Мостовой инвертор напряжения с защитой выходного трансформатора от одностороннего насыщения
Полезная модель относится к защите от одностороннего насыщения трансформатора преобразователя постоянного напряжения в переменное со стабилизацией действующего значения выходного напряжения в электрических преобразователях постоянного напряжения в переменное. Инвертор содержит следующие средства. Мостовой коммутатор для преобразования постоянного напряжения в переменное и выходной трансформатор с ключом короткого замыкания первичной обмотки при разомкнутом мостовом коммутаторе.
Тактовый генератор с двумя выходами, со сдвигом тактовых импульсов на половину, для управления периодичностью формирования первого и второго полупериодов. Средства формирования в первый полупериод требуемого действующего значений напряжения.
Средства формирования во второй полупериод среднего значений напряжения, равного среднему значению напряжения первого полупериода.
Для устранения остаточного намагничивания магнитопровода трансформатора, параллельно его первичной обмотке подсоединен управляемый ключ короткого замыкания этой обмотки, со средствами для замыкания ключа только при разомкнутом мостовом коммутаторе. Для этого введено несколько средств задержки для сигналов, управляющих мостовым коммутатором и ключом короткого замыкания обмотки трансформатора. При работе для измерения действующего и среднего значений напряжений используется текущее напряжение, пропорциональное ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, которое снимают с отдельной измерительной обмотки выходного трансформатора, и формируются полу периоды напряжения, управляющие мостовым коммутатором. Через время t1 после формирования каждого полупериода замыкается ключ короткого замыкания обмотки трансформатора. После появления с тактового генератора тактового импульса очередного полупериода через время (t1+t2) размыкается ключ короткого замыкания, а через время (2t1+t2) после этого же импульса с тактового генератора
начинается работа формирователя соответствующего полупериода. Это предотвращает сквозные токи. Обеспечивается равенство вольт-секундных площадей обоих полупериодов формируемых напряжений и магнитных потоков в магнитопроводе, что защищает от одностороннего насыщения магнитопровода трансформатора; и ключ короткого замыкания обмотки в паузах повышает эффективность этой защиты.
Настоящее техническое решение относится к области электротехники и предназначено 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 выходного трансформатора тока. В частности, контроль начала насыщения магнитопровода осуществляется путем контроля напряжения на выходе выходного трансформатора тока и определения второй производной от тока в
выходном трансформаторе [1]. Однако 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 предотвращения асимметричного насыщения магнитопровода выходного трансформатора с компенсацией насыщения противоположно направленным воздействием, с дополнительным питанием обмотки выходного трансформатора током противоположной полярности [2].
Однако это усложняет конструкцию, и в мощных инверторах приводит к ухудшению массогабаритных показателей.
Известно устройство предотвращения насыщения выходного трансформатора - инвертор для работы с емкостной нагрузкой - люминесцентной лампой [3].
Инвертор содержит схемы контроля постоянной и переменной составляющих при управлении транзисторными ключами и средства предотвращения насыщения выходного трансформатора. Недостатком является неудовлетворительные массогабаритные показатели и сложность конструкции.
Известно также использование двух датчиков насыщения для борьбы с насыщением выходного трансформатора, однако это существенно усложняет конструкцию [4].
Известно также решение для борьбы с насыщением выходного трансформатора по патенту РФ [5].
В этом устройстве выполняется ограничение одностороннего насыщения выходного трансформатора импульсного преобразователя напряжения с использованием средств выявления сигнала, пропорционального току намагничивания выходного трансформатора, средств сравнения его с заданным опорным сигналом, пропорциональным максимальному допустимому току намагничивания, и средств формирования управляющего сигнала, корректирующего режим перемагничивания выходного трансформатора.
