмотка;
9 - обмотка измерения ЭДС намагничивания;
10 - средство выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора в первый и второй полупериоды;
12 - канал измерения текущих значений напряжений первого полупериода и вычисления действующего и среднего значений напряжения;
13 - канал измерения текущих значений напряжений второго полупериода и вычисления среднего значения напряжения;
11 - тактовый генератор импульсов управления частотой преобразователя 5;
14 - вычислитель действующего значения напряжения первого полупериода;
15 - вычислитель среднего значения напряжения первого полупериода;
16 - вычислитель среднего значения напряжения второго полупериода;
17 - источник опорного напряжения, эквивалентного требуемому действующему напряжению первого полупериода;
18 - первый компаратор сравнение текущего действующего напряжения первого полупериода с опорным;
19 - запоминающее устройство;
20 - второй компаратор сравнения текущего среднего напряжения второго полупериода со средним значением напряжения первого полупериода.
Инвертор напряжения с предотвращением одностороннего насыщения трансформатора выполнен следующим образом.
В схеме инвертора фиг.1 входные выводы 1, 2 предназначены для подачи на инвертор постоянного напряжения с источника питания, а выходные выводы 3, 4 предназначены для подключения к инвертору нагрузки. К выводам 1, 2 подсоединен преобразователь 5 постоянного тока в переменный с мостовым коммутатором. Выходной трансформатор 6 первичной обмоткой 7 подсоединен к выходу мостового коммутатора преобразователя 5. Выходной трансформатор 6 содержит выходную обмотку 8, подсоединенную к выводам 1, 2, и измерительную обмотку 9, которая используется при выявлении напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора. Выходная обмотка 8 трансформатора 6 соединена с выходными выводами 3, 4 для подключения нагрузки. Выходные выводы 3, 4 инвертора предназначены для подачи на внешнюю нагрузку переменного напряжения, стабилизированного по величине действующего значения с заданной погрешностью, и находящегося в диапазоне от минимального до максимального значения.
К измерительной обмотке 9 подсоединено средство 10 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 6; это средство имеет один выход для напряжения, пропорционального формируемому в первый и во второй полупериоды. Тактовым генератором 11 задается частота выходного напряжения. Тактовый генератор 11 имеет первый и второй выходы, со сдвигом выходных импульсов второго выхода на половину периода относительно импульсов на первом выходе.
Для управления запуском начала формирования каждого полупериода введены следующие электрические связи для передачи запускающих импульсов с выходов тактового генератора 11:
на вход запуска преобразователя 5 постоянного тока в переменный с мостовым коммутатором - с первого выхода тактового генератора 11 для первого полупериода, и со второго выхода тактового генератора 11 для второго полупериода;
на вход запуска вычислителя 14 действующего значения напряжения первого полупериода - с первого выхода тактового генератора 11;
на вход запуска вычислителя 15 среднего значения напряжения первого полупериода - с первого выхода тактового генератора 11;
на вход запуска запоминающего устройства 19 - с первого выхода тактового генератора 11;
на вход запуска вычислителя 16 среднего значения напряжения второго полупериода - со второго выхода тактового генератора 11.
Вычислитель 14 действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединен измерительным входом к выходу средства 10 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора 6, а входом для запуска начала измерений - к первому выходу тактового генератора 11.
Источник опорного напряжения 17, пропорционального заданной величине действующего значения напряжения, которое должно быть сформировано в первый полупериод, и выход вычислителя 14 действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединены ко входам сравнения напряжений первого компаратора 18 сравнения текущего действующего напряжения первого полупериода с опорным напряжением. Выход первого компаратора 18 соединен с тем входом преобразователя 5 постоянного тока в переменный с мостовым коммутатором, который предназначен для завершения формирования напряжения первого полупериода.
Вычислитель 15 среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединен измерительным входом к выходу средства 10 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 6, а входом для запуска начала измерений - к первому выходу тактового генератора 11. Выход вычислителя 15 вычисления среднего значения напряжения первого полупериода подсоединен к входу запоминающего устройства 19, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод.
