Мостовой инвертор напряжения с предотвращением одностороннего насыщения выходного трансформатора

Предложен мостовой инвертор - преобразователь постоянного напряжения в переменное с мостовым коммутатором, с защитой трансформатора от одностороннего насыщения.

Имеются средство формирования напряжения первого полупериода с заданной величиной напряжения первого полупериода, и средство вычисления среднего значения напряжения первого полупериода и запоминания результата.

Имеется средство формирования второго полупериода выходного напряжения со средним значением напряжения, равным запомненному среднему значению напряжения первого полупериода, подсоединенное входом к выходу средства измерения и запоминания среднего значения напряжения первого полупериода. Имеется ключ короткого замыкания первичной обмотки трансформатора в паузах между формируемыми импульсами первого и второго полупериодов.

Содержится тактовый генератор прямоугольных импульсов с периодом, равным заданному периоду выходного напряжения мостового инвертора.

Первый и второй выходы тактового генератора подсоединены к цепям управления периодами работы формирователей первого и второго полупериодов. К выходам формирователей первого и второго полупериодов подсоединены управляющие входы мостового коммутатора непосредственно, а управляющий вход ключа короткого замыкания первичной обмотки трансформатора подсоединен к ним через логический элемент ИЛИ-НЕ.

Работа. С периодичностью, задаваемой тактовым генератором, формирователи формируют первый и второй полупериоды напряжения, которые управляют мостовым коммутатором с выходным трансформатором. В первый полупериод формируется требуемое напряжение, и, кроме того, вычисляется среднее значение напряжения и запоминается результат.

Во второй полупериод формируется требуемое напряжение таким образом, чтобы оно было равно запомненному среднему значению напряжения первого полупериода; это предотвращает одностороннее насыщение трансформатора. Также улучшены массогабаритные показатели.

А в паузах между формируемыми импульсами первого и второго полупериодов замыкается ключ короткого замыкания первичной обмотки трансформатора.

Полезная модель относится к области электротехники и предназначена для использования в преобразователях постоянного напряжения в переменное.

Известны устройства для преобразования постоянного напряжения в переменное посредством периодического переключения полярности напряжения, подаваемого на первичные обмотки выходного трансформатора, с выхода которого снимают переменное напряжение для подключения нагрузки. Они имеют недостаток - возникновение одностороннего насыщения магнитопровода выходного трансформатора при изменениях входного напряжения, асимметрии нагрузки или элементов схемы.

Известны устройства с устранением этого недостатка путем применения средств обнаружения магнитного насыщения магнитопровода выходного трансформатора с контролем напряжения на выходе дополнительно введенного в схему трансформатора тока.

В частности, контроль начала насыщения магнитопровода осуществляется путем контроля напряжения на выходе

трансформатора тока и определения второй производной от тока в выходном трансформаторе [1]. В преобразователе постоянного напряжения в переменное для такого решения необходимы отдельный трансформаторный датчик тока и сложные быстродействующие средства контроля второй производной, что усложняет конструкцию.

Известны схемы защиты от асимметричного насыщения магнитопровода силового трансформатора с компенсацией насыщения противоположно направленным воздействием, с дополнительным питанием обмотки трансформатора током противоположной полярности [2].

Однако это усложняет конструкцию, и в мощных инверторах приводит к ухудшению массогабаритных показателей.

Известно устройство предотвращения насыщения трансформатора - инвертор для работы с емкостной нагрузкой - люминесцентной лампой [3].

Инвертор содержит схемы контроля постоянной и переменной составляющих при управлении транзисторными ключами и средства защиты от насыщения трансформатора. Недостатком является неудовлетворительные массогабаритные показатели и сложность конструкции.

Известно также использование двух датчиков насыщения для борьбы с насыщением трансформатора, однако это существенно усложняет конструкцию [4].

Известно также решение для борьбы с насыщением трансформатора по патенту РФ [5].

В этом устройстве выполняется ограничение одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения с использованием средств выявления сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, средств сравнения его с заданным опорным сигналом, пропорциональным максимальному допустимому току намагничивания, и средств формирования управляющего сигнала, корректирующего режим перемагничивания трансформатора.

Недостаток такого устройства заключается в сложности практической реализации такого решения в конструкции, так как для этого необходимы средства выявления сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, а также, для выполнения измерений и контроля магнитного поля в магнитопроводе, необходима сложная конструкция магнитопровода трансформатора, в котором требуется выделить часть магнитопровода, создать короткозамкнутый виток, охватывающий эту выделенную часть магнитопровода трансформатора, и к нему подключать средства

измерения тока, что усложняет конструкцию как самого магнитопровода, так и преобразователя в целом.

