УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОДКЛЮЧЕНИЯ АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА НАПРЯЖЕНИЯ К ИСТОЧНИКУ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DEVICE FOR CONNECTING STAND-ALONE VOLTAGE INVERTER TO DIRECT CURRENT VOLTAGE SOURCE

Устройство относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный, и наоборот, постоянного тока в переменный с использованием полупроводниковых приборов: транзисторов и диодов - в мостовой схеме.
Известен зарядный преобразователь емкостных накопителей, который можно использовать в составе устройства для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока. Этот зарядный преобразователь, являющийся аналогом заявляемого устройства, представляет собой преобразователь постоянного тока с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру. Принципиальная схема его приведена в [1, стр.671, рис.32.89], а также в [2, стр.295, рис.13.7, а]. Максимальное значение тока, потребляемого от источника при заряде накопительного конденсатора, подключенного к выходу аналога, можно ограничить требуемым значением без применения пускового резистора.
Это значение определяется параметрами как последовательного резонансного контура, состоящего из коммутирующего реактора и коммутирующего конденсатора, так и разделительного трансформатора. Наличие коммутирующего реактора ограничивает до безопасного значения максимальную производную входного тока. Первичная обмотка разделительного трансформатора включена последовательно с указанным последовательным резонансным контуром, а вторичная через мостовой выпрямитель соединена с накопительным конденсатором, который в рассматриваемом приложении является входным конденсатором автономного инвертора напряжения. Цепь первичной обмотки подключена к выходу мостового инвертора, составленного из четырех электронных ключей (тиристоров или транзисторов), защунтированных обратными диодами. Вход инвертора зашунтирован входным конденсатором и соединен с источником напряжения постоянного тока. При этом катоды двух обратных диодов подключены к положительному полюсу источника, а аноды двух других обратных диодов - к отрицательному. Рассматриваемое устройство работает циклически. Первый цикл начинается одновременным замыканием одной пары электронных ключей, которые при этом подключают цепь первичной обмотки трансформатора к источнику. К этому времени другая пара ключей уже разомкнута. Ток цепи первичной обмотки трансформатора (и вторичной тоже) представляет собой участок синусоиды протяженностью в один период. На первой половине цикла ток проходит по электронным ключам в направлении от положительного полюса источника. На второй половине цикла ток резонансного контура, изменив направление, станет проходить через шунтирующие диоды в обратном, по отношению к источнику, направлении. Амплитуда синусоиды снижается по экспоненте с постоянной времени, которая равна 2L/R, где L - индуктивность коммутирующего реактора, R - эквивалентное активное сопротивление цепи первичной обмотки. В него входят активные сопротивления коммутирующего реактора, сопротивления короткого замыкания трансформатора и входного сопротивления выпрямителя. (Последняя составляющая находится путем гармонической линеаризации.) Волновое сопротивление последовательного резонансного контура, , где С - емкость коммутирующего конденсатора, много больше половины R. Поэтому снижение второй амплитуды тока, проходящего по цепи первичной обмотки трансформатора, по отношению к первой амплитуде этого тока, относительно небольшое. Коммутирующий конденсатор зарядится до напряжения источника вскоре после достижения током, проходящим по цепи первичной обмотки трансформатора, первого амплитудного значения. Кроме того, при указанном соотношении между ρ и R, к моменту окончания первой половины цикла (через половину периода) коммутирующий конденсатор зарядится до напряжения, которое почти в два раза превосходит напряжение источника. А к моменту окончания всего цикла, когда ток резонансного контура станет равным нулю, коммутирующий конденсатор разрядится до напряжения, которое намного меньше напряжения источника. Второй цикл начинается практически сразу после окончания первого цикла одновременным замыканием другой пары электронных ключей. На первой половине периода второго цикла ток проходит по этим электронным ключам, причем направление тока в первичной обмотке трансформатора такое же, как во второй половине первого цикла. Во второй половине второго цикла этот ток, изменив направление, станет проходить через шунтирующие диоды в обратном по отношению к источнику направлении. И так повторяется на каждом цикле. Накопительный конденсатор заряжается постепенно, в течение многих циклов. По мере его заряда растет эквивалентное активное сопротивление R, поэтому форма тока цепи первичной обмотки трансформатора несколько изменяется: время цикла увеличивается, а амплитуды тока уменьшаются. Это уменьшение происходит медленнее и в меньшем диапазоне по сравнению с зарядом через пусковое сопротивление. Следовательно, процесс заряда конденсатора происходит гораздо быстрее, чем при использовании пускового резистора. У аналога основные потери энергии имеют место в обмотках реактора и трансформатора. Они много меньше, чем в пусковом резисторе. КПД зарядной цепи составляет 80-90%. Для повышения эффективности процесса заряда используют два преобразователя постоянного тока с последовательным подключением нагрузки к резонансному контуру, у которых выпрямители включены последовательно, а работа преобразователей происходит со сдвигом на половину периода [1, стр.671, 672, рис.32.90]. При этом ток, потребляемый от источника, не изменяет своего направления, а снижение амплитудных значений тока, заряжающего накопительный конденсатор, становится незначительным.