Недостаток такого устройства заключается в сложности практической реализации такого решения в конструкции, так как для этого необходимы средства выявления сигнала, пропорционального току намагничивания выходного трансформатора, а также, для выполнения измерений и контроля магнитного поля в магнитопроводе, необходима сложная конструкция магнитопровода выходного трансформатора, в котором требуется выделить часть магнитопровода, создать короткозамкнутый виток, охватывающий эту выделенную часть магнитопровода выходного 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 выходного 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 выходного трансформатора параллельно первичной обмотке выходного трансформатора подсоединен управляемый ключ для короткого замыкания этой обмотки при одновременно разомкнутых коммутаторах питания обмоток, когда они отключены от источника питания. Однако он имеет неудовлетворительные массогабаритные показатели из-за громоздкого выходного трансформатора с двумя мощными первичными обмотками, и, кроме того, на границах диапазона регулирования возможны сбои и протекание сквозных
токов через коммутаторы инвертора и ключ короткого замыкания обмоток, что является недостатком.
Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в стабилизации действующего значения напряжения с предотвращением одностороннего насыщения выходного трансформатора инвертора, в предотвращении одновременного протекания сквозных токов через силовые коммутаторы инвертора и ключ короткого замыкания первичной обмотки. И, кроме того, в применении при этом простой обмотки выходного трансформатора, без отводов, вместо обмотки с отводом от середины. Это приводит к улучшению массогабаритных показателей инвертора и повышению надежности за счет предотвращения сквозных токов через силовые коммутирующие элементы.
Для решения поставленной задачи предложено следующее техническое решение.
Мостовой инвертор напряжения содержит совокупность средств, обеспечивающих на его выходе стабилизацию действующего значения напряжения в заданном диапазоне допустимых величин. При этом одностороннее насыщение предотвращается средствами, обеспечивающими равенство вольт-секундных площадей в положительный и отрицательный полупериоды формируемого
напряжения, и равенство магнитных потоков в магнитопроводе выходного трансформатора, имеющего только одну первичную обмотку с двумя выводами и без отводов.
На управляемых входах ключа короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора в паузах между формируемыми напряжениями имеются средства задержки сигналов, управляющих замыканием и размыканием ключа с предотвращением протекания сквозных токов через силовые ключи.
Предложенное решение характеризуется следующими признаками.
Мостовой инвертор - преобразователь постоянного напряжения в переменное со стабилизацией действующего значения выходного напряжения и с защитой выходного трансформатора от одностороннего насыщения содержит известные технические решения и совокупность новых технических решений.
Мостовой инвертор 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.
Тактовый генератор, задающий период выходного напряжения.
Ключ короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора при разомкнутом мостовом коммутаторе.
Признаки, отличающие предложенное решение от известных, следующие.
Тактовый генератор имеет первый и второй выходы тактовых импульсов, со сдвигом выходных тактовых импульсов второго выхода на половину периода относительно тактовых импульсов на первом выходе.
Ключ короткого замыкания содержит первый вход, предназначенный для замыкания этого ключа, и второй вход, предназначенный для размыкания упомянутого ключа.
К первому входу ключа короткого замыкания подсоединены выходы средств формирования импульсов, задержанных на время t1 относительно момента завершения формирования каждого полупериода, причем t1 больше времени спада импульсов при размыкании любого из ключей мостового коммутатора и ключа короткого замыкания.
Ко второму входу ключа короткого замыкания подсоединены выходы средств формирования импульсов, задержанных относительно тактовых импульсов с выходов тактового генератора на время (t1+t2), где t2 - минимально допустимое заданное время замкнутого состояния электронного ключа короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора.
Кроме того, для управления запуском начала формирования каждого полупериода введены средства формирования импульсов, задержанных на время (2t1+t2) относительно тактовых импульсов с выходов тактового генератора.
Выходной трансформатор содержит измерительную обмотку, к ней подсоединено входом средство выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода
выходного трансформатора, имеющее первый выход для первого полупериода, и второй выход для второго полупериода.
Средство вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединенное измерительным входом к первому выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования импульсов, задержанных относительно тактовых импульсов с первого выхода тактового генератора на время (2t1+t2).
Источник опорного напряжения, пропорционального заданной величине действующего значения напряжения, которое должно быть сформировано в первый полупериод.
Средство сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения, подсоединенное входами сравнения напряжений к источнику опорного напряжения и к выходу средства вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, и выход этого средства
сравнения соединен с тем входом мостового коммутатора, который предназначен для формирования напряжения первого полупериода.