Ближайшим известным аналогом является патент РФ [6].

Инвертор содержит средства, обеспечивающие на его выходе стабилизацию действующего значения напряжения в заданном диапазоне допустимых величин. Одностороннее насыщение предотвращается применением средств, которые обеспечивают равенство вольт-секундных площадей в положительный и отрицательный полупериоды формируемого напряжения, и равенство магнитных потоков в магнитопроводе силового трансформатора, выполненного с двумя одинаковыми последовательно соединенными первичными силовыми обмотками, точка соединения которых подключена к одному полюсу источника питания, а концы обмоток через управляемые коммутаторы подсоединены ко второму полюсу источника питания. Кроме того, для устранения остаточного намагничивания магнитопровода трансформатора параллельно первичной обмотке трансформатора подсоединен управляемый ключ для короткого замыкания этой обмотки при одновременно разомкнутых коммутаторах питания обмоток, когда они отключены от источника питания. Использование в этом патенте комплексное решение обеспечивает надежное предотвращение одностороннего насыщения, а не устранение возникающего или возникшего насыщения, как в других известных

предшествующих решениях. Однако такой инвертор имеет неудовлетворительные массогабаритные показатели из-за громоздкого трансформатора с двумя мощными первичными обмотками, что является недостатком.

Задача, на решение которой направлено заявляемая полезная модель, заключается в предотвращении одностороннего насыщения выходного трансформатора инвертора с применением обмотки трансформатора без отводов, вместо громоздкой обмотки с отводом от середины по патенту РФ [6]. Предлагаемое решение упрощает конструкцию и приводит к улучшению массогабаритных показателей инвертора.

Для решения поставленной задачи предложено следующее техническое решение.

Мостовой инвертор напряжения содержит совокупность средств, обеспечивающих на его выходе требуемое напряжение. При этом одностороннее насыщение предотвращается средствами, обеспечивающими равенство средних значений напряжений, т.е. вольт-секундных площадей в положительный и отрицательный полупериоды формируемого напряжения, и, следовательно, равенство создаваемых магнитных потоков в магнитопроводе

выходного трансформатора.

Управляющие входы мостового коммутатора подсоединены к выходам средств формирования первого и второго полупериодов непосредственно, а управляющий вход ключа короткого замыкания первичной обмотки подсоединен к тем же выходам через схему, разрешающую замкнутое состояние ключа первичной обмотки трансформатора только при одновременном отсутствии импульсов на выходах средств формирования обоих полупериодов. Это обеспечивает простое и надежное замыкание этого ключа только в паузах между формируемыми полупериодами, и его разомкнутое состояние при наличии формируемого импульса любого полупериода.

Предложенное решение в целом характеризуется следующим признаками.

Мостовой инвертор - преобразователь постоянного напряжения в переменное, с предотвращением одностороннего насыщения выходного трансформатора, содержит следующие известные технические решения.

Мостовой коммутатор для преобразования входного постоянного напряжения в переменное, подсоединенный к выводам для источника питания.

Выходной трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к выходу мостового коммутатора.

Средство формирования первого полупериода выходного напряжения с заданными параметрами напряжения первого полупериода.

Средство измерения и запоминания среднего значения напряжения, сформированного в первый полупериод, и хранения запомненного напряжения до завершения формирования второго полупериода.

Средство формирования второго полупериода выходного напряжения со средним значением напряжения, равным запомненному среднему значению напряжения, сформированного в первый полупериод, подсоединенное входом к выходу средства измерения и запоминания среднего значения напряжения, сформированного в первый полупериод.

Ключ короткого замыкания первичной обмотки трансформатора в паузах между формируемыми импульсами первого и второго полупериодов.

Признаки, отличающие предложенное решение от известных, следующие.

Мостовой инвертор содержит тактовый генератор прямоугольных импульсов с периодом, равным периоду выходного

напряжения мостового инвертора. Тактовый генератор имеет два выхода, причем, импульсы на втором выходе тактового генератора смещены на половину периода относительно выходных импульсов первого выхода.

Первый выход тактового генератора подсоединен к цепям управления периодичностью работы средства формирования первого полупериода.