Первый недостаток аналога, относящийся к обоим вариантам (с одним или двумя резонансными преобразователями) очевиден: это повышенная сложность зарядного преобразователя (наличие инвертора, коммутирующего конденсатора, трансформатора и выпрямителя). Второй его недостаток заключается в том, что для применения аналога в качестве устройства для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока это устройство необходимо дополнительно усложнить. Его необходимо снабдить элементами, которые, после достижения равенства напряжений накопительного конденсатора и источника, отключат этот конденсатор от выхода зарядного преобразователя и подключат его к выходным зажимам источника. Третий недостаток аналога определяется формой токов, проходящих по его элементам и соединительным проводам, а также по питающей линии, соединяющей источник с входом зарядного резонансного преобразователя. Коэффициент формы этих токов, как у синусоиды. Действующие значения таких токов, определяющие нагрев проводников, в 1,11 раз больше их средних значений, которые определяют скорость заряда накопительного конденсатора. Поэтому потери энергии в проводниках и их нагрев на 23% больше чем в случае заряда накопительного конденсатора током, имеющим постоянное мгновенное значение (с коэффициентом формы 1.0).
Известно также устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока, у которого проявление указанных для аналога недостатков или снижено, или полностью устранено. Это устройство, наиболее близкое по технической сущности к заявляемому устройству, выбрано в качестве прототипа. Принципиальная схема устройства для подключения однофазного инвертора напряжения приведена в [3, фиг.1].
Известное устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока содержит реактор, входной конденсатор инвертора, измерительный преобразователь тока этого конденсатора и блок управления его зарядом, первый и второй диоды, первый выключатель и демпфирующую цепь, которая включена между первым и вторым входными зажимами устройства, подключенными по одному соответственно к первому и второму выходным зажимам указанного источника, первый и второй выходные зажимы устройства подключены по одному соответственно к первому и второму входным зажимам автономного инвертора, при этом первый выходной зажим этого устройства подключен к его первому входному зажиму и к первому зажиму входного конденсатора инвертора, причем первый входной зажим упомянутого инвертора и первый выходной зажим указанного источника имеют одинаковую полярность, измерительный преобразователь тока входного конденсатора включен между его вторым зажимом и первым зажимом реактора, второй зажим которого подключен к первому зажиму входного конденсатора инвертора через первый диод, а первые выводы второго диода и первого выключателя подключены к второму входному зажиму устройства, при этом оба диода включены в направлении, не проводящем по отношению к напряжению указанного источника, демпфирующая цепь состоит из последовательно включенных демпфирующего конденсатора и резистора, а также второго выключателя, который подключен параллельно этому резистору, блок управления зарядом входного конденсатора инвертора содержит командный элемент, измерительные преобразователи напряжения источника постоянного тока и напряжения входного конденсатора инвертора, запоминающий блок, компаратор и выходной блок, выход которого является выходом блока управления зарядом входного конденсатора инвертора, входы измерительных преобразователей напряжения источника и напряжения входного конденсатора инвертора подключены соответственно к первому и второму входным зажимам устройства и к первому, и второму зажимам входного конденсатора инвертора, а к первому, второму и третьему входам выходного блока подключены соответственно первый выход командного элемента, выход измерительного преобразователя тока входного конденсатора и первый выход компаратора, у которого второй выход подключен к первому входу запоминающего блока, а первый и второй входы подключены соответственно к выходам измерительного преобразователя напряжения входного конденсатора и запоминающего блока, у которого второй вход подключен ко второму выходу командного элемента, а третий вход подключен к выходу измерительного преобразователя напряжения упомянутого источника.
Прототип содержит также третий выключатель, который подключен между вторым зажимом реактора и одним из выходных зажимов указанного автономного инвертора, а выход блока управления зарядом входного конденсатора инвертора соединен с управляющим входом того электронного ключа указанного автономного инвертора, который включен между вторым входным зажимом и указанным выходным зажимом этого инвертора. Вторые выводы второго диода и первого выключателя подключены к второму зажиму реактора.
Прототип с аналогом объединяет общий признак - наличие последовательного резонансного контура, составленного из реактора и конденсатора. Устройство прототипа значительно проще, чем аналога: отсутствуют коммутирующий конденсатор, трансформатор и инвертор, питающий резонансный контур. Зажимы резонансного контура подключены к выходным зажимам источника постоянно, а не переключаются, как у аналога. На всем протяжении процесса заряда ток источника не изменяет своего направления. Возможно такое управление процессом заряда, при котором зарядный ток практически постоянен, его пульсации пренебрежимо малы. Эта особенность прототипа, наряду с сокращением числа элементов в его силовой части, позволяет достичь большего значения КПД процесса заряда входного конденсатора инвертора, по сравнению с аналогом.
Известное устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока (прототип) помимо указанных преимуществ обладает и недостатком. Он заключается в том, что во время работы автономного инвертора напряжения второй зажим его входного конденсатора оказывается подключенным к второму зажиму инвертора, не непосредственно, а через замкнутый первый выключатель и силовую цепь измерительного преобразователя тока входного конденсатора. Индуктивность цепи между вторым зажимом входного конденсатора и вторым входным зажимом инвертора мала, но и она ухудшает работу инвертора, создавая пульсации напряжения на входных зажимах инвертора и дополнительные потери мощности в силовых полупроводниковых компонентах инвертора. Этот недостаток проявляется тем сильнее, чем выше частота переключения электронных ключей инвертора и больше среднее значение входного тока инвертора. У современных инверторов большой мощности входные токи составляют сотни и более ампер, а частота переключения электронных ключей достигает десятки килогерц. При этом для снижения индуктивности проводников между выводами полупроводниковых элементов инвертора и его входного конденсатора выводы входных конденсаторов непосредственно подключены к металлическим пластинам, с которыми непосредственно, без соединительных проводников, соединены все выводы анодных и катодных групп электронных ключей и их обратных диодов. Следовательно, еще одна сторона проявления указанного недостатка прототипа - это отклонение от признанной конструкции современных импульсных полупроводниковых преобразователей.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является улучшение качественных показателей работы автономного инвертора: снижение пульсаций напряжения на выводах силовых полупроводниковых элементов инвертора и уменьшение потерь мощности в этих элементах.
