ИНВЕРТОР С УСТРОЙСТВОМ ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ПОСТОЯННОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области электротехники, в частности к RC-фильтрам и предназначено для использования в системах электроснабжения летательных аппаратов (как к системам постоянного тока, так и переменного), обладающих высокими требованиями к нормам качества электроэнергии на выводах приемников.
Одной из характеристик переменного тока, которую должны обеспечивать первичная и вторичная системы электроснабжения, является постоянная составляющая выходного напряжения. В соответствии с ГОСТ Р 54073-2010 допустимое значение этой характеристики должно находиться в пределах от 0,1 до -0,1 В [1].
Известно применение конденсаторов в качестве устройства для устранения постоянной составляющей напряжения. В однофазном мостовом транзисторном инверторе (патент РФ №2216093 от 2003 г) в диагональ переменного тока транзисторного моста последовательно с первичной обмоткой трансформатора включен конденсатор.
Недостатком технического решения является то, что наличие конденсатора вызывает резонанс напряжений в последовательной LC-цепи. Для исключения перенапряжения, вызванного резонансом, трансформатор снабжается дополнительной обмоткой, включенной в первичную обмотку. Но технически трудно обеспечить идеальную магнитную связь между этими обмотками, в связи с чем невозможно полностью устранить перенапряжение.
Известен однофазный мостовой транзисторный инвертор (патент РФ №2279754 от 2006 г, классификация по МПК H02M 7/5387), в котором также для устранения постоянной составляющей используется конденсатор.
Недостатком технического решения является резонанс напряжений в LC-цепи. И даже при достижении технического результата, а именно защиты от резонансных перенапряжений в цепи, содержащей конденсатор, уровень постоянной составляющей тока не известен.
Поэтому задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в повышении качества выходного напряжения инвертора за счет уменьшения уровня постоянной составляющей выходного напряжения до значения 0,1÷-0,1 В.
Для решения этой задачи применено устройство из операционного усилителя, к неинвертирующему входу которого подключен резистор, а в цепь обратной связи введен конденсатор.
Техническим результатом является уменьшение постоянной составляющей выходного напряжения инвертора до минимального уровня, соответствующего требованиям ГОСТ Р 54073-2010.
Заявленный технический результат достигается тем, что инвертор с устройством для уменьшения постоянной составляющей выходного напряжения содержит силовую часть и цепь обратной связи с сумматором, к выходу инвертора через резистор подключен неинвертирующим входом прецизионный операционный усилитель, в цепь обратной связи усилителя подключен конденсатор, при этом выход прецизионного операционного усилителя через инвертирующий усилитель подключен к сумматору, введенному в цепь обратной связи инвертора.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства для уменьшения постоянной составляющей выходного напряжения, на фиг.2 - схема инвертора с устройством для уменьшения постоянной составляющей выходного напряжения, а на фиг.3 - график составляющей напряжения постоянного тока.
Устройство для устранения постоянной составляющей выходного напряжения содержит прецизионный операционный усилитель 1, к неинвертирующему входу которого подключен резистор 2. В цепь обратной связи усилителя вводится конденсатор 3. Выводами 4 и 5 устройство подключается к инвертору.
Устройство работает следующим образом. Синусоидальное напряжение, содержащее постоянную составляющую Δy, с выхода силовой части 10 инвертора 6 поступает на вывод 4 устройства, которое представляет собой фильтр нижних частот (интегратор) с передаточной функцией W равной 1/TS (фиг.2). Граница полосы пропускания фильтра (частота среза) намного ниже частоты выходного напряжения инвертора и определяется номиналами резистора 2 и конденсатора 3:
cp
ω=1/T=1/RC,
где T - постоянная времени фильтра (ω→0).
Таким образом через устройство проходит только постоянная составляющая Δy. Операционный усилитель 1 обеспечивает прецизионное интегрирование инвертированного сигнала Δy (напряжение смещения данного усилителя составляет 0,1 В). На выходе интегратора величина постоянной составляющей возрастает по модулю и равняется: -Δy∗t/RC. Благодаря обратной связи она практически не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя.
ос
ос
С инвертирующего усилителя 7 постоянная составляющая напряжения уже с положительным знаком поступает на сумматор 8, где складывается с сигналом обратной связи инвертора, равным ΔyW (W - передаточная функция обратной связи). После чего сигнал их суммы Δz вычитается на сумматоре 9 из сигнала Δx (Δx - постоянная составляющая напряжения на входе силовой части преобразователя).
ос
пр
пр
Как было указано выше Δz=ΔyW+Δy/TS, где Δy/TS - постоянная составляющая на выходе устройства, которая после интегрирования по величине может приближаться к сигналу Δx. В результате постоянная составляющая напряжения на выходе инвертора Δy, равная (Δx-Δz)W, будет стремиться к нулю (фиг.3). Здесь W - передаточная функция силовой части преобразователя. При этом время, за которое постоянная составляющая достигнет необходимого значения составляет примерно 3T (T - постоянная времени фильтра).
Работоспособность устройства можно доказать и другим способом. Выведем формулу для постоянной составляющей напряжения через передаточную функцию всего объекта, т.е. инвертора с подключенным к нему устройством (фиг.2). Выше было указано, что составляющая напряжения на выходе преобразователя Δy определяется выражением:
пр
Δy=(Δx-Δz)W
Но в свою очередь сигнал Δz равен:
ос
Δz=Δy (W+1/TS)
Поэтому получаем, что:
ос
пр
Δy=(Δx-ΔyW-Δy/TS)W
Полностью расчет для удобства приводиться не будет. Окончательно имеем:
пр
пр
ос
Δy=ΔxWTS/(TS+WWTS+1),
пр
пр
ос
где: WTS/(TS+WWTS+1) - передаточная функция объекта.
Произведя замену S на jω со и учитывая, что ω стремиться к нулю (так как устройство представляет собой фильтр нижних частот с очень низкой частотой среза), можно сделать вывод, что Δy также стремится к нулю (фиг.3).
Использование предлагаемого технического решения позволяет, в отличии от известных устройств, значительно уменьшить уровень постоянной составляющей выходного напряжения инвертора без особого усложнения конструкции. Для трансформаторных инверторов это особенно актуально, так как в них возникает проблема резонанса напряжений при введении известных устройств, в частности конденсаторов.