Средство вычисления среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединенное измерительным входом к первому выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования импульсов, задержанных относительно тактовых импульсов с первого выхода тактового генератора на время (2t1+t2).
Средство, запоминающее среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, подсоединенное входом к выходу средства вычисления среднего значения напряжения первого полупериода.
Средство вычисления среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого в первичной обмотке, подсоединенное измерительным входом ко второму выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования импульсов,
задержанных относительно тактовых импульсов со второго выхода тактового генератора на время (2t1+t2).
Средство сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода, подсоединенное входами сравнения напряжений к выходу средства вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода, и к выходу средства, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, а выход этого средства сравнения соединен с тем входом мостового коммутатора, который предназначен для формирования напряжения второго полупериода.
Ключ короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора подсоединен первым входом через средства формирования импульсов для запуска замыкания этого ключа, задержанных на время t1 относительно момента завершения формирования каждого полупериода напряжения, к выходу средства сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения, и к выходу средства сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода, с возможностью
запуска замыкания ключа короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора задержанными на время t1 импульсами с выходов любого из этих средств сравнения, а вторым входом - к выходу средства задержки на время (t1+t2) импульсов с выходов тактового генератора, с возможностью размыкания ключа короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора задержанными на время (t1+t2) импульсами как первого, так и второго выходов тактового генератора.
При этом настоящее техническое решение реализовано с учетом следующих математических соотношений.
Величина действующего значения напряжения Ed1 за отдельно взятый первый полупериод T1 определяется в соответствии с общей формулой:
где е1 - текущее напряжение первого полупериода,
t - время.
Среднее значение Es1 напряжения за отдельно взятый первый полупериод T1 выражается формулой:
Среднее значение Es2 напряжения за отдельно взятый второй полупериод Т2 выражается формулой:
где e2 - текущее напряжение второго полупериода.
С учетом влияния введенных задержек при вычислениях общая формула (1) для действующего значение напряжения Ed1 за первый полупериод Т1 приводится к виду
Формула (2) для среднего значения E s1 напряжения первого полупериода Т1 при этом также изменяется:
И, с учетом изложенного, среднее значение E s2 напряжения второго полупериода Т2 выражается формулой:
Таким образом, максимально возможная длительность формируемого сигнала в каждый полупериод меньше длительности полупериода Т1 или Т2 Т1 тактового генератора. Для вычисления этих значений по формулам могут быть использованы как известные аналоговые, так и известные цифровые средства.
В первый полупериод формируют напряжение Ed1 в соответствии с формулой (4) для действующего значения, и, кроме того, вычисляют среднее значение в соответствии с формулой (5) и запоминают результат, Es1.
Во второй полупериод формируют напряжение в соответствии с формулой (6), и удовлетворяющее условию для среднего значения таким образом, чтобы оно было равно ранее запомненной величине Es1 среднего значения напряжения первого полупериода, т.е.,
В последующие периоды операции повторяют.
Вычисления фактически ведутся не за период выходного напряжения, как обычно принято, а отдельно за каждый полупериод, с соответственно заданными пределами интегрирования.
Предложенное решение иллюстрируется фиг.1, фиг.2 и фиг.3.
Схема мостового инвертора напряжения - преобразователя постоянного напряжения в переменное со стабилизацией действующего значения выходного напряжения и с защитой выходного трансформатора от одностороннего насыщения представлена на фиг.1.
На фиг.1 изображена схема инвертора, поясняющая его устройство и работу. На схеме показаны основные функциональные узлы и элементы: средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора, средства вычисления действующего и среднего значений формируемых напряжений, ключ для короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора в паузах между формируемыми напряжениями, средства формирования задержанных на определенное время импульсов, управляющих замыканием и размыканием ключа, и другие элементы схемы. Средства сброса измерительных схем в исходное состояние после
завершения измерений и формирования полупериодов на схеме не показаны.
На фиг.2 показан вариант установки схем в исходное состояние готовности к очередным измерениям и вычислениям после завершения формирования каждого полупериода.