Поставленная задача достигается тем, что в устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока, содержащее реактор, входной конденсатор инвертора, измерительный преобразователь тока этого конденсатора и блок управления его зарядом, первый и второй диоды, первый выключатель и демпфирующую цепь, которая включена между первым и вторым входными зажимами устройства, подключенными по одному соответственно к первому и второму выходным зажимам указанного источника, первый и второй выходные зажимы устройства подключены по одному соответственно к первому и второму входным зажимам автономного инвертора, при этом первый выходной зажим этого устройства подключен к его первому входному зажиму и к первому зажиму входного конденсатора инвертора, причем первый входной зажим упомянутого инвертора и первый выходной зажим указанного источника имеют одинаковую полярность, измерительный преобразователь тока входного конденсатора включен между его вторым зажимом и первым зажимом реактора, второй зажим которого подключен к первому зажиму входного конденсатора инвертора через первый диод, а первые выводы второго диода и первого выключателя подключены к второму входному зажиму устройства, при этом оба диода включены в направлении, не проводящем по отношению к напряжению указанного источника, демпфирующая цепь состоит из последовательно включенных демпфирующего конденсатора и резистора, а также второго выключателя, который подключен параллельно этому резистору, блок управления зарядом входного конденсатора инвертора содержит командный элемент, измерительные преобразователи напряжения источника постоянного тока и напряжения входного конденсатора инвертора, запоминающий блок, компаратор и выходной блок, выход которого является выходом блока управления зарядом входного конденсатора инвертора, входы измерительных преобразователей напряжения источника и напряжения входного конденсатора инвертора подключены соответственно к первому и второму входным зажимам устройства и к первому, и второму зажимам входного конденсатора инвертора, а к первому, второму и третьему входам выходного блока подключены соответственно первый выход командного элемента, выход измерительного преобразователя тока входного конденсатора и первый выход компаратора, у которого второй выход подключен к первому входу запоминающего блока, а первый и второй входы подключены соответственно к выходам измерительного преобразователя напряжения входного конденсатора и запоминающего блока, у которого второй вход подключен к второму выходу командного элемента, а третий вход подключен к выходу измерительного преобразователя напряжения упомянутого источника, введен электронный ключ, подключенный параллельно второму диоду, причем проводящие направления этого диода и упомянутого электронного ключа противоположны, выход блока управления зарядом входного конденсатора инвертора соединен с управляющим входом этого электронного ключа, второй зажим второго диода подключен к второму зажиму реактора, а вторые зажимы первого выключателя и входного конденсатора инвертора подключены к второму выходному зажиму устройства.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:
Признаки: «в устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока … введен электронный ключ, подключенный параллельно второму диоду, причем проводящие направления этого диода и упомянутого электронного ключа противоположны, … второй зажим второго диода подключен к второму зажиму реактора, а вторые зажимы первого выключателя и входного конденсатора инвертора подключены к второму выходному зажиму устройства» - позволяют, во-первых, минимизировать индуктивность участков электрической цепи, соединяющих выводы входных конденсаторов инвертора и выводы входящих в него электронных ключей и шунтирующих их обратных диодов. Тем самым во время работы инвертора достигается снижение пульсаций напряжения на выводах силовых полупроводниковых элементов инвертора и уменьшение потерь мощности в этих элементах. Во-вторых, после окончания процесса заряда входных конденсаторов, замкнув первый выключатель, исключить из цепи питания входа инвертора сопротивления электронного ключа, реактора и измерительного преобразователя тока входного конденсатора, а также избавиться от необходимости подавать включающий сигнал на управляющий вход электронного ключа, что снижает потери мощности в автономном инверторе. В-третьих, на последнем этапе заряда входного конденсатора снизить его напряжение до напряжения на входных зажимах устройства, позволяя этому конденсатору разряжаться через второй диод. В-четвертых, эти признаки совместно с признаками, общими с прототипом: «… устройство содержит … демпфирующую цепь, которая включена между первым и вторым входными зажимами устройства», и «… второй зажим реактора подключен к первому зажиму входного конденсатора инвертора через первый диод» позволяют ограничить перенапряжения на выводах электронного ключа на безопасном для него уровне.