Вычислитель 16 среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого в первичной обмотке 7, подсоединен измерительным входом к выходу средства 10 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора 6; а входом для запуска начала измерений - ко второму выходу тактового генератора 11. Выход вычислителя 16 среднего значения напряжения второго полупериода подсоединен к первому входу сравнения напряжений второго компаратора 20 сравнения текущего среднего напряжения второго полупериода со средним значением напряжения первого полупериода, хранящемся в запоминающем устройстве 19. Второй вход сравнения напряжений второго компаратора 20 подсоединен к выходу запоминающего устройства 19, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод. Выход второго компаратора 20 соединен с тем входом преобразователя 5 постоянного тока в переменный, который предназначен для завершения формирования напряжения второго полупериода.
Схема по фиг.1 работает следующим образом.
На входы 1, 2 с источника питания инвертора подают постоянное напряжение.
С выходов 3, 4 снимают на нагрузку инвертора переменное напряжение, стабилизированное по величине действующего значения с заданной погрешностью, т.е., лежащее в диапазоне от минимального до максимального значения.
Постоянное напряжение, поступающее на входы 1, 2 с источника питания, преобразователь 5 постоянного тока в переменный с мостовым коммутатором преобразует в переменное напряжение с заданной частотой. Переменное напряжение с выхода мостового коммутатора преобразователя 5 подается на выходной трансформатор 6 через первичную обмотку 7.
Выходная обмотка 8 трансформатора 6 соединена с выходными выводами 3, 4 инвертора, через которые на нагрузку поступает сформированное инвертором напряжение.
С измерительной обмотки 9 снимаются сигналы для измерения текущего значения напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора.
Подсоединенное к обмотке 9 средство 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора в первый и второй полупериоды, содержит активное сопротивление нагрузки обмотки 9, выпрямитель первого и второго полупериодов формируемого напряжения, и согласующий усилитель. Средство 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора в первый и второй полупериоды имеет один общий выход на оба канала 12 и 13, с которого измерительное напряжение подается на входные цепи каналов 12 и 13, предназначенных для измерения текущих значений напряжений и вычислений. По результатам этих вычислений осуществляется управление раздельным формированием напряжений в первый и второй полупериоды в преобразователе 5.
Частота выходного напряжения инвертора задается тактовым генератором периодических импульсов 11, выходные сигналы которого управляют преобразователем 5. Формирование напряжений первого и второго полупериодов начинается с поступлением импульсов тактового генератора 11 на вход преобразователя 5, а завершается с поступлением управляющих сигналов с выходов каналов 12 и 13.
С началом формирования напряжений первого и второго полупериодов через обмотку 7 трансформатора начинает протекать ток.
При этом с измерительной обмотки 9 снимаются сигналы для измерения текущего значения напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, которые поступают на вход формирователя измерительного напряжения 10, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора в первый и второй полупериоды.
С выхода схемы 10 выходные сигналы подаются на каналы 12 и 13, в которых осуществляются вычислительные операции и формируется необходимая длительность импульсов первого и второго полупериодов.
Выходные сигналы во время первого полупериода с выхода формирователя 10 поступают на канал 12, содержащий два средства - 14 и 15 вычисления параметров текущего напряжения, формируемого в первый полупериод:
- на измерительный первый вход вычислителя действующего значения напряжения 14,
- на измерительный первый вход вычислителя среднего значения напряжения 15.
Во время начала первого полупериода прямоугольный импульс с первого выхода тактового генератора 11 поступает на первый вход запуска преобразователя 5 постоянного тока в переменный, и в первичной обмотке 7 начинает протекать ток - начало формирования первого полупериода.
Во время начала первого полупериода прямоугольный импульс с первого выхода тактового генератора 11 поступает также на управляющие входы разрешения запуска начала работы вычислителя 14 действующего значения напряжения первого полупериода, и вычислителя 15 среднего значения напряжения первого полупериода.
Кроме того, во время первого полупериода прямоугольный импульс с выхода тактового генератора 11 поступает на управляющий вход запоминающего устройства 19 для запуска начала работы. При этом фронтом этого прямоугольного импульса запоминающее устройство 19 устанавливается в исходное состояние готовности к запоминанию напряжения с вычислителя 15 среднего значения напряжения первого полупериода.
Во время начала второго полупериода прямоугольный импульс с второго выхода тактового генератора 11 поступает на второй вход запуска преобразователя 5 постоянного тока в переменный, и тогда в первичной обмотке 7 начинает протекать ток - начало формирования второго полупериода.