На фиг.3 показаны графики, поясняющие последовательность прохождения сигналов при работе схем. Номера соответствуют номерам на схемах фиг.1 и фиг.2. Первый и второй выходы тактового генератора 12 обозначены 12-1 и 12-2.
На фиг.1, 2 приняты следующие обозначения.
1, 2 - входные выводы питания;
3 - мостовой коммутатор для преобразования входного постоянного напряжения в переменное;
4 - выходной трансформатор;
5 - первичная обмотка выходного трансформатора;
6 - измерительная обмотка выходного трансформатора;
7 - выходная обмотка выходного трансформатора;
8, 9 - выходные выводы;
10 - ключ короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора;
11 - средство выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора;
12 - тактовый генератор;
13 - средство формирования импульсов, задержанных на время t1 относительно момента завершения формирования каждого полупериода;
14 - первая схема ИЛИ;
15 - средство формирования импульсов, задержанных на время (t1+t2) относительно импульсов с выходов тактового генератора;
16, 17 - первое и второе средства формирования задержанных на время (2t1+t2) импульсов с выходов тактового генератора;
18 - средство вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод;
19 - источник опорного напряжения, пропорционального заданной величине действующего значения напряжения первого полупериода;
20 - средство сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением;
21 - вторая схема ИЛИ;
22 - средство вычисления среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод;
23 - средство, запоминающее среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод;
24 - средство вычисления среднего значения напряжения, формируемого во второй полупериод;
25 - средство сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода.
В схемах инвертора фиг.1, 2 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. Выходной трансформатор 4 первичной обмоткой 5 подсоединен к выходу мостового коммутатора 3. Выходной трансформатор 4 содержит измерительную обмотку 6, которая используется при выявлении напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора. Выходная обмотка 7 выходного трансформатора 4 соединена с выходными выводами 8, 9 для подключения нагрузки. Выходные выводы 8, 9 инвертора предназначены для подачи на внешнюю нагрузку переменного напряжения, стабилизированного по величине действующего
значения с заданной погрешностью, и находящегося в диапазоне от минимального до максимального значения.
Параллельно первичной обмотке 5 выходного трансформатора 4 подсоединен ключ 10 короткого замыкания первичной обмотки 5 при разомкнутом мостовом коммутаторе 3. Ключ 10 выполнен как функциональный узел с двумя входами с импульсным управлением замыканием и размыканием аналогично R-S триггеру.
К измерительной обмотке 6 подсоединено средство 11 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 4; это средство имеет первый выход для напряжения, пропорционального формируемому в первый полупериод, и второй выход для напряжения, пропорционального формируемому во второй полупериод. Тактовым генератором 12 задается период выходного напряжения. Тактовый генератор 12 имеет первый и второй выходы, со сдвигом выходных импульсов второго выхода на половину периода относительно импульсов на первом выходе.
К первому входу ключа 10 короткого замыкания подсоединен выход средства 13 формирования импульсов, задержанных на время t1 относительно момента завершения формирования каждого полупериода. Время задержки t1 больше времени спада импульсов при размыкании любого из ключей мостового коммутатора 3,
благодаря чему ключ 10 короткого замыкания может замыкаться только после полного завершения размыкания ключей мостового коммутатора 3.
Первый и второй выходы тактового генератора 12 через схему ИЛИ 14 и средство 15 формирования импульсов, задержанных на время (t1+t2) относительно импульсов с каждого из выходов тактового генератора 12, подсоединены ко второму входу ключа 10 короткого замыкания.
Причем, в средстве 15 формирования задержанных импульсов время задержки (t1+t2) больше суммы времени спада импульсов в мостовом коммутаторе 3 и минимального допустимого времени замкнутого состояния электронного ключа 10 короткого замыкания первичной обмотки 5 выходного трансформатора 4, что гарантирует как предотвращение сквозных токов, так и уверенное короткое замыкание ключа 10.
Для управления запуском начала формирования каждого полупериода имеются средства 16, 17 формирования задержанных на время (2t1+t2) импульсов с выходов тактового генератора 12.
