Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока и схема этого профессионального аппарата
Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к инверторам для автономных источников электропитания разнообразного электрооборудования, требующего использования синусоидальной формы переменного тока.
Полезная модель может быть использована при разработке источников электропитания с улучшенными показателями надежности.
Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока содержит мостовую схему инвертора, выполненную на транзисторах, обратные диоды с полумостами ключей; усилители импульсов, ЕС-фильтр, систему управления с задающим генератором. В мостовую схему инвертора включены токоизмерительные шунты в виде низкоомных резисторов для съема напряжения, пропорционального току нагрузки на инвертор, делитель выходного напряжения постоянного тока на последовательно включенных резисторах. Система управления (контроллер) выполнена в виде одной микросхемы, в которую включены цифровой формирователь синусоидального сигнала с широтно-импульсной модуляцией переменного тока, определитель уровня выходной нагрузки на инвертор, формирователь сигналов управления инвертором в зависимости от нагрузки, аналого-цифровые преобразователи сигналов от токоизмерительных шунтов и отделителя выходного напряжения постоянного тока.
Токоизмерительные шунты через аналого-цифровые преобразователи подключены к двум входам определителя уровня нагрузки на инвертор, делитель выходного напряжения постоянного тока через аналого-цифровой преобразователь соединен с одним входом, задающий генератор - соединен с другим входом цифрового формирователя синусоидального сигнала, а выход из него соединен с входом определителя уровня нагрузки на инвертор, выход из которого соединен с входом формирователя сигналов управления инвертором, при этом, выходы формирователя сигналов управления инвертором соединены с усилителями импульсов.
1 н.п.ф., 1 фиг.
Полезная модель относится к электротехнике, в частности к инверторам для автономных источников электропитания разнообразного электрооборудования, требующего использования синусоидальной формы переменного тока и может быть использована при разработке источников электропитания с улучшенными показателями надежности их работы.
Известно устройство, в котором постоянное напряжение преобразуется в высокочастотное переменное с помощью управляемого инвертора, в цепи обратной связи которого осуществляется демодуляция выходного сигнала широтно-импульсной демодуляции (пат. РФ 
2171011 «Широтно-импульсный модулятор», МПК 7 Н03К 7/08, опубл. 20.07.2001 г.). Устройство громоздко по конструкции и сложно в исполнении.
Известно устройство преобразования постоянного напряжения в переменное, а именно однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока (Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. - М.: Энергоатомиздат, 1987, с.136). Недостатком устройства является нестабильность напряжения при изменении величины нагрузки.
Наиболее близким к полезной модели по поставленной цели является устройство преобразования постоянного напряжения в переменное с помощью высокочастотного управляемого инвертора, в котором в составе системы управления используются измерения отклонения напряжения, генератор типа кривой и сумматор, что позволяет обеспечивать стабилизацию выходного напряжения инвертора (по пат. РФ 2420854, МПК 7 Н02М 7/539 «Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока», опубл. 11.05.2010 г.)
Данное техническое решение принято авторами за прототип.
Недостатком решения по прототипу является возможность возникновения ошибок синусоидального сигнала; т.к. схема выполнена из большого числа дискретных элементов (в аналоговом сигнале): небольшие ошибки в работе каждого из элементов могут суммарно повлиять на форму синусоидального сигнала. Любые искажения синусоиды приводят как к недостаточно надежной работе электрооборудования, так и к увеличению нагрузки на инвертор; что может привести к выходу инвертора из строя.
Техническим решением поставленной задачи является сохранение устойчивого синусоидального сигнала и упрощение конструкции инвертора.
Поставленная задача по полезной модели решается тем; что однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока содержит мостовую схему инвертора; выполненную на транзисторах; обратные диоды с полумостами ключей, усилители импульсов, LC-фильтр, и систему управления с задающим генератором. В мостовую схему инвертора включены токоизмерительные шунты в виде низкоомных резисторов для съема напряжения; пропорционального току нагрузки на инвертор, делитель выходного напряжения постоянного тока на последовательно включенных резисторах. Система управления с задающим генератором (контроллер) выполнена в виде одной микросхемы, в которую включены цифровой формирователь синусоидального сигнала с широтно-импульсной модуляцией переменного тока, определитель уровня нагрузки на инвертор, формирователь сигналов управления инвертором в зависимости от нагрузки, аналого-цифровые преобразователи сигналов от токоизмерительных шунтов и от делителя выходного напряжения постоянного тока. Токоизмерительные шунты через аналого-цифровые преобразователи подключены к двум входам определителя уровня нагрузки на инвертор, делитель выходного напряжения постоянного тока через аналого-цифровой преобразователь соединен с одним входом, задающий генератор - соединен с другим входом цифрового формирователя синусоидального сигнала, а выход задающего генератора соединен с входом определителя уровня нагрузки на инвертор, выход которого соединен с входом формирователя сигналов управления инвертором, при этом, выходы формирователя сигналов управления инвертором соединены с усилителями импульсов.
