ОДНОФАЗНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области силовой электроники и может быть использована для проектирования источников питания с 3-х ступенчатой аппроксимирующей синусоиду формой выходного напряжения.
Известен однофазный преобразователь постоянного напряжения (А.с. СССР №944025, МПК: Н02М 7/48), содержащий 3 источника питания, выходной трансформатор с отпайками на первичной стороне и 5 ключей переменного тока.
Недостатком данного преобразователя является то, что он может работать только на активную нагрузку.
Известен также однофазный автономный инвертор напряжения (АИН) (Тонкаль, В.Е. Синтез автономных инверторов модуляционного типа. - Киев: Наукова думка, 1979. С.5-125), выполненный на основе однофазного инверторного моста с тремя источниками питания, имеющими общие выводы.
Недостатком данного устройства являются большие аппаратные затраты.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является однофазный преобразователь постоянного напряжения в переменное трехступенчатое квазисинусоидальное (Свидетельство на полезную модель №15822, МПК: Н02М 7/48). Данный преобразователь содержит мостовой инвертор напряжения, к входу которого подключены два последовательно соединенные между собой источника питания, в цепь каждого из которых введено по транзистору, соединенному последовательно с источником питания, и диоду, подключенному параллельно в непроводящем направлении к цепи, содержащей источник питания и транзистор. При этом ветвь из последовательно соединенных диодов шунтирована конденсатором.
Недостатком данного устройства являются необходимость установки конденсатора параллельно входу инверторного моста для обеспечения возможности работы на активно-индуктивную нагрузку. При этом величина емкости конденсатора определяет диапазон изменения коэффициента мощности нагрузки, при котором практически не происходит искажение формы выходного напряжения АИН. Этот диапазон достаточно узок и фактически классическая 3-х ступенчатая форма выходного напряжения имеет место только при активной нагрузке.
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение выходного напряжения близкого к синусоидальному независимо от величины и характера нагрузки.
Поставленная задача решается тем, что в однофазном преобразователе постоянного напряжения, содержащем мостовой инвертор напряжения, к входу которого подключены два последовательно соединенных источника питания, к каждому из которых последовательно подключен транзистор, согласно предлагаемому техническому решению, каждый из последовательно подключенных к источнику питания транзисторов шунтирован обратным диодом, при этом параллельно каждой цепи, содержащей источник питания и транзистор с обратным диодом, подключено по шунтированному обратным диодом транзистору в проводящем по отношению к источникам питания направлении.
Полезная модель поясняется чертежами и временными диаграммами, где на фиг.1 представлена схема заявленного устройства, на фиг.2 - временная диаграмма управления транзисторами, на фиг.3 - зависимость выходного напряжения от значений амплитуд напряжения источников питания и углов управления транзисторами мостового инвертора.
Однофазный преобразователь постоянного напряжения включает мостовой инвертор И, содержащий транзисторы 1-4, шунтированные обратными диодами 5-8, включенные по мостовой схеме. Выход моста соединен с нагрузкой 9, а вход моста подключен к двум последовательно соединенным между собой источникам питания 10 и 11. В цепь каждого источника введено в проводящем направлении по транзистору 12, 13 с параллельно подключенными к ним обратными диодами 14, 15. К цепи, содержащей последовательно соединенные источник питания 10 и транзистор 12 с обратным диодом 14, подключен параллельно транзистор 16, шунтированный обратным диодом 17, а к цепи, включающей источник питания 11 и транзистор 13 с обратным диодом 15, подключен параллельно транзистор 18 с обратным диодом 19. При этом транзисторы 16 и 18 оказываются подключенными в проводящем направлении по отношению к шинам питания инверторного моста.
Работу предлагаемого устройства поясняет временная диаграмма управления транзисторами (фиг.2).
Продолжительность включенного состояния каждого из транзисторов 1-4 инверторного моста равна 160°, поэтому на каждом периоде выходного напряжения (фиг.3) образуется нулевая полка длительностью 20°. Напряжения источников питания 10 и 11 составляют соответственно 30% и 60% от амплитудного значения напряжения на нагрузке 9.
Первая ступень напряжения на выходе инверторного моста формируется источником 10 путем включения транзистора 12 в интервалах углов 10°-30°, 150°-170°, 190°-210°, 330°-350° на периоде выходного напряжения АИН. В это время транзистор 13 включен, и питание моста осуществляется только от источника 10 по цепи, включающей транзистор 12 и диод 19.
Вторая ступень выходного напряжения формируется источником 11 включением транзистора 13 в интервалах углов 30°-50°, 130°-150°, 210°-230°, 310°-330°. В этих интервалах транзистор 12 первой ступени выключен, и питание инверторного моста осуществляется по цепи, содержащей диод 17, источник 11 и транзистор 13.
Третья ступень формируется на интервалах углов 50°-130° и 230°-310° на периоде выходного напряжения включением одновременно транзисторов 12 и 13. Питание инверторного моста осуществляется в этом интервале по цепи, содержащей последовательно включенные источники 10 и 11 и транзисторы 12 и 13.
Возможность работы на активно-индуктивную нагрузку обеспечивают транзисторы 16 и 18, создающие пути для протекания отстающих токов нагрузки. Эти токи проявляются на спадающих участках кривой выходного напряжения. Поэтому, как только заканчивается третья ступень напряжения (углы 130° и 310°), отпирается транзистор 16 и осуществляется возврат реактивной составляющей мощности нагрузки 9 в источник 11 второй ступени по цепи: плюсовая шина питания АИН, диод 15, транзистор 16, минусовая шина питания инверторного моста. На углах 150° и 330° заканчивается вторая ступень напряжения на нагрузке и отстающий ток нагрузки должен теперь проходить через источник первой ступени. Поэтому в моменты, соответствующие углам управления 150° и 330°, выключается транзистор 16 и включается транзистор 18. Реактивный ток нагрузки будет теперь протекать по цепи: плюсовая шина питания инверторного моста, транзистор 18, диод 14, источник 10, минусовая шина питания АИН.
В интервалах (170°-190°) и (350°-370°), когда транзисторы 1-4 инверторного моста выключены, канал протекания отстающих токов нагрузки создается одновременным включением транзисторов 16 и 18. В результате ток нагрузки протекает в короткозамкнутой цепи: нагрузка 9, плюсовая шина инвертора, транзисторы 18 и 16, минусовая шина АИН, нагрузка 9. Транзистор 18 остается открытым и в следующих интервалах (190°-210°) и (10°-30°), после чего включается транзистор 16 на интервалах (210°-230°) и (30°-50°), что создает условия для дальнейшего протекания отстающих токов нагрузки.
При указанных углах управления транзисторами и соотношении напряжения источников питания 1:2 формируется 3-х ступенчатая кривая напряжения на нагрузке с минимальным коэффициентом гармоник Кг=11,5 и гармоническим составом, приведенным в табл.1.
Таблица 1
№ гармоники
3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
31
33
%от основной гармоники
0
0,3
2,7
0
1,7
1,8
0
5,9
5,3
0
1
0,8
0
0,6
0,7
0
Таким образом, коэффициент гармоник остается неизменным при любом коэффициенте мощности нагрузки от 0 до 1.