Средство 18 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединено измерительным входом к первому выходу средства 11 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 4, а входом для запуска начала
измерений - к выходу средства 16 формирования задержанных на время (2t1+t2) импульсов, поступающих с первого выхода тактового генератора 12.
Источник опорного напряжения 19, пропорционального заданной величине действующего значения напряжения, которое должно быть сформировано в первый полупериод, и выход средства 18 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединены на входы сравнения напряжений средства 20 сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением. Выход формируемого напряжения средства сравнения 20 соединен с тем входом мостового коммутатора 3, который предназначен для формирования напряжения первого полупериода. Двухвходовая схема ИЛИ 21 служит для реализации возможности осуществления замыкания ключа 10 короткого замыкания первичной обмотки 5 задержанными на время t1 импульсами завершения формирования как первого, так и второго полупериодов.
Средство 22 вычисления среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединено измерительным входом к первому выходу средства 11 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 4, а входом для запуска начала
измерений - к выходу средства 16 формирования задержанных на время (2t1+t2) импульсов, поступающих с первого выхода тактового генератора 12. Выход средства 22 вычисления среднего значения напряжения первого полупериода подсоединен к входу средства 23, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод.
Средство 24 вычисления среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого в первичной обмотке 5, подсоединено измерительным входом ко второму выходу средства 11 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 4; а входом для запуска начала измерений - к выходу средства 17 формирования задержанных на время (t1+t2) импульсов, поступающих со второго выхода тактового генератора 12. Выход средства 24 вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода подсоединен к первому входу сравнения напряжений средства 25 сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода. Второй вход сравнения напряжений в средстве 25 подсоединен к выходу средства 23, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод. Выход формируемого напряжения средства сравнения 25 соединен с тем входом
мостового коммутатора 3, который предназначен для формирования напряжения второго полупериода. Кроме того, к выходу средства 25 сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средством 23 средним значением напряжения первого полупериода подсоединен второй вход двухвходовой схемы ИЛИ 21, для замыкания ключа 10 через средство задержки 13 задержанными на время t1 импульсами завершения формирования второго полупериода. При этом реализована возможность замыкания ключа 10 задержанными на время t1 импульсами завершения формирования, как первого, так и второго полупериода, поступающими с выходов любого из средств сравнения 20 или 25.
Инвертор по фиг.1 работает следующим образом.
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 замкнутом мостовом коммутаторе 3 в выходном трансформаторе 4 по первичной обмотке 5 протекает ток. Напряжение с измерительной обмотки 6 поступает далее в схему на активное сопротивление для измерений, а с выходной обмотки 7, подсоединенной к выходным выводам 8, 9, подается на нагрузку. В средстве 11, содержащем упомянутое активное сопротивление,
являющееся нагрузкой измерительной обмотки 6, происходит выявление напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 4, и распределение результирующих напряжений на первый выход - для первого полупериода, и на второй выход - для второго полупериода.
Тактовый генератор 12 генерирует импульсы для управления периодом формируемого напряжения; с первого и второго выходов снимаются импульсы с установленным периодом, со сдвигом выходных импульсов второго выхода 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.
В начале каждого первого полупериода импульс с первого выхода тактового генератора 12 через последовательно соединенные схему ИЛИ 14 и средство 15 формирования импульсов, задержанных на время t2 относительно импульсов с выходов тактового генератора 12 поступает на второй вход ключа 10 короткого замыкания. В результате ключ 10 короткого замыкания переходит из замкнутого состояния, если он был замкнут, в разомкнутое состояние. После этого через средство 16 формирования задержанных на время (2t1+t2) импульсов с выхода тактового генератора 12 поступает импульс запуска начала
вычислений на средство 18 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, и также на средство 22 вычисления среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод. При этом с выхода средства 18 начинает поступать сигнал на средство 20 сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника 19 опорного напряжения, и далее с выхода средства 20 начинает поступать сигнал на мостовой коммутатор 3, в котором замыкаются соответствующие коммутирующие элементы. Начинается формирование первого полупериода, в первичной обмотке 5 протекает ток первого полупериода. С первого выхода средства 11 выявления на обмотке 6 напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 4, это напряжение поступает на вход средства 18 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, и одновременно на вход средства 22 вычисления среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, где начинаются измерения и вычисления соответствующих значений текущего напряжения.