Сущность полезной модели поясняется чертежом функциональной схемы однофазного автономного инвертора с широтно-импульсной модуляцией переменного тока.
Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) переменного тока содержит мостовую схему инвертора, выполненную на транзисторах 1-4, к которым встречно-параллельно подключены диоды 5-8 с полумостами ключей, усилители импульсов 9 и 10, токоизмерительные шунты Rш1 11 и Rш2 12 в виде низкоомных резисторов, делитель выходного напряжения постоянного тока 13 с резисторами R3 14 и R4 15, выходной LC фильтр 16, предназначенный для подавления высокочастотных помех частотой 100-100000 Гц, которые искажают синусоиду переменного напряжения в сети и отрицательно сказываются на работе электрооборудования, особенно сложного. LC фильтр 16 содержит три дросселя 17 и конденсатор 18. В инвертор также включена система управления (контроллер) 19. В контроллер 19 включены задающий генератор 20, цифровой формирователь синусоидального сигнала с щиротно-импульсной модуляцией (ШИМ) переменного тока 21, определитель уровня нагрузки на инвертор 22, формирователь сигналов управления инвертором в зависимости от нагрузки 23, аналого-цифровые преобразователи АЦП1 24, АЦП2 25, АЦП3 26. На схеме показаны выводы 28 для подключения входного напряжения постоянного тока и выводы 29 для подключения нагрузки.
Выходы токоизмерительных шунтов Rш1 11 и Rш2 12 соединены через аналого-цифровые преобразователи АЦП1 24, АЦП 2 25 с определителем уровня нагрузки на инвертор 22, делитель выходного напряжения постоянного тока 13 через аналого-цифровой преобразователь АЦП3 26 соединен с первым входом, а задающий генератор 20 - со вторым входом цифрового формирователя синусоидального сигнала 21, при этом вход определителя уровня нагрузки на инвертор 22 соединен с выходом цифрового формирователя синусоидального сигнала 21, определитель уровня нагрузки на инвертор 22 соединен с входом формирователя сигналов управления инвертором 23, при этом выходы формирователя сигналов управления 23 соединены с усилителями импульсов 9 и 10.
Система управления однофазного автономного инвертора с широтно-импульсной модуляцией переменного тока работает следующим образом.
С задающего генератора 20 тактовые импульсы, например, с частотой 20 МГц, поступают на вход цифрового формирователя сигнала ШИМ 21. На вход цифрового формирователя сигнала ШИМ 21 поступает цифровой сигнал обратной связи по напряжению с АЦП3 26, пропорциональный напряжению источника постоянного тока 28. Делитель выходного напряжения постоянного тока 13 на резисторах R3 14 и R4 15 предназначен для пропорционального уменьшения высокого входного напряжения постоянного тока (350-400 В) до уровня рабочего напряжения аналого-цифрового преобразователя АЦП3 26.
В соответствии с сигналами АЦП3 26 и задающего генератора 20 цифровой формирователь сигнала ШИМ 21 в соответствии с математическим алгоритмом программы формирует сигнал ШИМ синусоиды с заданными параметрами: напряжение на нагрузке 220 В и частота 50 Гц.
Выходной сигнал с цифрового формирователя сигнала ШИМ 21 поступает на вход определителя уровня нагрузки на инвертор 22. На два другие входа определителя уровня нагрузки на инвертор 22 поступают цифровые сигналы с выходов АЦП1 24 и АЦП2 25, пропорциональные току нагрузки.
Напряжение, пропорциональное току нагрузки, снимается с токоизмерительных шунтов Rш1 11 и Rш 2 12, расположенных в полумостах ключей транзисторов 1, 3 и 2, 4 и поступает на входы АЦП1 24 и АЦП2 25.
