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 (S.М. Dehghan, М. Mohamadian, A. Yazdian, F. Ashrafzadeh, A Novel Space Vector Modulation for Nine-Switch Converters, 885-891, 2009 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition, San Jose, CA).
Он содержит две ступени преобразования: первая - Z-фильтр и 9-ключевой преобразователь (вторая ступень трансформатора). Вторая ступень представляет собой сдвоенный 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 - Z-фильтра.
Повышение напряжения на нагрузке происходит за счет первой ступени преобразователя (Z-фильтра) путем накопления напряжения на фильтровом конденсаторе. Во второй ступени регулирование напряжения возможно только в сторону уменьшения.
Данный электронный трансформатор имеет недостаточно высокий коэффициент преобразования напряжения из-за повышения напряжения только в одной ступени преобразователя.
Известен также электронный трансформатор, в качестве которого можно использовать преобразователь, являющийся прототипом Congwei Liu, BinWu, Navid R. Zargari, Dewei (David) Xu and Jiacheng Wang, A Novel Three-Phase Three-Leg AC/AC ConverterUsing Nine IGBTs. IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL. 24, NO. 5, MAY 2009.
Он содержит также 9-ключевой преобразователь, выполненный на ключах с односторонней управляемостью, состоящих из встречно-параллельно соединенных транзистора и диода, с включенным конденсатором между общими точками соединения верхних и нижних ключей 9-ключевого преобразователя.
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 накопления напряжения на упомянутом выше конденсаторе. Поэтому такой электронный трансформатор также имеет довольно низкий коэффициент преобразования напряжения.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание электронного трансформатора с более высоким коэффициентом преобразования напряжения.
Это достигается тем, что электронный трансформатор, содержащий первую сеть переменного напряжения, первый LC-фильтр, 9-ключевой реверсивный преобразователь на управляемых ключах, второй LC-фильтр, вторую сеть переменного напряжения, включенные каскадно, отличающийся тем, что 9-ключевой преобразователь выполнен на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью а также введен накопительный реактор, включенный своими зажимами к верхней и нижней тройке ключей 9-ключевого преобразователя.
На Фиг. 1. представлена схема предлагаемого электронного трансформатора, рассматриваемого на примере трансформатора, преобразующего трехфазное входного 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 первой сети, 9-ключевой реверсивный преобразователь (РП) 3; накопительный реактор (HP) 4, включенный своими зажимами к верхней и нижней тройке ключей 9-ключевого преобразователя, второй LC-фильтр (Ф2) 5, включенный между выходом 9-ключевого реверсивного преобразователя и второй сетью (ВС) 6.
вх
вых
4
вх
вх
рп
На Фиг. 2 показаны эпюры напряжений в предлагаемой схеме электронного трансформатора. На Фиг. 2 а) показаны: u - напряжение первой сети 1 и u - напряжение на выходе электронного трансформатора. На Фиг. 2. б) i - ток в накопительном реакторе 4. На Фиг. 2 в) u - напряжение первой сети, i - ток первой сети 1 и i - входной ток 9-ключевого реверсивного преобразователя.
Принцип работы предлагаемого электронного трансформатора заключается в следующем. Управление 9-ключевым реверсивным преобразователем осуществляется с применением широтно-импульсной модуляции. Тактовый интервал широтно-импульсной модуляции разбивается на два подынтервала. На первом подынтервале 9-ключевой реверсивный преобразователь работает как выпрямитель (при передаче мощности из первой сети во вторую). Трехфазная мостовая схема выпрямления образуется из тройки верхних и тройки средних ключей РП. Для того чтобы реактор подключился на выход выпрямителя, импульсы управления средними ключами дублируются на нижние ключи 9-ключевого реверсивного преобразователя. При этом в реакторе 4 нарастает ток и запасается электромагнитная энергия. На втором подынтервале импульсы управления ключами выпрямителя снимаются, а из средних и нижних ключей 9-ключевого реверсивного преобразователя формируется трехфазная схема инвертора тока, и теперь реактор 4, в котором запаслась электромагнитная энергия, будет выступать источником тока для сформированной схемы инвертора тока. Для того чтобы накопительный реактор 4 подключился на вход инвертора тока, импульсы управления средними ключами дублируются на верхние ключи 9-ключевого реверсивного преобразователя. Созданная схема инвертора тока формирует напряжение во второй сети. В качестве источника тока для нее выступает накопительный реактор 4, который теперь отключен от первой сети. При этом, запасенная энергия в накопительном реакторе, величину которой можно регулировать, передается через ключи инвертора тока к конденсаторам второго фильтра, повышая на них напряжение. В этом случае мощность передается из первой сети во вторую. Для передачи мощности из второй сети в первую надо поменять местами выпрямитель и инвертор тока.
Таким образом, при формировании напряжения на конденсаторах второго фильтра используются два фактора: регулируемый ток накопительного реактора 4 и сам принцип формирования напряжения инвертора тока (перемещение рабочей точки по внешней круто возрастающей характеристики реверсивного инвертора тока), что делает коэффициент преобразования по напряжению более высоким, чем в прототипе.
Это стало возможным благодаря тому, что 9-ключевой реверсивный преобразователь выполнен на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, а также введен накопительный реактор, включенный своими зажимами к верхней и нижней тройке ключей 9-ключевого преобразователя.