При достижении равенства действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника 19 опорного напряжения в средстве 20 сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода
с опорным напряжением завершается формирование первого полупериода, и с прекращением поступления выходного сигнала со средства 20 одновременно размыкается мостовой коммутатор 3. Кроме того, на первый вход ключа 10 с импульсного выхода средства 20 через схему ИЛИ 21 и средство 13 формирования импульсов, задержанных на время t1 относительно момента завершения формирования первого полупериода, передается импульсный сигнал о завершении формирования первого полупериода, и ключ 10 замыкается. При этом между спадом импульса при размыкании мостового коммутатора 3 и фронтом импульса замыкания ключа 10 имеется гарантированная пауза.
Помимо этого, одновременно с началом работы средства 18 вычисления действующего значения, с выхода средства 16 поступает импульс запуска начала вычислений на средство 22 вычисления среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод. Средство вычисления среднего значения напряжения 22 вычисляет среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод; вычисления прекращаются с прекращением сигнала с выхода средства 11. С выхода средства вычисления среднего значения напряжения 22 результат вычислений среднего значения напряжения, сформированного в первый полупериод, подается на вход запоминающего средства 23,
где этот результат запоминается на время, необходимое для формирования второго полупериода.
Далее со второго выхода тактового генератора 12 через средства 14 и 15 задержанный на время (t1+t2) импульсный сигнал передается на второй вход размыкания ключа 10. Одновременно с началом задержки импульса в средстве 15, в средстве 17 формирования задержанных импульсов начинается задержка на время (2t1+t2) импульса со второго выхода тактового генератора 12.
Через средство 17 формирования задержанных на время (2t1+t2) импульсов с выходов тактового генератора 12, поступает импульс запуска начала вычислений на средство 24 вычисления среднего значения напряжения, формируемого во второй полупериод, которое поступает со второго выхода средства 11. При этом с выхода средства 24 поступает сигнал на средство 25 сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с напряжением средства 23, запомнившего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, и далее с выхода средства 25 начинает поступать сигнал на мостовой коммутатор 3, в котором замыкаются соответствующие коммутирующие элементы. Начинается формирование второго полупериода, и в первичной обмотке 5 протекает ток второго полупериода. При этом вследствие применения задержки на
(2t1+t2), между спадом импульса при размыкании ключа 10 и фронтом импульса замыкания мостового коммутатора 3 всегда имеется гарантированная пауза.
Применение задержки на (2t1+t2) обеспечивает гарантированную паузу и в предельном случае, когда формирование первого или второго полупериода заканчивается одновременно с завершением импульса соответственно первого или второго выхода тактового генератора. (Средства для предотвращения возможности завершения формирования полупериода во время, когда уже должен наступить следующий полупериод, на схеме не показаны; это могут быть известные схемы запрета, разрешения, синхронизации и другие). При этом после окончания полупериода сначала осуществляется задержка средством 13 на время t1, после чего замыкается ключ 10, что обеспечивает паузу межу окончанием спада импульса в мостовом коммутаторе и фронтом импульса в ключе 10. Затем происходит замыкание ключа 10; после этого - размыкание ключа К3 импульсом с тактового генератора 12 через дополнительную задержку этого импульса на время (t1+t2), с учетом минимального допустимого времени замкнутого состояния электронного ключа короткого замыкания.
Со второго выхода средства 11 выявления на обмотке 6 напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания
магнитопровода выходного трансформатора 4, напряжение поступает на вход средства 24 вычисления среднего значения напряжения, формируемого во второй полупериод, где начинаются измерения и вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода.
При достижении равенства среднего значения текущего напряжения второго полупериода с напряжением средства 23, запомнившего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, завершается формирование второго полупериода с одновременным размыканием мостового коммутатора 3. Кроме того, на первый вход ключа 10 через схему ИЛИ 21 и средство 13 формирования импульсов, задержанных на время t1 относительно момента завершения формирования второго полупериода, передается импульсный сигнал о завершении формирования второго полупериода, и ключ 10 замыкается.
