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.А., 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 трансформаторный инвертор, содержащий входные выводы, зашунтированные фильтровым конденсатором, выходные выводы, трансформатор, имеющий первичную обмотку со средним выводом и вторичную обмотку, двухключевую стойку с обратными диодами, ограничительную цепь, состоящую из снабберного конденсатора и двухвентильной стойки, цепь рекуперации энергии рассеяния, состоящую из диодно-ключевой стойки и балластного дросселя, а также блок управления с парой основных модуляторных выходных выводов и дополнительным выходным выводом ВВЕДЕНЫ реактор, шунтирующий его управляемый вентиль и диод, а блок управления СНАБЖЕН вспомогательными выходными выводами и ВЫПОЛНЕН с возможностью синхронизации включающих фронтов и временного сдвига выключающих спадов управляющих импульсов в паре основных модуляторных выходных выводов.
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 трансформаторного инвертора.
Трансформаторный инвертор содержит: входные выводы 1, 2 для подключения источника постоянного напряжения, 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, двухключевую стойку 9-10 с обратными диодами, ограничительную цепь 11, состоящую из мнабберного конденсатора 12 и двухвентильной стойки 13-14, цепь рекуперации энергии рассеяния 15, состоящую из диодно-ключевой стойки 16-17 и балластного дросселя 18, а также блок управления 19 с парой основных модуляторных выходных выводов 20 и дополнительным выходным выводом 21, реактор 22 и шунтирующий его управляемый электронный ключ 23, а также диод 24. Блок управления снабжен также вспомогательными выходными выводами 25 и 26.
Двухключевая стойка 9-10 шунтирует своими крайними одноименными выводами первичную обмотку 7 трансформатора 6 и подключена своим средним выводом к первому входному выводу 1 устройства. Двухвентильная стойка 13-14 ограничительной цепи 11 шунтирует своими крайними одноименными выводами первичную обмотку 7 трансформатора 6 и подключена своим средним выводом через снабберный конденсатор 12 ко второму входному выводу 2 устройства. Балластный дроссель 18 цепи рекуперации энергии рассеяния 15 включен между вторым входным выводом 2 устройства и средним выводом диодно-ключевой стойки 16-17, включенной своими крайними выводами между средним выводом двухвентильной стойки 13-14 ограничительной цепи 11 и первым входным выводом 1 устройства. Реактор 22 с шунтирующим его управляемым ключом 23 включены между средним выводом первичной обмотки 7 трансформатора 6 и вторым входным выводом 2 устройства. Диод 24 включен между средними выводами двухвентильной стойки 13-14 и первичной обмотки 7 трансформатора 6.
Блок управления 19 своими основными модуляторными выходными выводами 20 подключен к управляющим выводам двухключевой стойки 9-10, своим дополнительным выходным выводом 21 подключен к управляющему выводу ключа 17 диодно-ключевой стойки 16-17, а своим вспомогательными выходными выводами 25 и 26 - к управляющим выводам управляемого ключа 23 и управляемых вентилей 13, 14.
Блок управления 19 выполнен с возможностью синхронизации включающих фронтов и взаимного временного (фазового) сдвига выключающих спадов управляющих импульсов, формируемых в паре основных модуляторных выходных выводов 20 (помимо возможности поочередной подачи управляющих импульсов на эти выводы).
В качестве ключей двухключевой стойки 9-10 и ключа 17 диодно-ключевой стойки 16-17 используются транзисторы, а в качестве управляемого ключа 23 - либо IGBT-транзистор со встроенным в цепь коллектора обратно-блокирующим диодом (показан на чертеже), либо двуоперационный тиристор. В случае использования однооперационного тиристора для его искусственного запирания может применяться кратковременное синхронное включение ключей 9 и 10.
В качестве конденсаторов 3 и 12 могут быть использованы пленочные, бумажные или керамические конденсаторы с относительно небольшой энергоемкостью по сравнению с электролитическими конденсаторами.
Предлагаемый трансформаторный инвертор работает следующим образом. К входным выводам 1, 2 подключают источник постоянного или пульсирующего знакопостоянного напряжения, например выход выпрямителя однофазного сетевого напряжения. К выходным выводам 4, 5 подключают нагрузку переменного тока повышенной частоты, например, газоразрядную, светодиодную, выпрямительно-аккумуляторную, выпрямительно-емкостную и другие, требующие питания от «источника тока» (с задаваемым регулируемым током, не зависящим от напряжения на нагрузке).
ШИМ
На основных модуляторных выходных выводах 20 и на дополнительном выходном выводе 21 блока управления 19 формируются широтно-модулированные высокочастотные импульсные сигналы с постоянным периодом T.
