ЭЛЕКТРОННЫЙ ТРАНСФОРМАТОР
ELECTRONIC TRANSFORMER

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии и может быть использовано в качестве электронного трансформатора с плавным изменением коэффициента трансформации в смарт-сетях при согласовании переменного напряжения с переменным, регулируемым 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, состоящий из двух ступеней: первая - активный выпрямитель тока; вторая - инвертор тока (Hombu A., Nakazato М. Current Source Inverters with Sinusoidal Inpunts and Outputs // Hitachi Review. 1987. Vol. 36, N1. P. 29-34). Данный электронный трансформатор является совокупностью двух трехфазных мостовых схем на ключах, к входам одной из них подключается питающая сеть и она исполняет роль активного выпрямителя тока, а соответствующие выходы другой подключены к нагрузке и на ней формируется трехфазная система напряжений с регулируемой частотой и величиной. На выходе первой мостовой схемы трансформатора включен реактор, который является источником тока для второй ступени электронного трансформатора.
В данном электронном трансформаторе повышение напряжения на нагрузке происходит за счет только второй ступени преобразователя путем накопления напряжения на емкости, подключенной параллельно нагрузке. В первой ступени регулирование напряжения возможно только в сторону уменьшения. То есть данный электронный трансформатор имеет низкий коэффициент преобразования напряжения, который определяется как отношение выходного напряжения к входному напряжению электронного трансформатора.
Известен также электронный трансформатор, являющийся прототипом, 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 также две ступени преобразования: первая - активный выпрямитель напряжения и инвертор напряжения, 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.
То есть данный электронный трансформатор имеет также низкий коэффициент преобразования напряжения.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание электронного трансформатора с бо’льшим коэффициентом преобразования напряжения.
Это достигается тем, что в схему электронного трансформатора, содержащего каскадно включенные первичную сеть, LC - входной фильтр, выпрямитель на базе инвертора напряжения в обращенном режиме, емкостной фильтр на выходе выпрямителя, автономный инвертор, выходной фильтр и вторичную сеть, дополнительно введен сглаживающий реактор между емкостным фильтром на выходе выпрямителя и входом автономного инвертора, при этом автономный инвертор выполнен в виде инвертора тока на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью с емкостным фильтром на выходе и также введен индуктивный фильтр, включенный между выходом инвертора тока и вторичной сетью.
На Фиг. 1 представлена схема предлагаемого электронного трансформатора, рассматриваемого на примере трансформатора, трехфазного (m=3) входного напряжения в трехфазное выходное напряжение, а на Фиг. 2 - диаграммы его работы.
Предлагаемый электронный трансформатор (Фиг. 1) содержит первичную сеть 1; входной фильтровой реактор 2; активный выпрямитель на базе инвертора напряжения в обращенном режиме 3; емкостной фильтр на выходе выпрямителя 4, на котором обеспечивается повышение напряжения и фильтрация выпрямленного напряжения; сглаживающий реактор 5, выполняющий роль источника тока для автономного инвертора 6 на ключах с двухсторонней проводимостью; фильтровой выходной конденсатор 7 и выходной фильтровой реактор 8, включенный между выходом автономного инвертора и вторичной сетью 9.
На Фиг. 2 показаны эпюры напряжений в предлагаемой схеме электронного трансформатора, а именно на Фиг. 2а U1 - напряжение питающей сети 1, U4 - напряжение на конденсаторе 4, U7 - напряжение на выходе электронного трансформатора. На Фиг. 2б показаны напряжение и ток питающей сети.
Поставленная задача повышения напряжения на нагрузке с коэффициентом, бо’льшим, чем в прототипе, достигается тем, что первая ступень - выпрямитель и вторая - автономный инвертор имеют коэффициенты преобразования напряжения больше единицы. В результате коэффициент преобразования напряжения в предлагаемом электронном трансформаторе может достигать значений 10-15, в то время как в электронном трансформаторе прототипа он не превосходит 3-4.
Работа предлагаемого электронного трансформатора (Фиг. 1.) заключается в следующем. Он содержит две ступени преобразования: первая - активный выпрямитель напряжения, выполненный на базе инвертора напряжения в обращенном режиме. На выходе этого выпрямителя формируется постоянное напряжение, величина которого регулируется в сторону увеличения за счет задания соответствующей фазы входного напряжения выпрямителя относительно напряжения питающей сети. Эта фаза регулируется фазой модулирующего сигнала в системе управления выпрямителем. Кривая входного тока выпрямителя формируется методом синусоидальной ШИМ. Коэффициент повышения напряжения в таком активном выпрямителе составляет 3-4. На выходе выпрямителя включен реактор, который выступает в роли источника тока для второй ступени трансформатора - автономного инвертора на базе инвертора тока. Данный инвертор благодаря своей специфики работы имеет коэффициент преобразования напряжения также примерно равный 3-4. Таким образом, суммарный коэффициент преобразования напряжения для предлагаемого электронного трансформатора будет равен произведению коэффициентов преобразования напряжения обеих ступеней. Это будет существенно больше, чем в прототипе.