Затем происходит очередное формирование первого полупериода. С первого выхода тактового генератора 12 поступает импульс на второй вход ключа 10 короткого замыкания через последовательно соединенные схему ИЛИ 14 и средство 15 формирования импульсов, задержанных на время (t1+t2) относительно импульсов с выходов тактового генератора 12. В результате ключ 10 короткого замыкания переходит из замкнутого состояния в разомкнутое состояние. После этого через средство 16
формирования задержанных на время (t1+t2) импульсов с выходов тактового генератора 12, происходит запуск начала измерений и вычислений, и формирование напряжения первого полупериода.
Далее процессы формирования напряжений первого и второго полупериодов периодически повторяются аналогично изложенному выше.
Выходное переменное напряжение, стабилизированное по величине действующего значения с заданной погрешностью, и лежащее в диапазоне от минимального до максимального значения, снимается с выходной обмотки 8 выходного трансформатора 5, подсоединенной к выходным выводам 3, 4.
После завершения формирования каждого полупериода, коммутирующие элементы мостового коммутатора 3, используемые при формировании одного полупериода, уже разомкнуты, а используемые при формировании следующего полупериода, еще не замкнуты; в этот промежуток времени замыкается ключ 10, который размыкается до очередного замыкания коммутатора 3. При этом ликвидируется возможное остаточное намагничивание магнитопровода выходного трансформатора.
Средства вычисления 18, 22, 24 начинают выполнять измерения практически с момента поступления задержанных на время (t1+t2) импульсов с соответствующих выходов тактового генератора 12.
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.
На фиг.2 показан вариант исполнения на основе фиг.1, но с установкой схем в исходное состояние после завершения формирование каждого полупериода. При завершении формирования первого полупериода в средстве 20 формируется импульсный сигнал, поступающий, на дополнительные входы сброса в исходное состояние средств 18 и 22. Из этого состояния средства 18 и 22 выходят только с поступлением на входы запуска задержанных на время (t1+t2) импульсов, поступающих с первого выхода тактового генератора 12, и тогда начинается формирование первого полупериода.
Средство 23 при этом продолжает хранить запомненный результат вычислений средства 22. В исходное состояние средство 23 устанавливается в момент завершения второго полупериода импульсом со средства сравнения 25.
При завершении формирования второго полупериода в средстве 25 формируется импульсный сигнал, поступающий на дополнительный вход сброса в исходное состояние средства 24, и,
одновременно, средства 23. Из этого состояния средство 24 выходит только с поступлением на входы запуска задержанных на время (2t1+t2) импульсов, поступающих со второго выхода тактового генератора 12, и тогда начинается формирование второго полупериода.
В остальном схема фиг.2 сходна со схемой фиг.1, и работа ее в основном аналогична работе схемы фиг.1.
Процессы измерений средством 22 вычисления среднего значения напряжения первого полупериода, и средством 18 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, начинаются и завершаются одновременно.
Измеренное среднее значение напряжения первого полупериода в средстве 23, запоминающем среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, хранится, по меньшей мере, до завершения процесса формирования напряжения второго полупериода.
Равенство вольт-секундных площадей первого и второго полупериода, которое обеспечивается при формировании второго полупериода, предотвращает возникновение и накапливание
одностороннего насыщения магнитопровода выходного трансформатора.
Предложенное решение с раздельным формированием напряжений в первый и второй полупериоды решает задачу стабилизации таким образом, что выходное напряжение за период находится в пределах заданных допусков. Для большинства практических приложений величины действующего напряжения на выходе инвертора по предложенному методу находятся в допустимых пределах.
Для каждой пары импульсов за один период параметры первого импульса соответствуют установленной опорной величине, при которой гарантированно обеспечивается общее действующее значение выходного напряжения за первый и второй полупериоды в пределах требуемых допусков при изменениях входного напряжения в допустимых пределах.