2-1
4-5
ТР
ТР
И
И
ШИМ
И
Π
ШИМ
И
И
ШИМ
ШИМ
ШИМ
Если мгновенные значения напряжения источника U превышает величину напряжения на нагрузке U·K, приведенного через коэффициент трансформации (K) к одной секции (половине) первичной обмотки 7 трансформатора 6, то устройство работает в режиме «понижения напряжения» (подобно прототипу). При включении ключа 9 в нулевой момент времени t=0 ток реактора 22 нарастает по цепи: 2-22-7-9-1, трансформируя часть энергии источника в нагрузку (через контур намагничивания трансформатора) и запасая часть электромагнитной энергии в контуре индуктивностей рассеяния трансформатора бив реакторе 22 в течение длительности включающего импульса: t=γT» где γ - коэффициент заполнения импульса. После выключения ключа 9 и включения вентиля 13 ток реактора частично или полностью плавно спадает по цепям: 22-7-13-12-22 и 22-24-12-22, поддерживаемый за счет э.д.с. самоиндукции в 22, заряжая конденсатор 12 ограничительной цепи 11 в течение длительности паузы: Δt<0,5T-t=(0,5-γ)T. В момент времени t=0,5T включается ключ 10, и указанные процессы повторяются с учетом осевой («зеркальной») симметрии силовой схемы устройства. Далее описанные процессы периодически повторяются с периодом T.
2-1
4-5
ТР
И
И
ШИМ
П
П
ШИМ
ШИМ
В режиме «повышения напряжения» (U<U·K) устройство работает по типу так называемых, повышающих (бустерных) импульсных модуляторов. При одновременном (синхронном) включении ключей 9 и 10 первичная обмотка 7 трансформатора 6 коротко-замыкается по намагничивающему контуру (благодаря вычитанию потокосцеплений ее секций), сохраняя только часть индуктивности рассеяния. При этом ток реактора 22 ускоренно нарастает под действием приложенного к нему напряжения, приближающегося к напряжению питания, в течение длительности t=γT. Затем включается ключ 23 а ключи 9, 10 - выключаются. При этом ток реактора в течение длительности паузы Δt=γT приблизительно сохраняется в замкнутой накоротко цепи: 22-23-22 благодаря э.д.с. самоиндукции реактора, а токи секций первичной обмотки 7 трансформатора 6 относительно быстро спадают по цепям зарядки конденсатора 12 через диоды 13 и 14. По окончании длительности паузы один из ключей (9 или 10) двухключевой стойки 9-10 включается вместе с выключением шунтирующего ключа 23, и ток реактора 22, подзарядив конденсатор 12 через диоды 13, 14 и 24, плавно, но быстро переключается в цепь намагничивающего контура трансформатора 6, трансформируя часть (дозу) накопленной в реакторе электромагнитной энергии и энергии источника в нагрузку. Далее указанные процессы периодически повторяются с периодом T, но с чередованием выключений ключей 9 и 10, обеспечивающим перемагничивание магнитопровода трансформатора 6. При этом трансформатор 6 по своей функции является «трансформатором тока», не требующим противонасыщающего «симметрирования» вольт-секундных параметров разнополярных питающих импульсов. Благодаря переключению режимов «понижения» и «повышения» напряжений устройство может работать в широком диапазоне средних уровней и размахов пульсаций напряжения питающего источника, например однофазного выпрямителя. Энергия, регулярно накапливаемая в конденсаторе 12 ограничительной цепи 11, передается (рекуперирует) в питающий источник или во входной фильтровый конденсатор 3 через цепь 15 рекуперации энергии рассеяния, представляющую собой общеизвестный «понижающий» импульсный конвертор и работающий так же, как в прототипе.
2
При относительно малой энергоемкости фильтрового конденсатора 3 и существенных пульсациях питающего напряжения (например, выпрямленного сетевого - однофазного) функцию сглаживающего фильтра может выполнять реактор 22 при соответствующем увеличении его энергоемкости (0,5LI). Это позволяет исключить энергоемкие электролитические конденсаторы из состава устройства, выполнив конденсаторы 3 и 12 пленочными, бумажными или керамическими.
Таким образом, в предлагаемом трансформаторном инверторе, в отличие от прототипа обеспечивается основной технический результат: расширение функциональных возможностей устройства, а именно - обеспечение внешней вольт-амперной характеристики регулируемого «источника тока».
Кроме этого обеспечиваются дополнительные технические результаты: снижение требований к качеству питающей электроэнергии, а именно - расширение диапазона допустимых средних уровней и размахов пульсаций питающего напряжения; повышение надежности устройства, а именно - термостойкости, безотказности и срока службы, а также за счет исключения аварийного режима из-за насыщения трансформатора.