Второй выход тактового генератора подсоединен к цепям управления периодичностью работы средства формирования второго полупериода.

Первый управляющий вход мостового коммутатора подсоединен непосредственно к выходу средства формирования первого полупериода.

Второй управляющий вход мостового коммутатора подсоединен непосредственно к выходу средства формирования второго полупериода.

А управляющий вход ключа короткого замыкания первичной обмотки трансформатора подсоединен к выходам средств формирования первого и второго полупериодов через логический элемент ИЛИ-НЕ, замыкающий ключ короткого замыкания первичной обмотки трансформатора при одновременном отсутствии импульсов на выходах средств формирования обоих полупериодов.

Предложенное решение иллюстрируется фиг.1, где представлена схема мостового инвертора - преобразователя постоянного напряжения в переменное с предотвращением одностороннего насыщения выходного трансформатора и показаны основные функциональные узлы и элементы.

Схема поясняет устройство мостового инвертора и его работу.

На фиг.1 приняты следующие обозначения.

1, 2 - входные выводы питания;

3 - мостовой коммутатор для преобразования входного постоянного напряжения в переменное;

4...7 - ключи мостового коммутатора;

8 - выходной трансформатор;

9 - первичная обмотка выходного трансформатора;

10 - вторичная обмотка выходного трансформатора;

11, 12 - выходные выводы;

13 - ключ короткого замыкания первичной обмотки трансформатора;

14 - тактовый генератор;

15 - средство формирования напряжения первого полупериода;

16 - средство, запоминающее среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод;

17 - средство формирования напряжения второго полупериода;

18 - логический элемент ИЛИ-НЕ.

В схеме инвертора фиг.1 входные выводы 1, 2 предназначены для подачи на инвертор постоянного напряжения с источника питания. К ним подсоединен мостовой коммутатор 3 для преобразования входного постоянного напряжения в переменное. Мостовой коммутатор 3 содержит управляемые ключи 4...7. Первый управляющий вход мостового коммутатора предназначен для управления одновременной коммутацией ключей 4 и 6 противолежащих плеч моста, при коммутации которых из постоянного напряжения питания создаются первые полупериоды выходного переменного напряжения, поступающие в первичную обмотку 9 трансформатора 8.

Второй управляющий вход мостового коммутатора предназначен для управления одновременной коммутацией ключей 5 и 7 противолежащих плеч моста, при коммутации которых из постоянного напряжения питания создаются вторые полупериоды выходного переменного напряжения, поступающие в первичную обмотку 9 трансформатора 8.

Подсоединенная к выходу мостового коммутатора 3 первичная обмотка 9 выходного трансформатора 8, выполнена без отводов.

Вторичная обмотка 10 трансформатора 8 соединена с выходными выводами 11, 12 для подключения нагрузки.

Параллельно первичной обмотке 9 трансформатора 8 подсоединен ключ 13 короткого замыкания первичной обмотки 9 в паузах между формируемыми импульсами первого и второго полупериодов. Тактовый генератор 14, которым задается период выходного напряжения, выполнен как генератор прямоугольных импульсов с периодом, равным заданному периоду выходного напряжения мостового инвертора; генератор 14 имеет два выхода, причем выходные импульсы со второго выхода смещены на половину периода относительно выходных импульсов на первом выходе. Первый и второй выходы тактового генератора 14 предназначены для управления периодичностью формирования первого и второго полупериодов.

Первый выход тактового генератора 14 подсоединен к цепям управления периодичностью работы средства 15 формирования первого полупериода выходного напряжения. Выход формируемого напряжения средства 15 соединен с тем входом мостового коммутатора, который предназначен для создания в первичной обмотке трансформатора напряжения первого полупериода. К средству 15 также подсоединен вход средства 16 измерения и запоминания среднего значения напряжения, сформированного в первый полупериод.

Второй выход тактового генератора 14 подсоединен к цепям управления периодичностью работы средства 17 формирования второго полупериода выходного напряжения со средним значением напряжения, равным запомненному среднему значению напряжения первого полупериода.

К выходу средства 16 измерения и запоминания среднего значения напряжения, сформированного в первый полупериод, и хранящему запомненное среднее значение сформированного в первый полупериод напряжения, подсоединен вход средства 17. Выход формируемого напряжения средства 17 соединен с тем входом мостового коммутатора, который предназначен для создания в первичной обмотке 9 трансформатора 8 напряжения второго полупериода.