В зависимости от величины тока нагрузки (цифровые сигналы с АЦП1 24 и АЦП2 25,) определитель уровня нагрузки на инвертор 22 формирует программно следующий алгоритм работы:
- до определенной уставки - номинальная мощность цифровых сигналов (порог 1) определитель уровня нагрузки на инвертор 22 выдает цифровой сигнал на формирователь сигналов управления инвертором 23 без ограничений;
- при превышении уставки - двухкратная перегрузка мощности (с порога 1 до порога 2) определитель уровня нагрузки на инвертор 22 выдает цифровой сигнал на формирователь сигналов управления инвертором 23 только в течение 3 секунд;
- при превышении уставки - при трехкратной перегрузке мощности (порог 2) - определитель уровня нагрузки на инвертор 22 выдает цифровой сигнал на формирователь сигналов управления инвертором 23 в течение 7 секунд с ограничением тока нагрузки;
- при коротком замыкании с нагрузкой определитель уровня нагрузки на инвертор 22 выдает цифровой сигнал в течение 7 секунд с ограничением тока нагрузки;
- при отсутствии нагрузки определитель уровня нагрузки на инвертор 22 выдает команду для отключения инвертора - переход в режим энергосбережения - «спящий режим».
Выходной сигнал определителя уровня нагрузки на инвертор 22 поступает на вход формирователя сигналов управления инвертором 23. Формирователь сигналов управления инвертором 23 программно формирует сигналы управления ключами транзисторов 1-4. Выходные сигналы формирователя сигналов управления инвертором поступают на входы усилителей импульсов 17 и 18, а далее - на ключи транзисторов 1-4.
Чистая синусоида обеспечивает надежную и правильную работу электрооборудования. Любые искажения синусоиды приводят к неправильной работе электрооборудования, особенно это актуально для электродвигателей - они начинают перегреваться.
Новизна заявленного технического решения обусловлена тем, что, во-первых, контроллер (схема управления) выполнен в виде одной цифровой микросхемы, что обеспечивает упрощение конструкции инвертора при увеличении надежности; во-вторых, в контроллер (схему управления) включен программный алгоритм работы инвертора, определяющий уровень нагрузки на инвертор в зависимости от величины тока нагрузки, что обеспечивает увеличение надежности работы инвертора и исключения отключений выходного напряжения инвертора при подключении к нему электрооборудования.
Возможна реализация указанного авторами назначения полезной модели, как она охарактеризована в каждом из пунктов полезной модели, что дает основания считать ее соответствующей условию промышленной применимости.
Совокупность существенных признаков, изложенных в пунктах формулы, является достаточной для решения поставленной авторами технической задачи.
Автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока выпускается ООО «СИБКОНТАКТ» (г.Новосибирск).
1. Однофазный автономный инвертор с широтно-импульсной модуляцией переменного тока, содержащий мостовую схему инвертора, выполненную на транзисторах, обратные диоды с полумостами ключей, усилители импульсов, LC-фильтр и систему управления с задающим генератором, отличающийся тем, что в мостовую схему инвертора включены токоизмерительные шунты в виде низкоомных резисторов для съема напряжения, пропорционального току нагрузки на инвертор, делитель выходного напряжения постоянного тока на последовательно включенных резисторах, а система управления с задающим генератором (контроллер) выполнена в виде одной микросхемы, в которую включены цифровой формирователь синусоидального сигнала с широтно-импульсной модуляцией переменного тока, определитель уровня нагрузки на инвертор, формирователь сигналов управления инвертором в зависимости от нагрузки, аналого-цифровые преобразователи сигналов от токоизмерительных шунтов и отделителя выходного напряжения постоянного тока.
2. Инвертор по п.1, в котором токоизмерительные шунты через аналого-цифровые преобразователи подключены к двум входам определителя уровня нагрузки на инвертор, делитель выходного напряжения постоянного тока через аналого-цифровой преобразователь соединен с одним входом, задающий генератор соединен с другим входом цифрового формирователя синусоидального сигнала, а выход задающего генератора соединен с входом определителя уровня нагрузки на инвертор, выход которого соединен с входом формирователя сигналов управления инвертором, при этом выходы формирователя сигналов управления инвертором соединены с усилителями импульсов.