Признак «… выход блока управления зарядом входного конденсатора инвертора соединен с управляющим входом этого электронного ключа» совместно с теми признаками, общими с прототипом, которые раскрывают состав указанного блока управления и связи между его элементами, позволяет начать процесс заряда входного конденсатора, послав команду на первое включение электронного ключа и отключать электронный ключ, когда ток заряда конденсатора достигает максимально допустимого значения. Такое значение тока заряда много меньше амплитудного значения этого тока, которое имело бы место, если бы электронный ключ не выключался до окончания заряда конденсатора. Следовательно, выключение электронного ключа при допустимом максимальном значении зарядного тока дает возможность снизить индуктивность реактора и вместе с ней его массу и стоимость. Перечисленные признаки позволяют также включать электронный ключ, когда ток заряда снижается до минимального значения. Чем меньше отличаются между собой максимальное и минимальное значения зарядного тока, тем меньше время заряда конденсатора и пульсации зарядного тока, тем ближе его коэффициент формы к единице. При этом снижается нагрев обмотки реактора и проводов линии, соединяющей автономный инвертор с источником постоянного тока. Кроме того, указанные признаки позволяют прервать процесс заряда входного конденсатора инвертора в тот момент, когда его напряжение достигнет значения напряжения источника постоянного тока. При этом исключается влияние падения напряжения в линии, соединяющей источник постоянного тока с входом устройства. Указанное падение напряжения зависит от значения и производной зарядного тока входного конденсатора инвертора.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Отличительные признаки предлагаемого решения позволяют, по сравнению с прототипом, снизить индуктивность участков электрической цепи, соединяющих выводы входных конденсаторов инвертора и выводы входящих в него электронных ключей и шунтирующих их обратных диодов. При этом во время работы инвертора обеспечиваются снижение в несколько раз пульсаций напряжения на выводах силовых полупроводниковых элементов инвертора и уменьшение потерь мощности в этих элементах. Тем самым открываются возможности или, при выбранных параметрах силовых полупроводниковых элементов инвертора, увеличить номинальные значения рабочих токов инвертора и его мощности, или, при заданных номинальных значениях токов инвертора и его мощности, выбрать электронные ключи и шунтирующие их диоды с меньшими значениями номинальных токов.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря данной совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования
Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока, в котором для ограничения перенапряжений используется демпфирующая цепь. В качестве примера на фиг.1 изображена схема трехфазного мостового инвертора. Шесть электронных ключей инвертора зашунтированы обратными диодами. В качестве электронных ключей могут быть использованы транзисторы или полностью управляемые тиристоры. На фиг.2 приведены графики тока (а) и напряжения (б) входного конденсатора 5 инвертора напряжения во время заряда этого конденсатора:
при постоянно включенном электронном ключе 29 - тонкие линии;
при отключениях ключа 29 в моменты заряда указанного конденсатора до напряжения источника 3 - утолщенные линии. На фиг.3 приведены графики тока (а) и напряжения (б) входного конденсатора 5 инвертора напряжения во время заряда этого конденсатора:
при отключениях электронного ключа 29 в моменты заряда указанного конденсатора до напряжения источника 3 - тонкие линии;
2
1
при отключениях ключа 29 в моменты возрастания зарядного тока до уровня заданного максимального значения I и при включениях ключа 29 в моменты снижения зарядного тока до уровня заданного минимального значения I - утолщенные линии;
при неизменном значении зарядного тока - пунктирные линии.
Устройство 1 для подключения автономного инвертора 2 напряжения к источнику 3 напряжения постоянного тока содержит следующие основные элементы: реактор 4, входной конденсатор 5 инвертора и блок 6 управления зарядом входного конденсатора инвертора. Первый 7 и второй 8 выходные зажимы устройства 1 подключены соответственно к первому 9 и второму 10 входным зажимам инвертора 2. Первый 11 и второй 12 входные зажимы устройства 1 соединены соответственно с первым 13 и вторым 14 источника 3 с помощью линии 15, в которую может входить не показанный на фиг.1 аппарат для включения и защиты этой линии. Первые зажимы 7, 9, 11 и 13 устройства 1, инвертора 2 и источника 3 имеют одинаковую полярность, на фиг.1 полярность этих зажимов отрицательная. Полярность вторых зажимов 8, 10, 12, и 14 - положительная.
В устройство 1 входит также демпфирующая цепь 16, содержащая резистор 17, параллельно которому включен второй выключатель 18 и демпфирующий конденсатор 19. Первый зажим демпфирующего конденсатора 19 подключен к первому входному зажиму 11 устройства 1. Второй зажим 20 этого конденсатора через резистор 17 и второй выключатель 18 подключен к второму входному зажиму 12 устройства 1. Конденсатор 5 подключен своим первым зажимом 21 к выходному зажиму 7 устройства 1, а вторым зажимом 22 - к выходному зажиму 8 устройства 1. Измерительный преобразователь 23 тока конденсатора 5 включен между выходным зажимом 8 устройства 1 и первым зажимом 24 реактора 4. Второй зажим 25 реактора 4 подключен через первый диод 26 к выходному зажиму 7 устройства 1, а через второй диод 27 к входному зажиму 12 устройства 1. Диоды 26 и 27 включены в направлении, не проводящем по отношению к напряжению источника 3. Первый выключатель 28 включен между вторым выходным зажимом 8 устройства 1 и вторым входным зажимом 12 этого устройства. Электронный ключ 29 подключен параллельно диоду 27. Эти два элемента вместе с реактором 4, измерительным преобразователем 23 тока, конденсатором 5 и первым диодом 26 образуют цепь заряда конденсатора 5. Эта цепь подключена к второму 12 входному, а также к первому 7 и второму 8 выходному зажимам устройства 1.
Между выходными зажимами 30 и входными зажимами 9 и 10 инвертора 2 включены электронные ключи 31 и обратные диоды 32, подключенные параллельно ключам 31.