Кроме того, во время начала второго полупериода прямоугольный импульс со второго выхода тактового генератора 11 также поступает на управляющий вход разрешения запуска начала работы вычислителя 16 среднего значения напряжения второго полупериода.
Вычислители 14, 15, 16 начинают выполнять вычисления с момента начала сигнала, поступающего с выхода средства 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора в первый и второй полупериоды, только при наличии соответствующих разрешающих импульсов с тактового генератора 11. А поскольку эти разрешающие сигналы для первого и второго полупериодов идут с разных выходов тактового генератора 11 и поэтому сдвинуты на полпериода, то из выходного сигнала средства 10 автоматически выделяется нужный полупериод, и поэтому в средстве 10 двух раздельных выходов для каждого полупериода не требуется.
Вычислительные устройства 14, 15, 16 после каждого завершения вычислений за соответствующий полупериод автоматически устанавливаются в исходное состояние готовности к очередным вычислениям сигналами с тактового генератора 11.
Инвертор содержит источник опорного напряжения 17, которое задает величину действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод; его выход соединен с первым входом первого компаратора 18, а на второй вход первого компаратора 18 поступает сигнал с вычислителя действующего значения 14, и выполняется сравнение вычисленного действующего значения напряжения на выходе вычислителя 14 с опорным напряжением источника опорного напряжения 17. При достижении равенства действующего значения напряжения с опорным напряжением с выхода первого компаратора 18 на третий вход сброса преобразователя 5 поступает сигнал на завершение формирования напряжения; кроме того, этот же сигнал подается на отдельный вход запоминающего устройства 19, и этим сигналом запоминающее устройство 19 переводится в режим хранения запомненного напряжения.
Процессы вычислений напряжений вычислителем среднего значения напряжения 15 и вычислителем действующего значения напряжения 14 начинаются и завершаются одновременно.
Вычисленное среднее значение напряжения с выхода вычислителя 15 поступает на канал 13, на сигнальный вход средства запоминания среднего значения напряжения - запоминающего устройства 19, где эта величина хранится и используется во время процесса формирования напряжения второго полупериода.
Когда выходные сигналы второго полупериода с выхода средства 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, поступают на вход вычислителя среднего значения напряжения 16, последний начинает выполнять вычисления. С выхода вычислителя 16 напряжение, пропорциональное среднему значению напряжения, поступает на первый вход второго компаратора 20, а на его второй вход подается напряжение с выхода запоминающего устройства 19, которое пропорционально среднему значению напряжения, сформированного в первый полупериод. При равенстве этих напряжений на выходе второго компаратора 20 формируется импульс, который поступает на второй вход преобразователя бис приходом этого импульсом формирование напряжения второго полупериода завершается.
Вычислительные устройства 14, 15, 16 после каждого завершения вычислений за соответствующий полупериод устанавливаются в исходное состояние готовности к очередным вычислениям сигналами с выходов тактового генератора импульсов 11.
В результате средние значения напряжения импульсов, сформированных в первый и во второй полупериоды, равны.
Описанные вычисления и операции могут выполняться средствами аналоговой или цифровой техники.
При этом выходное напряжение находится в пределах заданных допусков. Выходное напряжение может иметь несимметричные допуски относительно задаваемого опорного напряжения, если на выходном трансформаторе имеется неравенство напряжений первого и второго полупериодов, вызванное либо источником питания и элементами схемы, либо нелинейной нагрузкой.
Для каждой пары импульсов за один период параметры первого импульса точно соответствуют требуемой величине, при которой обеспечивается требуемое действующее значение.
Предложенное решение позволяет средство выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания в первый и второй полупериоды выполнить с одним, выходом и исключить второй каскад со вторым выходом, что снижает погрешности преобразования и упрощает конструкцию.
Источники информации.
1. Патент США №6617839, Method for detecting current transformer saturation.
2. Патент США №4017786, Transformer saturation control circuit for a high frequency switching power supply.
3. Патент США №5317497, Internally excited, controlled transformer saturation, inverter circuitry.
4. Патент РФ №2027297, МПК Н02М 7/539, Преобразователь постоянного напряжения в переменное заданной формы.
5. Патент РФ №2035833, МПК Н02М 7/538, Способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения.
6. Патент РФ №2273087, МПК Н02М 7/538, Способ защиты от одностороннего насыщения трансформатора преобразователя напряжения.