Первый управляющий вход мостового коммутатора 3 подсоединен непосредственно к выходу формируемого напряжения первого полупериода средства 15 формирования первого полупериода. Второй управляющий вход мостового коммутатора 3 подсоединен непосредственно к выходу формируемого напряжения второго полупериода средства 17 формирования второго полупериода. Управляющий вход ключа 13 короткого замыкания первичной обмотки трансформатора подсоединен к выходам средств 15 и 17 формирования первого и второго полупериодов через двухвходовую логическую схему 18 - схему ИЛИ-НЕ, разрешающую замкнутое

состояние ключа 13 только при одновременном отсутствии формируемых импульсов на выходах обоих средств формирования полупериодов 15 и 17.

Инвертор по фиг.1 работает следующим образом.

В первый полупериод формируется требуемое напряжение, и, кроме того, вычисляется среднее значение напряжения и запоминается результат.

Во второй полупериод формируется требуемое напряжение таким образом, чтобы оно было равно ранее запомненной величине среднего значения напряжения первого полупериода.

Постоянное напряжение поступает с источника питания на входные выводы 1, 2 и подается на силовые выводы мостового коммутатора 3, преобразующего постоянное напряжение в переменное.

При периодической коммутации ключей 4, 6 и 5, 7 постоянное напряжение питания преобразуется в переменное, и при этом создаются, соответственно, первые и вторые полупериоды выходного переменного напряжения, поступающие в первичную обмотку 9 трансформатора 8. Со вторичной обмотки 10 трансформатора 8, соединенной с выходными выводами 11, 12, на подключенную нагрузку подается переменное напряжение. В паузах между формируемыми импульсами первого и второго

полупериодов ключ 13 короткого замыкания первичной обмотки 9 замыкается для устранения остаточного намагничивания магнитопровода трансформатора.

Тактовый генератор 12 генерирует прямоугольные импульсы для управления периодом формируемого напряжения; с первого и второго выходов снимаются прямоугольные импульсы с заданным периодом, причем выходные импульсы второго выхода смещены на половину периода относительно выходных импульсов на первом выходе.

Первый выход тактового генератора 12 используется при формировании первого полупериода, а второй выход - при формировании второго полупериода.

Каждое формирование первого полупериода начинается с поступлением разрешающего импульса с первого выхода тактового генератора 12 на вход средства 15 формирования напряжения первого полупериода.

Формируемое напряжение с выхода средства 15 формирования напряжения первого полупериода поступает на первый управляющий вход мостового коммутатора, одновременно замыкаются ключи 4 и 6 моста, и первые полупериоды выходного переменного напряжения, поступают в первичную обмотку 9 трансформатора 8.

При достижении требуемого заданного напряжения первого

полупериода формирование первого полупериода завершается. Одновременно размыкаются ключи 4, 6 мостового коммутатора 3. После чего на вход ключа 13 с выхода логического элемента ИЛИ-НЕ 21 поступает сигнал об отсутствии импульсов формируемого первого и второго полупериодов, ключ 13 замыкается и остается в замкнутом состоянии в течение всего времени, пока отсутствуют формируемые импульсы на выходах средств 15, 17 формирования первого и второго полупериода.

Средство 16, запоминающее среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, хранит запомненное среднее значение напряжения до завершения формирования второго полупериода, после чего автоматически устанавливается в исходное состояние готовности к очередному запоминанию. Каждое формирование второго полупериода начинается с поступления разрешающего импульса со второго выхода тактового генератора 12 на вход средства 17 формирования напряжения второго полупериода.

Формируемое напряжение с выхода средства 17 формирования напряжения второго полупериода поступает на второй управляющий вход мостового коммутатора, одновременно замыкаются ключи 5 и 7 моста, и вторые полупериоды выходного переменного напряжения поступают в первичную обмотку 9 трансформатора 8.

При достижении равенства среднего значения формируемого напряжения второго полупериода с запомненным напряжением на выходе средства 17, завершается формирование второго полупериода. Одновременно размыкаются ключи 5, 7 мостового коммутатора 3. После чего на вход ключа 13 с выхода логического элемента ИЛИ-НЕ 21 поступает сигнал об отсутствии импульсов формирования первого и второго полупериодов, ключ 13 замыкается и остается в замкнутом состоянии в течение всего времени, пока отсутствуют формируемые импульсы на выходах средств 15, 17 формирования первого и второго полупериода.