Блок 6 управления зарядом входного конденсатора инвертора содержит командный элемент 33, измерительные преобразователи 34 и 35 напряжения источника постоянного тока и напряжения входного конденсатора инвертора, запоминающий блок 36, компаратор 37 и выходной блок 38. Выход 39 блока 6 управления зарядом конденсатора 5, подключенный к выходу выходного блока 38, соединен с управляющим входом электронного ключа 29. Входы измерительных преобразователей напряжения 34 и 35 подключены соответственно к первому 11 и второму 12 входным зажимам устройства 1 и к первому 21, и второму 22 зажимам конденсатора 5. К первому, второму и третьему входам выходного блока подключены соответственно первый выход командного элемента 33, выход измерительного преобразователя 23 тока конденсатора 5 и первый выход компаратора 37. Второй выход компаратора 37 подключен к первому входу запоминающего блока 36, а первый и второй входы компаратора 36 подключены соответственно к выходам измерительного преобразователя 35 напряжения входного конденсатора 5 и запоминающего блока 36. Второй вход запоминающего блока 36 подключен к второму выходу командного элемента 33, а третий вход запоминающего блока 36 подключен к выходу измерительного преобразователя 34 напряжения источника 3.
Устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока, принципиальная схема которого показана на фиг.1, работает следующим образом.
d
Cd
Cd0
d
d
d
d
d
До подключения к источнику 3 напряжения конденсаторов 5 и 19 равны нулю, а оба выключателя 18 и 28 разомкнуты. В разомкнутом состоянии находятся и все электронные ключи 31 инвертора 2. При подключении линии 15 к источнику 3, напряжение которого равно U, начинается процесс заряда демпфирующего конденсатора 19. Емкость С этого конденсатора в сотни и тысячи раз меньше емкости С входного конденсатора 5 инвертора. Пренебрежимо малы и значения индуктивности и сопротивления линии 15. В этом случае зависимость зарядного тока I конденсатора 19 определяется приближенной формулой , I=U/R, где R - сопротивление резистора 17; τ=RC - постоянная времени заряда демпфирующего конденсатора 19. После окончания процесса заряда конденсатора 19 его напряжение равно напряжению U источника 3. Это напряжение, измеренное измерительным преобразователем 34, сохраняется в памяти запоминающего блока 36. Выходные сигналы измерительных преобразователей 23 тока и 35 напряжения конденсатора 5, а также компаратора 37 равны нулю. Выключатель 18 переводят в замкнутое состояние, при этом он шунтирует резистор 17. Тем самым на дальнейших стадиях работы устройства 1 будут снижены пульсации напряжения между входными зажимами 11 и 12 устройства 1.
0
Процесс заряда основного конденсатора 5 начинается с воздействия на командный элемент 33, который подает сигнал на второй вход запоминающего блока 36. В результате этого запоминающий блок сохранит последнее перед замыканием ключа 29 значение U напряжения источника и перестанет следить за напряжением на входных зажимах 11 и 12 устройства 1. (Последнее напряжение изменяется с изменением зарядного тока из-за падения напряжения в линии.)
Одновременно командный элемент 33 подает запускающий сигнал на первый вход выходного элемента 38. Этот элемент управляет состоянием ключа 29 путем подачи необходимого сигнала на управляющий вход электронного ключа 29 в соответствии со следующими алгоритмами:
1
1) включает ключ, если ток конденсатора 5, измеренный преобразователем 23, не превосходит заданное минимальное значение I;
2
2) отключает ключ, если ток конденсатора 5, измеренный преобразователем 23, превосходит заданное максимальное значение I;
0
3) отключает ключ, если напряжение конденсатора 5 превосходит напряжение U, значение которого сохраняется в запоминающем блоке 36.
Выполнение последнего алгоритма производится в момент подачи командного сигнала на третий вход выходного блока 38 с выхода компаратора 37. Одновременно компаратор 37 подает второй сигнал на третий вход запоминающего блока 36. При этом этот блок снова начинает отслеживать напряжение между входными зажимами 11 и 12 устройства 1: выходное напряжение запоминающего блока 36 становится равным выходному напряжению измерительного преобразователя 34 напряжения источника постоянного тока.
C
C
С появлением тока и напряжения конденсатора 5 начинают изменяться выходные сигналы измерительных преобразователей 23 и 35. При пренебрежении малым влиянием падения напряжения в линии 15, что также позволяет не учитывать влияния демпфирующей цепи 16 на ток и напряжения конденсатора 5, изображения по Лапласу переходных процессов зарядного тока I(s) и напряжения U(s) этого конденсатора можно описать, в общем случае, следующими выражениями:
C0
C0
где s - аргумент изображения функций времени t, L - индуктивность реактора 4, R - его активное сопротивление, U - начальное напряжение конденсатора 5, I - начальный ток реактора. При первом включении электронного ключа 29 две последние величины равны нулю.
C
2
Если выражение I(s) умножить на s и найти предел при бесконечном значении s, то получится выражение для начального значения производной зарядного тока U/L. При U=800 В и L=0,1 Гн эта производная равна 8000 А/с, что более чем в сто тысяч раз меньше приведенной выше оценки, для непосредственного подключения входного конденсатора 5 к источнику через короткую линию и пусковой резистор (1000 А/мкс).
