Энергоэкономичные нерегулируемые инверторы с пассивными демпферно - коммутационными цепочками

Компоненты и технологии, № 5'2005

Энергоэкономичные нерегулируемые инверторы

с пассивными демпферно-коммутационными цепочками

Показана рациональность возвращения в силовую электронику незаслуженно забытых схем нерегулируемых инверторов со звеном постоянного тока и с пассивными демпферно-коммутационными цепочками. Существенное повышение их КПД достигается за счет экономичной рекуперации энергии демпфирования в источник питания.

Станислав Резников, д. т. н.

dean3@mai.ru

Денис Чуев, к.т.н.,

Петр Бутенко, Александр Савенков, Сергей Кузённый, Анна Бекетова

Благодаря отсутствию сквозных сверхтоков и насыщения трансформаторов из-за вольт-секунд-ной несимметрии, инверторы с энергоемким дросселем постоянного тока относятся к наиболее эффективным по простоте и надежности звеньям преобразовательной электроники. На рис.1 приведена структура классического двухтактного инвертора со звеном постоянного тока и с простейшей С-И-УЭ пассивной демпферно-коммутационной цепочкой (ДКЦ). Наличие ДКЦ необязательно, если при переключении электронных ключей мостового коммутатора ЭК1-4 гарантировать отсутствие режима разрыва цепи тока дросселя Ь, например введе-

нием переходного режима кратковременного короткого замыкания (сквозного тока). Однако такой алгоритм сильно затрудняет применение стандартных схем управления (драйверов) мостовыми и полумо-стовыми транзисторными стойками. Кроме того, без ДКЦ схема становится неработоспособной при наличии индуктивности в цепи нагрузки, например индуктивности рассеяния обмоток трансформатора. И наконец, при наличии фильтровых конденсаторов, шунтирующих нагрузку, и использовании в качестве ЭК транзисторов режим кратковременного короткого замыкания потребует установить последовательно с каждым транзистором дополнительный диод для исключения инверсных сверхтоков [1].

На рис. 2 приведены структуры однотактных инверторов с аналогичными ДКЦ, но без использования части запасаемой в них энергии (рассеивается в варисторе, ограничителе или стабилитроне) [2, 3, 4]. Эти схемы отличаются особой простотой и надежностью, но применимы лишь при относительно малых мощностях из-за относительно низкого КПД. Исключить постоянную составляющую тока в нагрузке из-за несимметрии цепей нарастания и спада тока дросселя можно с помощью компенсирующего конденсатора Ск с относительно малой реактивной мощностью (с малым рабочим напряжением).

Приведенные однотактные схемы инверторов не только просты и надежны, они являются регулиру-

Компоненты и технологии, № 5'2005

емыми за счет изменения относительной длительности импульса у ШИМ-управления ЭК. Однако отклонения от значения у = 0,5 вызывают существенные несимметрии в форме выходных напряжения и тока.

На практике в большинстве случаев представляется целесообразным регулирование выходных параметров при сохранении симметрии формы выходного сигнала (у = const = 0,5), то есть за счет установки отдельного регулятора на входе или выходе инвертора. Если априорно принять эту концепцию, появляется реальная возможность существенно повысить КПД нерегулируемых инверторов за счет экономной рекуперации энергии демпфирования в источник питания или в его фильтровый конденсатор с помощью C-L-VD ДКЦ. Такая цепочка описана в [5], но только для режимов прерывистого тока в L.

На рис. 3 приведены принципиальные схемы силовых частей нерегулируемых однотакт-ных инверторов с C-L-VD ДКЦ:

а) с нагрузкой, имеющей среднюю точку (например, трансформаторной);

б) с балластным дросселем L6 со средней точкой.

При втором варианте также можно применить компенсирующий конденсатор Ск для исключения постоянной составляющей тока и напряжения в нагрузке. Пунктиром в ДКЦ показан диод, который можно ввести для предотвращения колебаний. Балластный дроссель L6 и дроссель ДКЦ могут быть выполнены с общим магнитопроводом — для передачи части энергии коммутационных потерь непосредственно в нагрузку, минуя рекуперацию в фильтровый конденсатор.

В двухтактных нерегулируемых инверторах (рис. 4 и 5) плечи электронных ключей работают в противофазе, благодаря чему достигаются симметрия формы выходного тока и существенное снижение пульсации тока в балластном дросселе.

