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 (А.Н. Абрамов, В.И. Попов. Об одном способе упрощения инверторов напряжения, Сб. Преобразовательная техника, Новосибирск, 1968 г.).
Он содержит две стойки ключей вместо трех, как в классическом мостовом инверторе напряжения, и формирует на нагрузке переменное регулируемое напряжение по частоте и по величине, причем по величине регулируемое только в сторону уменьшения.
Данный электронный трансформатор имеет недостаточно высокий коэффициент преобразования напряжения, поскольку выходное напряжение регулируется только в сторону уменьшения.
Известен также электронный трансформатор, в качестве которого можно использовать преобразователь, являющийся прототипом (В. SHIVA, V. RAJ KUMAR Three Phase AC-AC Converter Using Nine Switch (IGBTS) Converter Topology International Journal of Engineering Research and Applications Vol. 2, Issue 3, May-Jun 2012, pp. 1711-1721).
Он содержит трехфазный трехстоечный мостовой преобразователь, каждая стойка которого представляет три последовательно включенных транзистора, шунтированных обратными диодами, с включенным конденсатором между общими точками соединения верхних и нижних ключей 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 за счет накопления напряжения на упомянутом выше конденсаторе. Поэтому такой электронный трансформатор имеет довольно высокий коэффициент преобразования напряжения, но требует для своего выполнения 9 ключей.
Это является его недостатком, т.к. усложняет систему в целом (силовую схему и систему управления), а также снижается коэффициент полезного действия из-за наличия большого количества ключей.
Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является создание электронного трансформатора с более простой схемой и улучшенным коэффициентом полезного действия.
Это достигается тем, что электронный трансформатор, содержащий первую сеть трехфазного переменного напряжения, первый L-фильтр, трехфазный трехстоечный мостовой преобразователь, две стойки которого выполнены на трех последовательно включенных транзисторах, шунтированных обратными диодами, второй L-фильтр, вторую сеть трехфазного переменного напряжения, при этом две фазы первой трехфазной сети подключены к соответствующим точкам соединения верхних и средних транзисторов двух стоек, а две фазы второй трехфазной сети подключены к соответствующим точкам соединения нижних и средних транзисторов тех же двух стоек, и также накопительный конденсатор, включенный своими зажимами к верхнему и нижнему полюсу соединения верхних и нижних транзисторов двух стоек преобразователя, отличающийся тем, что третья стойка выполнена из двух накопительных конденсаторов, включенных последовательно, и третья фаза первой трехфазной сети и третья фаза второй трехфазной сети подключены к общей точке соединения накопительных конденсаторов.
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 L-фильтр (Ф1) 2, включенный после первой сети, транзисторный преобразователь (П) 3; накопительный конденсатор (ПК) 4, включенный своими зажимами к верхней и нижней двойке ключей транзисторного преобразователя, второй L-фильтр (Ф2) 5, включенный между выходом преобразователя и второй сетью (ВС) 6.
вх
вых(1)
вых
вых
п
На Фиг. 2 показаны эпюры токов и напряжений в предлагаемой схеме электронного трансформатора. На Фиг. 2, а) показаны: u - напряжение первой сети 1 и u - напряжение первой гармоники на выходе электронного трансформатора. На Фиг. 2, б) u - напряжение на накопительном конденсаторе 4. На Фиг.2, в) u - выходное напряжение электронного трансформатора и i - выходной ток транзисторного преобразователя.
Принцип работы предлагаемого электронного трансформатора заключается в следующем. Управление транзисторным преобразователем осуществляется с применением широтно-импульсной модуляции. Тактовый интервал широтно-импульсной модуляции разбивается на два подинтервала. На первом подинтервале транзисторный преобразователь работает как выпрямитель (при этом накопительный конденсатор заряжается до необходимого напряжения). Трехфазная мостовая схема выпрямления образуется из двойки верхних и двойки средних ключей П. Выход одной фазы первой сети подключается к средней точке накопительного конденсатора. Для того чтобы конденсатор 4 подключился на выход выпрямителя, импульсы управления средними транзисторами дублируются на нижние транзисторы преобразователя. При этом на конденсаторе 4 нарастает напряжение и запасается электромагнитная энергия. На втором подинтервале импульсы управления ключами выпрямителя снимаются, а из средних и нижних транзисторов преобразователя формируется трехфазная схема инвертора напряжения, и теперь конденсатор 4, в котором запаслась электромагнитная энергия, будет выступать источником напряжения для сформированной схемы инвертора напряжения. Для того чтобы накопительный конденсатор 4 подключился на вход инвертора напряжения, импульсы управления средними ключами дублируются на верхние ключи транзисторного преобразователя. Созданная схема инвертора напряжения формирует напряжение во второй сети. В качестве источника напряжения для нее выступает накопительный конденсатор 4, который теперь отключен от первой сети. При этом запасенная энергия в накопительном конденсаторе, величину которой можно регулировать, передается через транзисторы инвертора напряжения во вторую сеть. Таким образом, через промежуточное звено (накопительный конденсатор 4) мощность передается из первой сети во вторую и наоборот. Для передачи мощности из второй сети в первую надо поменять местами выпрямитель и инвертор напряжения.
Это стало возможным благодаря тому, что третья стойка выполнена из двух накопительных конденсаторов, включенных последовательно, и третья фаза первой трехфазной сети и третья фаза второй трехфазной сети подключены к общей точке соединения накопительных конденсаторов.
Таким образом, упрощение схемы за счет уменьшения на треть числа активных элементов и повышение к.п.д. за счет уменьшения потерь в них произошло за счет замены третьей стойки в прототипе, выполненной на активных элементах (транзисторах), на пассивную, состоящую из двух последовательно включенных конденсаторов, одновременно выполняющих роль накопителей электрической энергии и являющихся источником питания на втором подинтервале при формировании напряжения на входе преобразователя.