C0
C0
При нулевых начальных значениях U и I справедливы следующие выражения переходных характеристик, полученные из (1) с помощью обратного преобразования Лапласа:
C
C
0
где i и u - мгновенные значения тока и напряжения конденсатора 5, τ=L/R - постоянная времени реактора,  - волновое сопротивление последовательного резонансного контура,  - резонансная угловая частота этого контура. Из-за наличия в этом контуре сопротивления R угловая частота колебаний  несколько ниже резонансной угловой частоты ω. Выражения (2) и (3) определяют колебательный процесс.
Cmax
Рассмотрим предварительно переходный процесс при постоянно замкнутом состоянии ключа 29. При таком неуправляемом (за одно включение ключа 29) процессе заряда направление тока в цепи заряда изменялось бы через каждую половину периода угловой частоты ω. При положительном направлении этого тока он проходит через электронный ключ 29, источник 3 отдает мощность, и напряжение конденсатора 5 возрастает. Ток отрицательного направления проходит через второй диод 27, включенный параллельно электронному ключу 29. При этом конденсатор 5 разряжается, а источник 3 потребляет мощность. Этот колебательный процесс практически заканчивается через 10 постоянных времени τ реактора 4. Показанные тонкими линиями графики изменения тока (фиг.2, а) и напряжения (фиг.2, б) конденсатора 5 свидетельствуют о ряде недостатков такого процесса его заряда. Первый недостаток - это большие значения превышений напряжения конденсатора 5 над напряжением источника. Максимум этих превышений наступает через половину периода угловой частоты ω. Его относительное значение (базовое значение - это напряжение источника) равно exp(-π/(2ωτ)). Если С=0,6 Ф, L=0,1 Гн, R=0,15 Ом, то эта величина равна 0,56, что при U=800 В составляет около 440 В. В этом случае время достижения первого максимума напряжения конденсатора 5 примерно равно 0,78 с. Второй недостаток - большие потери энергии в реакторе. Для приведенных значений напряжения источника и емкости конденсатора они составят 192 кДж. То есть и в этом случае, как и при использовании пускового резистора, потери энергии в заряжающей конденсатор 5 цепи равны энергии, которую приобрел этот конденсатор после завершения его заряда. Третий недостаток - это слишком большое значение первого максимума I зарядного тока: оно имеет место через четвертую часть периода угловой частоты ω и для рассматриваемого примера составляет около 1500 А, что в 15 раз выше номинального значения входного тока инвертора 2. Четвертый недостаток - это большое время процесса заряда. Его продолжительность составляет примерно 7 с.
1
2
Cmax
Проявление этих недостатков значительно снижается при выполнении перечисленных алгоритмов управления ключом 29. Рассмотрим сначала процесс заряда конденсатора 5 при следующих условиях: I=0, I>I. В этом случае ключ 29 будет включаться при нулевом значении зарядного тока, а отключаться, когда напряжение конденсатора 5 достигает напряжения источника 3. Процесс заряда конденсатора имеет цикличный характер. Каждый цикл состоит из трех стадий: прохождение зарядного тока через ключ 29, прохождение этого тока через первый диод 26 и прохождение тока разряда конденсатора 5 через второй диод 27. Графики тока и напряжения конденсатора 5 при таком процессе управления ключом 5 для указанных выше параметров зарядной цепи показаны на фиг.2 утолщенными линиями.
C
0
C1
C1
C0
C1
C0
0
Cmax1
C0
C0
Cmax1
На первой стадии первого цикла напряжение u конденсатора 5 достигает первоначального значения U напряжения на входных зажимах 11 и 12 устройства 1 (оно сохраняется в запоминающем блоке 36) через 0,44 с после первого замыкания ключа 29. При этом ток реактора, пройдя свой максимум, снизится до значения I, а энергия магнитного поля реактора 4, которая определяется формулой , станет меньше, но соизмеримой с энергией конденсатора 5 при его заряде до напряжения источника. В этот момент сработает компаратор 36 и через блок 38 выдаст команду на отключение ключа 29. При этом заканчивается первая и начинается вторая стадия процесса. Для приведенных параметров (С=0,6 Ф, L=0,1 Гн, R=0,15 Ом) ток I реактора 4 равен 1410 А, его энергия составляет 52% от энергии полностью заряженного конденсатора 5. Так как индуктивность выключателя 18 и проводов, соединяющих демпфирующий конденсатор 19 с ключом 29, ничтожно мала, то и возникающее при его отключении перенапряжение на электроде ключа, соединенном с входным зажимом 12, также пренебрежимо мало. Ток реактора 4 при отключении ключа 29 не может мгновенно измениться, и этот ток начинает замыкаться через первый диод 26 и конденсатор 5, продолжая тем самым увеличивать напряжение этого конденсатора. Изображения по Лапласу тока и напряжения конденсатора 5 на второй стадии, при отключенном состоянии ключа 29, получаются при подстановке I=I, U=0 и U=U в выражения (1). Так как на этой стадии направление тока и напряжения конденсатора 5 противоположны, то ток снижается быстрее, а напряжение конденсатора 6 растет медленнее, чем до отключения ключа 29. Эти отличия процессов при включенном (тонкая линия) и отключенном (утолщенная линия) состояниях ключа 29 хорошо видны на фиг.2. Вторая стадия протекает быстрее первой (0,14 с). К концу этой стадии ток конденсатора 5 спадает до нуля, а его напряжение достигает максимума U (960 В), который значительно меньше, чем максимум этого напряжения при замкнутом состоянии ключа 29 (1240 В). С этого момента начинается третья стадия процесса. Так как напряжение конденсатора 5 больше напряжения источника 3, то ток реактора 4 изменяет свое направление, он возвращается в источник 3. В момент изменения знака тока реактора 4 сработает выходной блок 38 и подаст сигнал на второе включения ключа 29. Ток реактора 4 имеет направление, обратное по отношению к проводящему состоянию ключа. Поэтому этот ток проходит по второму диоду 27, шунтирующему ключ 29. Напряжение конденсатора 5 начинает снижаться. Изображения по Лапласу тока и напряжения конденсатора 5 на третьей стадии получаются при подстановке I=0 и U=U в выражения (1). Абсолютное значение тока реактора 4 сначала возрастает до максимума (305 А), а потом спадает до нуля (через 0,78 с после начала третьей стадии). К этому времени (через 1,36 с после первого включения ключа 29), в реакторе выделится достаточно большая энергия, составляющая около 58% от энергии полностью заряженного конденсатора 5, а его напряжение к моменту окончания третьей стадии (710 В) станет ниже напряжения источника 3.