Определенный интерес представляет применение нерегулируемых инверторов с пассивными демпферно-коммутационными цепочками в составе преобразователей частоты или трансформаторно-выпрямительных блоков с промежуточным звеном повышенной частоты.

На рис. 6 приведена схема бестрансформа-торного преобразователя частоты с коррекцией потребляемой мощности. При однофазном первичном источнике, например 50 Гц с 220 В, наибольший КПД корректора потребляемой мощности может быть достигнут с помощью двухтранзисторного повышающе-понижаю-щего импульсного модулятора (VTj 2-L-VD5 6). Выбрав оптимальный уровень среднего значения постоянного выходного напряжения модулятора UC2 в диапазоне [0; 310 В], можно достичь значений коэффициента потребляемой из сети мощности, близких к х я 1 при высоких значениях КПД модулятора. Для этого на интервалах времени, когда ип < UC2, модулятор должен работать в повышающем режиме (при открытом VT1); на интервалах, когда ип > UC2, — в понижающем режиме (при закрытом VT2), а на границах указанных интервалов, когда ип я UC2, — в «безразличном» прямоходовом режиме (при синхронном управлении VT1 и VT2).

---------------------www.finestreet.ru -

*-

!*—

а)

VDA

L С

=kur

ДКЦ'

VT

*iu,

—*

Г иЦУг

• м Ц 2

из-

І?"

Ck

б)

Рис. 3. Схемы нерегулируемых однотактных инверторов с рекуперацией энергии ДКЦ в источник

Сф

*-

ДКЦі

-W-

-М-

ДКЦ2

М-

гН

. Rhi I I

Б V

________у

гЧ А RH2N [

—N--------------*

U„/2

Сф2

Un/2

1*-

ДКЦ,

-М-

V

ДКЦ2

гч L *1 -I

б)

Рис. 4. Схемы нерегулируемых двухтактных инверторов с рекуперацией энергии ДКЦ в источник

Рис. 5. Схема мостового нерегулируемого инвертора с рекуперацией энергии ДКЦ в источник

На выходе импульсного модулятора установлен однотактный нерегулируемый инвертор повышенной частоты с пассивной ДКЦ. Далее может быть установлен развязывающий трансформатор, а при надобности — выпрямитель.

Установка балластного конденсатора С5 позволяет защитить транзисторы от кратковременных импульсов сетевого напряжения, которые могут достигать высоких значений. Для защиты необходимо до развития импульсом недопустимых значений выключить все транзисторы. В этом случае к транзисторам будут приложены напряжения, более равно-

мерно распределяющие амплитуду импульса. Усилить защиту можно известными варистор-ными или стабилитронными цепочками, шунтирующими транзисторы.

На рис. 7 приведена схема бестрансформа-торного преобразователя частоты с коррекцией потребляемой мощности и общим заземлением. Схема особенно интересна в случае больших мощностей и при питании от трехфазной сети. В этом случае можно применить три однотипных пары вышеописанных модуляторов (по числу фаз) и один общий полумостовой нерегулируемый инвертор (УТ3' - УТ3" -1) с пассивными ДКЦ.

---------------------------------- 89

а)

Компоненты и технологии, № 5'2005

C5

e-

Вывод

Помимо общеизвестных достоинств инверторов со звеном постоянного тока — простоты и надежности (поскольку отсутствуют сквозные сверхтоки и насыщение трансформаторов из-за вольт-секундной несимметрии), рассмотренные схемы нерегулируемых инверторов с пассивными C-L-VD демпферно-коммутационными цепочками позволяют существенно повысить КПД преобразования по сравнению с традиционными схемами с резистивными, стабилитронными или варисторными рассеивающими звеньями благодаря экономичной рекуперации коммутационной энергии в фильтровый конденсатор источника. НИМ

Литература

1. Карташев Е. ШИМ-инверторы с активной коммутацией выпрямителей // Компоненты и технологии. 2004. № 9.

2. Патент РФ № 2101886 от 10.01.98 г. Электронное устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп / Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Дубенский Г. А., Резников С. Б., Татьянин В. И.

3. Патент РФ № 2103845 от 27.01.98 г. Устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп / Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Дубенс-кий Г. А., Резников С. Б., Татьянин В. И.

4. Моин В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат. 1986. С. 141, рис. 4.12 б, в.

5. Сергеев Б. С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания. М.: Радио и связь. 1992.

90

www.finestreet.ru