Предложенное решение позволяет упростить конструкцию, оптимизировать размеры и массу магнитопроводов трансформаторов. Данное решение исключает громоздкие и конструктивно сложные трансформаторы, в которых сдвоенные мощные обмотки используются как в силовых коммутируемых цепях, так и в измерительных цепях, что приводит к погрешностям
регулирования. Благодаря предложенному решению уменьшаются размеры первичной обмотки, магнитопровода, улучшаются массогабаритные показатели инвертора в целом.
Источники информации.
1. Патент США №6617839, Method for detecting current transformer saturation.
2. Патент США №4017786, Transformer saturation control circuit 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 выходного трансформатора импульсного преобразователя напряжения.
6. Патент РФ №2282934, МПК Н02М 7/42, Инвертор напряжения с защитой выходного трансформатора от одностороннего насыщения.
Мостовой инвертор - преобразователь постоянного напряжения в переменное, со стабилизацией действующего значения выходного напряжения и с защитой выходного трансформатора от одностороннего насыщения, 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; тактовый генератор, задающий период выходного напряжения; ключ короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора при разомкнутом мостовом коммутаторе, отличающийся тем, что тактовый генератор имеет первый и второй выходы тактовых импульсов, со сдвигом выходных тактовых импульсов второго выхода на половину периода относительно тактовых импульсов на первом выходе; ключ короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора содержит первый вход, предназначенный для замыкания этого ключа, и второй вход, предназначенный для размыкания упомянутого ключа; к первому входу ключа короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора подсоединены выходы средств формирования импульсов, задержанных на время t1 относительно момента завершения формирования каждого полупериода, причем t1 больше времени спада импульсов при размыкании любого из ключей мостового коммутатора и ключа короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора; ко второму входу ключа короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора подсоединены выходы средств формирования импульсов, задержанных относительно тактовых импульсов с выходов тактового генератора на время (t1+t2), где t2 - минимально допустимое заданное время замкнутого состояния электронного ключа короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора; кроме того, для управления запуском начала формирования каждого полупериода введены средства формирования импульсов, задержанных на время (2t1+t2) относительно тактовых импульсов с выходов тактового генератора; выходной трансформатор содержит измерительную обмотку, к ней подсоединено входом средство выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, имеющее первый выход для первого полупериода, и второй выход для второго полупериода; средство вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединенное измерительным входом к первому выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования импульсов, задержанных относительно тактовых импульсов с первого выхода тактового генератора на время (2t1+t2); источник опорного напряжения, пропорционального заданной величине действующего значения напряжения, которое должно быть сформировано в первый полупериод; средство сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения, подсоединенное входами сравнения напряжений к источнику опорного напряжения и к выходу средства вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полу период, и выход этого средства сравнения соединен с тем входом мостового коммутатора, который предназначен для формирования напряжения первого полупериода; средство вычисления среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединенное измерительным входом к первому выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования импульсов, задержанных относительно тактовых импульсов с первого выхода тактового генератора на время (2t1+t2); средство, запоминающее среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, подсоединенное входом к выходу средства вычисления среднего значения напряжения первого полупериода; средство вычисления среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого в первичной обмотке, подсоединенное измерительным входом ко второму выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования импульсов, задержанных относительно тактовых импульсов со второго выхода тактового генератора на время (2t1+t2); средство сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода, подсоединенное входами сравнения напряжений к выходу средства вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода, и к выходу средства, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, а выход этого средства сравнения соединен с тем входом мостового коммутатора, который предназначен для формирования напряжения второго полупериода; ключ короткого замыкания первичной обмотки выходного трансформатора подсоединен первым входом через средства формирования импульсов для запуска замыкания этого ключа, задержанных на время t1 относительно момента завершения формирования каждого полупериода напряжения, к выходу средства сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения, и к выходу средства сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода, с возможностью запуска замыкания ключа замыкания первичной обмотки выходного трансформатора задержанными на время t1 импульсами с выходов любого из этих средств сравнения, а вторым входом - к выходу средства задержки на время (t1+t2) импульсов с выходов тактового генератора, с возможностью размыкания ключа задержанными на время (t1+t2) импульсами как первого, так и второго выходов тактового генератора.