С этого момента начинается второй цикл изменения зарядного тока. Процесс на втором цикле протекает аналогично тому, как это было на первом цикле. Продолжительности первой и третьей стадии такие же, как и на первом цикле. Но вторая стадия второго цикла проходит быстрее (за 0,02 с), так как начальное значение, для этой стадии, напряжения конденсатора 5 больше, чем на первом цикле, а начальное значение тока реактора меньше. Общая продолжительность второго цикла (1,24 с) также меньше, чем первого. На втором цикле в реакторе выделится во много раз меньшая энергия (1203 кДж), чем на первом. Суммарные потери энергии на двух циклах составляют 58,7% от энергии полностью заряженного конденсатора 5. Напряжение конденсатора 5 в конце второго цикла (798,6 В) практически равно напряжению источника, процесс заряда конденсатора 5 на этом завершается. Графики, приведенные на фиг.2, наглядно демонстрируют преимущества цикличного, состоящего из трех стадий, процесса по сравнению с неуправляемым. Время заряда (2,6 с) и максимальное значение перенапряжения конденсатора 5 сократились почти в три раза. У такого процесса имеются и существенные недостатки. Первый из них - это достаточно большой максимум мгновенного напряжения конденсатора, который для указанных параметров устройства 1 составляет 120% от напряжения источника.
c
2
C0
2
C0
C1f
C1f
C
1
C0
1
C0
C2f
C2f
1
2
C
C
2
C
C
C
Потери энергии в реакторе 4 пропорциональны интегралу от квадрата тока конденсатора 5, а его напряжение - интегралу от этого тока в первой степени. Поэтому при тех же параметрах конденсатора 5 и реактора 4 и том же напряжении источника 3 для снижения потерь энергии в реакторе 4 следует снизить максимальные значения зарядного тока. Устройство 1 реализует эту рекомендацию путем использования зарядных циклов, состоящих из двух стадий: увеличения и снижения зарядного тока. Первые стадии первого и последующего циклов процесса заряда конденсатора 5 завершаются при достижении током i заданного максимального значения I. В этот момент выходной блок 38 посылает команду на отключение ключа 29. Изображения по Лапласу тока и напряжения конденсатора 5 на второй стадии, при отключенном состоянии ключа 29, получаются при подстановке I=I, U=0 и U=U в выражения (1), где U - конечное значение напряжения конденсатора 5 на первой стадии. Вторые стадии циклов процесса заряда конденсатора 5 завершаются при снижении тока i до заданного минимального значения I. В этот момент выходной блок 38 посылает команду на включение ключа 29. Изображения по Лапласу тока и напряжения конденсатора 5 на первой стадии, при включенном состоянии ключа 29, получаются при подстановке I=I и U=U в выражения (1), где U - конечное значение напряжения конденсатора 5 на второй стадии. Графики тока и напряжения конденсатора 5 при таком процессе управления ключом 5, для указанных выше параметров зарядной цепи, при I=400 А и I=600 А, показаны на фиг.3 утолщенными линиями. График тока i для первых шести циклов представляет собой пилообразную линию с постоянным размахом. А напряжение конденсатора 5 на этом этапе плавно нарастает. На первой стадии седьмого цикла ток i вырастет до своего максимума (530 А), который меньше тока отключения I, а потом станет снижаться. Напряжение конденсатора 5, продолжая расти, достигнет напряжения источника (800 В). В момент равенства напряжений источника и конденсатора 5 выходной блок 38 под действием компаратора 37 пошлет команду на отключение ключа 29. На второй стадии седьмого цикла ток реактора замыкается через первый диод 26. Ток реактора 4 интенсивно снижается до нуля, а напряжение конденсатора 5 продолжает нарастать, достигая максимума (824 В) при нулевом значении тока i. С этого момента начинается третья стадия седьмого цикла, когда конденсатор 5, разряжаясь, посылает ток i в источник 3. Когда абсолютное значение тока i упадет до нуля, напряжение конденсатора 5 достигнет минимума (787 В). Начинается восьмой цикл, который, как и седьмой, проходит аналогично второму циклу рассмотренного выше процесса заряда с отключением ключа 29 только при достижении напряжения источника 3. Восьмой цикл заканчивается при напряжении конденсатора 5 (796 В), которое практически равно напряжению источника 3. На этом процесс заряда конденсатора 5 завершается. Полное время этого процесса составляет 3,4 с.
