ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
ELECTRONIC TRANSFORMER

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям и может быть использовано в качестве электронного трансформатора с плавным изменением коэффициента трансформации в смарт-сетях при преобразовании переменного напряжения в переменное - по величине и частоте. Такие преобразователи могут быть использованы в системах генерирования переменного тока, когда не требуется гальваническая изоляция двух сетей переменного напряжения.
Известен электронный трансформатор, в качестве которого можно использовать преобразователь (Р.Т. Шрейнер. Математическое моделирование электроприводов переменного тока с полупроводниковыми преобразователями частоты. Екатеринбург. 2000 г., с. 284). Он содержит две ступени преобразования: первая - активный выпрямитель напряжения (первая ступень трансформатора) и инвертор напряжения (вторая ступень трансформатора), между которыми включен накопительный конденсатор, одновременно выполняющий и фильтрацию выпрямленного напряжения. Вторая ступень представляет собой инвертор напряжения и формирует на нагрузке переменное регулируемое напряжение по частоте и по величине, причем по величине, регулируемое только в сторону уменьшения.
Такой электронный трансформатор позволяет регулировать величину выходного напряжения как ниже, так и выше величины входного напряжения. Регулирование в сторону увеличения возможно здесь только за счет одной ступени, а именно первой - активного выпрямителя напряжения.
Повышение напряжения на нагрузке происходит за счет первой ступени преобразователя путем накопления напряжения на фильтровом конденсаторе. Во второй ступени регулирование напряжения возможно только в сторону уменьшения. Таким образом, данный электронный трансформатор имеет низкий коэффициент преобразования напряжения.
Известен также электронный трансформатор, в качестве которого можно использовать преобразователь, являющийся прототипом Hombu А., Nakazato М. Current Source Inverters with Sinusoidal Inpunts and Outputs // Hitachi Review. 1987. Vol. 36, N 1. P. 29-34). Он содержит также две ступени преобразования, активный выпрямитель тока и инвертор тока, выполненные на полностью управляемых ключах, между которыми последовательно включен сглаживающий реактор.
Такой электронный трансформатор позволяет, помимо регулирования частоты выходного напряжения, регулировать величину выходного напряжения как ниже, так и выше величины входного напряжения. Регулирование в сторону увеличения возможно здесь только за счет одной ступени, а именно второй. Поэтому такой электронный трансформатор имеет низкий коэффициент повышения напряжения.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение коэффициента преобразования напряжения.
Это достигается тем, что электронный трансформатор, содержащий первую сеть переменного напряжения, первый LC-фильтр, первый реверсивный преобразователь на полностью управляемых ключах (первая ступень трансформатора), второй реверсивный преобразователь на полностью управляемых ключах (вторая ступень трансформатора), второй LC-фильтр, вторую сеть переменного напряжения, первый и второй реверсивные преобразователи выполнены на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью и включены своими зажимами постоянного тока параллельно, и между этими объединенными зажимами включен накопительный реактор.
На Фиг. 1 предоставлена схема предлагаемого электронного трансформатора, рассматриваемого на примере трансформатора, преобразующего трехфазное входное напряжения в трехфазное выходное напряжение, а на Фиг. 2 - диаграммы его работы.
Предлагаемый электронный трансформатор (Фиг. 1) содержит первую сеть ПС 1; первый LC-фильтр Ф1 2, включенный после питающей сети, далее первый реверсивный преобразователь на полностью управляемых ключах РП1 3 (первая ступень трансформатора), накопительный реактор HP 4, включенный на выходе первой ступени, (второй реверсивный преобразователь на полностью управляемых ключах РП2) 5 (вторая ступень трансформатора), подключенный к выходу первой ступени, второй LC-фильтр Ф2 6, включенный между выходом второй ступени электронного трансформатора и второй сетью ВС 7.
вх
вых
4
вх
пс
рп1
На Фиг. 2 показаны эпюры напряжений в предлагаемой схеме электронного трансформатора. На Фиг. 2а) показаны: u - напряжение первой сети 1 и u - напряжение на выходе электронного трансформатора. На Фиг. 2б): i - ток в накопительном реакторе 4. На Фиг. 2 в): u - напряжение первой сети 1, i - ток первой сети 1 и i - входной ток первого реверсивного преобразователя.
Принцип работы предлагаемого электронного трансформатора заключается в следующем. Управление первой и второй ступенями электронного трансформатора осуществляется с применением широтно-импульсной модуляции. Тактовый интервал широтно-импульсной модуляции разбивается на два подынтервала. На первом подынтервале работает первая ступень электронного трансформатора. Выходное напряжение первой ступени формируется в подынтервале из импульса напряжения. Во время действия импульса напряжения в подключенном к выходу первой ступени накопительном реакторе запасается электромагнитная энергия, при этом ключи второго инвертора тока выключены. На время второго подынтервала импульсы управления ключами первой ступени снимаются и начинают работать ключи второй ступени, формируя напряжение во второй сети. В качестве источника тока для нее выступает накопительный реактор 4, который теперь отключен от первой сети ключами первой ступени электронного трансформатора. При этом запасенная энергия в реакторе, величину которой можно регулировать, передается через ключи второй ступени электронного трансформатора к конденсаторам второго фильтра, повышая на них напряжение.
Это стало возможным благодаря тому, что первый и второй реверсивные преобразователи выполнены на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью и включены своими зажимами постоянного тока параллельно, и между этими объединенными зажимами включен накопительный реактор.
Таким образом, обеспечено повышение коэффициента преобразования по напряжению больше, чем в прототипе, за счет того, что при зарядке конденсатора второго фильтра используются два фактора: регулируемый ток накопительного реактора 4 и сам принцип формирования напряжения второй ступени (перемещение рабочей точки по внешней круто возрастающей характеристики реверсивного инвертора тока.