Инвертор с устройством для уменьшения постоянной составляющей выходного напряжения

Техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для уменьшения постоянной составляющей выходного напряжения преобразователей энергии постоянного напряжения (тока) в энергию переменного напряжения (тока). Техническим результатом является уменьшение постоянной составляющей напряжения до минимального уровня, соответствующему требованиям ГОСТ Р 54073-2010. Инвертор с устройством для уменьшения постоянной составляющей выходного напряжения представляет собой преобразователь, к выходу которого через резистор подключен неинвертирующим входом прецизионный операционный усилитель. В цепь обратной связи усилителя введен конденсатор. Выход операционного усилителя через инвертирующий усилитель подключается к сумматору, введенному в цепь обратной связи инвертора.

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 y, 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=1/T=1/RC,

где T - постоянная времени фильтра (0).

Таким образом через устройство проходит только постоянная составляющая y. Операционный усилитель 1 обеспечивает прецизионное интегрирование инвертированного сигнала y (напряжение смещения данного усилителя составляет 0,1 В). На выходе интегратора величина постоянной составляющей возрастает по модулю и равняется: -yt/RC. Благодаря обратной связи она практически не зависит от коэффициента усиления операционного усилителя.

С инвертирующего усилителя 7 постоянная составляющая напряжения уже с положительным знаком поступает на сумматор 8, где складывается с сигналом обратной связи инвертора, равным yW_ос (W_ос - передаточная функция обратной связи). После чего сигнал их суммы z вычитается на сумматоре 9 из сигнала x (x - постоянная составляющая напряжения на входе силовой части преобразователя).

Как было указано выше z=yW_ос+y/TS, где y/TS - постоянная составляющая на выходе устройства, которая после интегрирования по величине может приближаться к сигналу x. В результате постоянная составляющая напряжения на выходе инвертора y, равная (x-z)W_пр, будет стремиться к нулю (фиг.3). Здесь W_пр - 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 y определяется выражением:

y=(x-z)W_пр

Но в свою очередь сигнал z равен:

z=y (W_ос+1/TS)

Поэтому получаем, что:

y=(x-yW_ос-y/TS)W_пр

Полностью расчет для удобства приводиться не будет. Окончательно имеем:

y=xW_прTS/(TS+W_прW_осTS+1),

где: W_прTS/(TS+W_прW_ос TS+1) - передаточная функция объекта.

Произведя замену S на j со и учитывая, что стремиться к нулю (так как устройство представляет собой фильтр нижних частот с очень низкой частотой среза), можно сделать вывод, что y 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.

Инвертор с устройством для уменьшения постоянной составляющей выходного напряжения, содержащий 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.