ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА В ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК
DIRECT TO ALTERNATE CURRENT CONVERTER

Изобретение относится к преобразователям электрической энергии, конкретно к автономным инверторам напряжени, и может быть использовано во вторичных источниках питания в общепромышленной технике, а также в преобразователях собственных нужд для локомотивов на железнодорожном транспорте.
Известен статический преобразователь, содержащий полумостовой транзисторный инвертор, состоящий из конденсаторного делителя напряжения контактной сети и двух транзисторов, трансформатора, первый вывод первичной обмотки которого подключен к средней точке конденсаторного делителя напряжения, второй вывод - к эмиттеру первого и коллектору второго транзисторов, а вторичная обмотка подключена к нагрузке регулятора напряжения и ШИМ-контроллера, первый выход которого соединен с управляющими цепями первого транзистора, второй выход соединен с управляющими цепями второго транзистора, а вход - с выходом регулятора напряжения (RU, патент №2314939, B60L 9/04, B60L 01/00, 2008 г.).
Недостатком данного статического преобразователя является в два раза меньшая мощность на выходе при использовании одинаковых силовых транзисторов, обусловленная использованием в нем полумостовой схемы транзисторного инвертора.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по совокупности существенных признаков является однофазный мостовой транзисторный инвертор, принятый за прототип, содержащий транзисторы, источник питания со сглаживающим конденсатором на выходе, нагрузку, преимущественно трансформаторного типа, подключенную через конденсатор к диагонали переменного тока упомянутого однофазного мостового транзисторного инвертора, а также содержащий датчик тока нагрузки, соединенный выходом с системой управления и защиты, датчик сквозных токов, выполненный в виде четырехобмоточного насыщающегося трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к соответствующему входу системы управления и защиты (RU, патент №2168825, Н02Н 7/22, Н02М 7/5387, 2001 г.).
Недостатком прототипа являются большие массогабаритные размеры датчика сквозных токов и силового конденсатора в цепи первичной обмотки трансформатора, рассчитанных на полный ток обмотки трансформатора.
Техническим результатом изобретения является уменьшение массогабаритных размеров преобразователя.
Указанный технический результат достигается тем, что преобразователь постоянного тока в переменный ток, содержащий источник постоянного напряжения с конденсатором на выходе, мостовой инвертор напряжения, состоящий из четырех ключей, каждый из которых состоит из транзистора и обратного диода, выводы постоянного тока которого соединены с выходом источника постоянного напряжения, а выводы переменного тока подключены к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к нагрузке, систему управления, кроме этого в магнитопровод трансформатора встроен датчик Холла, выход которого подключен к входу системы управления, выходы которой подключены к входам первого и второго драйверов, каждый из которых управляет двумя последовательно включенными ключами мостового инвертора напряжения.
На чертеже представлена структурная схема преобразователя постоянного тока в переменный ток.
Преобразователь постоянного тока в переменный ток, содержит источник постоянного напряжения 1 с конденсатором 2 на выходе, мостовой инвертор напряжения 3, состоящий из четырех ключей 4-7, каждый из которых состоит из транзистора 8 и обратного диода 9, выводы постоянного тока которого соединены с выходом источника постоянного напряжения 1, а выводы переменного тока подключены к первичной обмотке 10 трансформатора 11, вторичная обмотка 12 которого подключена к нагрузке 13, систему управления 14, датчик Холла 15, встроеный в магнитопровод трансформатора 11 и выход которого подключен к входу системы управления 14, выходы которой подключены к входам первого и второго драйверов 16, 17. Драйверы 16, 17 управляют соответственно последовательно включенными ключами 4,5 и 6,7 мостового инвертора напряжения 3.
Магнитопровод трансформатора 11 выполнен разрезным поперек направления линий магнитной индукции. На поверхности разреза выполнено углубление, в которое устанавливают датчик Холла 15. Датчик Холла 15 преобразует индукцию магнитного поля трансформатора 11 в напряжение, знак и величина которого зависит от полярности и силы магнитного поля.
Драйвера 16, 17 усиливают по мощности сигналы с системы управления 14, а также осуществляет гальваническую развязку между силовыми цепями мостового инвертора напряжения 3 и слаботочными цепями системы управления 14. Кроме этого, драйвера 16,17 осуществляют мониторинг падения напряжения на переходе коллектор-эмиттер транзисторов 8 ключей 4-7.
В качестве транзисторов 8 могут быть использованы IGBT-транзисторы или транзисторы структуры MOSFET. Обратные диоды 9 защищают транзисторы 8 в моменты выключения от обратных напряжений.
Преобразователь постоянного тока в переменный ток работает следующим образом.
Включают источник постоянного напряжения 1 с конденсатором 2, постоянное напряжение которого подается на выводы постоянного тока мостового инвертора напряжения 3, состоящего из четырех ключей 4-7, каждый из которых состоит из транзистора 8 и обратного диода 9. Выводы переменного тока мостового инвертора напряжения 3 подключают к первичной обмотке 10 трансформатора 11, в магнитопровод трансформатора 11 встроен датчик Холла 15, выход которого подключен к входу системы управления 14. Очередность включения ключей 4-7 осуществляют системой управления 14. Системой управления 14 формируют два противофазных сигнала управления и подают соответственно на входы драйверов 16,17. Каждым из драйверов 16,17 управляют двумя последовательно включенными ключами 4,5 и 6,7 мостового инвертора напряжения 3. При включении ключа 4(6), выключают ключ 5(7) и наоборот. Напряжение источника постоянного напряжения 1 преобразуют в переменное напряжение одновременным включением ключей 4,7 (6,5) и выключением ключей 6,5 (4,7). При этом ток через первичную обмотку 10 трансформатора 11 полпериода управляющего сигнала течет в одну сторону и полпериода в другую, перемагничивая магнитопровод трансформатора 11 по симметричной петле гистерезиса. Датчиком Холла 15 индукцию магнитного поля преобразуют в двухполярное импульсное напряжение, которое поступает в систему управления 14. Вследствие неидентичности характеристик транзисторов 8 ключей 4-7, в частности времен включения и выключения транзисторов 8, в переменном токе первичной обмотки 10 трансформатора 11 появляется постоянная составляющая тока, которая намагничивает магнитопровод трансформатора 11. При этом датчик Холла 15 формирует двухполярное импульсное напряжение со смещением в положительное или отрицательное значение. Системой управления 14 путем фильтрации выделяют постоянную составляющую выходного напряжения с датчика Холла 15 и в зависимости от знака постоянной составляющей увеличивают или уменьшают скважность импульсов управления. Процесс регулирования осуществляют до тех пор, пока постоянная составляющая выходного напряжения с датчика Холла 15 не станет равной нулю.
Драйверами 16, 17 не только включают ключи 4-7, но и осуществляют мониторинг состояния транзисторов 8. При сквозном токе через ключи 4,5 (6,7) падение напряжения на переходах коллектор-эмиттер транзисторов 8 превысит допустимое значение и драйвер 16 (17) блокирует импульсы управления с передачей сигнала аварии в систему управления 14.
Применение датчика Холла 15 и драйверов 16,17 позволяют исключить из конструции преобразователя постоянного тока в переменный ток крупногабаритные датчик сквозного тока и силовой конденсатор.
Предлагаемый преобразователь постоянного тока в переменный ток испытан и будет реализован в преобразователе собственных нужд опытного магистрального газотурбовоза ГТ1h - 002.