1
2
Графики тока и напряжения процесса заряда с отключением ключа 29 только при достижении напряжения источника 3, показанные на фиг.2 утолщенными линиями, на фиг.3 изображены тонкими линиями. Наглядно проявляется преимущество процесса с переключениями ключа 29 при достижении граничных значений I и I. Перенапряжение на конденсаторе 5 снизилось с 20 до 3%, а максимум зарядного тока - в 2,5 раза. Потери энергии в реакторе 4 уменьшились более чем в три раза: с 58,7 до 19,3% от энергии полностью заряженного конденсатора 5.
1
2
2
1
C
C
C
C
1
2
Можно еще в большей степени снизить потери энергии в реакторе 4, сделав заданные минимальное I и максимальное I значения как можно более близкими друг к другу. Минимум потерь при этом достигается в недостижимом на практике пределе - при выполнении равенства I=I (Пульсации зарядного тока отсутствуют, а число циклов включения и отключения ключа бесконечно велико.) Современные электронные ключи, выполненные, например, на базе IGBT транзисторов, могут работать при частоте коммутации 10 кГц и выше. Такую частоту коммутации в рассматриваемом случае вполне можно считать бесконечно большой. (Для указанного ранее максимального значения производной зарядного тока (8000 А/с) при частоте коммутации 10 кГц максимальный размах пульсаций тока i составит всего 0,8 А, что пренебрежимо мало по сравнению с номинальным входным током инвертора 2.) На фиг.3 пунктирными линиями показаны графики i(t) и u(t) для неизменного зарядного тока I, который равен 500 А, то есть среднему значению из ранее использованных значений I и I. На фиг.3, б видно, что основная часть изменения напряжения конденсатора 5 протекает так же, как и в ранее рассмотренном случае (утолщенная сплошная линии). При этом процесс заряда сразу и закончился, так как конденсатор 5 зарядился до напряжения источника 3 (800 В). Этот результат удалось обеспечить тем, что окончательное отключение ключа 29 произошло при напряжении несколько меньшем, чем напряжение источника (при 775 В). Состав управляющего блока 6 вполне допускает возможность практической реализации окончания процесса заряда подобным образом, что позволяет значительно сократить время заряда. В рассматриваемом примере оно составляет всего 1,02 с. Потери энергии в реакторе снизились на 5% по сравнению с рассмотренным выше процессом и составили 18,3% от энергии полностью заряженного конденсатора 5.
C
2
Дальнейшее уменьшение потерь энергии в реакторе 4 может быть достигнуто двумя способами. Во-первых, снижением зарядного тока i. Если этот ток уменьшить в k раз, то потери снизятся в гораздо большей мере - в k раз. Недостаток этого способа - увеличение времени заряда в k раз. Во-вторых, снижением индуктивности L реактора 4. При этом снижается и его активное сопротивление R. При использовании такого способа необходимо учитывать, что он связан с увеличением пульсаций зарядного тока, и при значительном уменьшении индуктивности потери в реакторе могут даже увеличиться.
После того, как конденсатор 5 зарядился до напряжения источника 3, замыкают выключатель 28, что позволяет закоротить цепь устройства 1, которая включена между его вторыми зажимами 10 и 12. При этом исключаются потери мощности и напряжения в реакторе 4, что повышает КПД преобразования постоянного тока в переменный. Реактор 4, работающий кратковременно, только во время заряда конденсатора 5, может быть выполнен с высокими значениями плотности тока в обмотке реактора. Такая возможность обеспечивает многократное уменьшение массы реактора 4, по сравнению со случаем, когда выключатель 28 отсутствует. Исключаются также потери мощности и напряжения в электронном ключе 29 и в шунтирующем его обратном диоде 27 (при отсутствии выключателя 29 ток через этот диод проходил бы, когда нагрузка инвертора работает в генераторном режиме). Падение напряжения в замкнутом выключателе 28 (доли вольта), при номинальной нагрузке инвертора, в несколько раз меньше, чем в реакторе и ключе 29 (или в диоде 27). Наличие замкнутого выключателя 28 позволяет снять питание с элементов управляющего блока 6, что исключает потери мощности в них и увеличивает их ресурс.
После прекращения работы инвертора 2 размыкают выключатели 18 и 28, подготавливая устройство 1 к следующему подключению к источнику 3. Устройство 1 готово к новому подключению к источнику 3 и новому процессу заряда конденсаторов 19 и 5. Если перерыв в подключении устройства 1 к источнику 3 был непродолжителен, то конденсаторы 19 и 5 могут полностью не разрядиться. Это обстоятельство нисколько не осложнит рассмотренный процесс проведения как подготовительных операций (изменения состояния выключателей 18 и 28), так и заряда конденсатора 5, только время заряда конденсаторов 19 и 5 станет меньше.
Источники информации
1. Электротехнический справочник: В 3 т. Т 2. Электротехнические изделия и устройства. / Под общ. ред. профессоров МЭИ: И.И.Орлова (гл. ред.) и др. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 880 с.
2. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника. - М.: Техносфера. - 2005 - 632 с.
3. Патент РФ №2377709 C1, МПК H02M 1/36. Устройство для подключения автономного инвертора напряжения к источнику напряжения постоянного тока (варианты). Заявл. 04.08.2008, опубл. 27.12.2009. Бюл. №36 (прототип 1-й вариант).