Далее процессы формирования напряжений первого и второго полупериодов периодически повторяются аналогично изложенному выше.

После завершения формирования каждого полупериода, коммутирующие элементы мостового коммутатора 3 - ключи 4...7, используемые при формировании одного полупериода, уже разомкнуты, а используемые при формировании следующего полупериода, еще не замкнуты; в этот промежуток времени замыкается ключ 13, который размыкается до очередного замыкания ключей коммутатора 3. При этом ликвидируется

возможное остаточное намагничивание магнитопровода трансформатора.

После завершения измерений и вычислений происходит установка схем в исходное состояние готовности к очередным измерениям и вычислениям известными средствами, например, встроенными средствами автоматического сброса в исходное состояние.

Предложенное решение с раздельным формированием напряжений в первый и второй полупериоды решает различные задачи формирования требуемых напряжений таким образом, что выходное напряжение за период находится в пределах заданных допусков. Для каждой пары импульсов за один период параметры первого импульса соответствуют установленной величине, при которой с приемлемой погрешностью обеспечивается требуемое значение выходного напряжения за первый и второй полупериоды, в пределах требуемых допусков. И при этом предотвращается одностороннее насыщение.

В зависимости от конкретных применений формирование первого полупериода может осуществляться по разным законам, например, с требуемым действующим или средним значением напряжения, или по иным законам, но при формировании второго полупериода всегда на выходе обеспечивается равенство средних

значений напряжений первого и второго полупериодов, что предотвращает одностороннее насыщение.

Предложенное решение позволяет упростить конструкцию, оптимизировать размеры и массу магнитопроводов трансформаторов. Данное решение заменяет громоздкие и конструктивно сложные трансформаторы, в которых используются сдвоенные мощные первичные обмотки, на простую обмотку без отводов. Благодаря предложенному решению уменьшаются размеры первичной обмотки и магнитопровода, улучшаются массогабаритные показатели инвертора.

Источники информации.

1. Патент США №6617839, Method for detecting current transformer saturation.

2. Патент США №4017786, Transformer saturation control circui for a high frequency switching power supply.

3. Патент США №5317497, Internally excited, controlled transformer saturation, inverter circuitry.

4. Патент РФ №2027297, МПК Н02М 7/539, Преобразователь постоянного напряжения в переменное заданной формы.

5. Патент РФ №2035833, МПК Н02М 7/538, Способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения.

6. Патент РФ №2282934, МПК Н02М7/42, Инвертор напряжения с защитой трансформатора от одностороннего насыщения.

Мостовой инвертор - преобразователь постоянного напряжения в переменное с предотвращением одностороннего насыщения выходного трансформатора, содержащий мостовой коммутатор для преобразования входного постоянного напряжения в переменное, подсоединенный к выводам для источника питания; выходной трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к выходу мостового коммутатора; средство формирования первого полупериода выходного напряжения с заданными параметрами напряжения первого полупериода; средство измерения и запоминания среднего значения напряжения, сформированного в первый полупериод, и хранения запомненного напряжения до завершения формирования второго полупериода; средство формирования второго полупериода выходного напряжения со средним значением напряжения, равным запомненному среднему значению напряжения, сформированного в первый полупериод, подсоединенное входом к выходу средства измерения и запоминания среднего значения напряжения, сформированного в первый полупериод; ключ короткого замыкания первичной обмотки трансформатора в паузах между формируемыми импульсами первого и второго полупериодов; отличающийся тем, что содержит тактовый генератор прямоугольных импульсов с периодом, равным периоду выходного напряжения мостового инвертора; тактовый генератор имеет два выхода, причем импульсы на втором выходе тактового генератора смещены на половину периода относительно выходных импульсов первого выхода; первый выход тактового генератора подсоединен к цепям управления периодичностью работы средства формирования первого полупериода; второй выход тактового генератора подсоединен к цепям управления периодичностью работы средства формирования второго полупериода; первый управляющий вход мостового коммутатора подсоединен непосредственно к выходу средства формирования первого полупериода; второй управляющий вход мостового коммутатора подсоединен непосредственно к выходу средства формирования второго полупериода; а управляющий вход ключа короткого замыкания первичной обмотки трансформатора подсоединен к выходам средств формирования первого и второго полупериодов через логический элемент ИЛИ-НЕ, замыкающий ключ короткого замыкания первичной обмотки трансформатора при одновременном отсутствии импульсов на выходах средств формирования обоих полупериодов.