Мостовой инвертор с защитой трансформатора от одностороннего насыщения

Предложен мостовой инвертор для преобразования постоянного напряжения в переменное с защитой выходного трансформатора от одностороннего насыщения. Выходы тактового генератора, задающего период выходного напряжения, через первый и второй нормально замкнутые ключи подсоединены к первому и второму управляющим входам мостового коммутатора. Формирователь первого полупериода обеспечивает установленную величину действующего значения напряжения первого полупериода, и его выход соединен с управляющим входом первого нормально замкнутого ключа, который размыкается при завершении формирования первого полупериода. Формирователь второго полупериода обеспечивает среднее значения напряжения второго полупериода, равное среднему значению напряжения, сформированного в первый полупериод, и его выход соединен с управляющим входом второго нормально замкнутого ключа, который размыкается при завершении формирования второго полупериода. При этом вследствие равенства вольт-секундных площадей первого и второго полупериодов и магнитных потоков в магнитопроводе предотвращается одностороннее насыщение трансформатора, а действующее значение выходного напряжения находится в пределах допусков. Благодаря введению первого и второго нормально замкнутых ключей упростилось управление мостовым коммутатором, уменьшилось число связей между формирователями полупериодов и мостовым коммутатором, улучшились массогабаритные показатели.

Настоящее техническое решение относится к области электротехники и предназначено для использования в преобразователях постоянного напряжения в переменное.

Известны инверторы для преобразования постоянного напряжения в переменное с предотвращением одностороннего насыщения выходного трансформатора и с раздельным формированием первого и второго полупериодов [1], [2]. Они имеют недостаток - в схемы выходного функционального узла с мостовым коммутатором входят раздельные цепи управления как замыканием, так и размыканием ключей мостового коммутатора сигналами, поступающими с тактового генератора и формирователей полупериодов, и потому содержат завышенное число межкаскадных соединений, что усложняет конструкцию.

Ближайшим известным аналогом является на патент РФ [3], в котором описано устройство инвертора. Инвертор напряжения с предотвращением одностороннего насыщения трансформатора [3] выполнен следующим образом.

Он содержит преобразователь постоянного тока в переменный, к управляющим входам которого подсоединены выходы тактового генератора и двух каналов формирования первого и второго полупериодов напряжения. К выходу преобразователя постоянного тока в переменный подсоединен выходной трансформатор. Тактовый генератор, задающий период выходного напряжения, имеет два выхода со сдвигом выходных импульсов второго выхода на половину периода относительно импульсов на первом выходе. Также содержатся средства стабилизации действующего значения выходного напряжения и предотвращения одностороннего насыщения выходного трансформатора.

Недостаток данного инвертора напряжения с предотвращением одностороннего насыщения трансформатора заключается в следующем.

Функциональный узел - преобразователь постоянного тока в переменный, - помимо выполнения основной функции, т.е. коммутации больших токов, включает в себя средства для раздельного управления включением и управления выключением силовых коммутирующих элементов, например, ключей мостового коммутатора. Поэтому он содержит завышенное количество управляющих входных выводов и цепей связи с формирователями полупериодов. Так как в сильноточный охлаждаемый узел встроены управляющие схемы и соответственно увеличено количество линий связи с остальными схемами формирователей, усложняется конструкция, ухудшаются массогабаритные показатели конструкции.

Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в упрощении конструкции.

Для этого применена измененная схема управления силовыми коммутирующими элементами преобразователя постоянного тока в переменный, выполненного с мостовым коммутатором, что позволило уменьшить число линий связи между силовой частью и управляющими схемами.

Предложенное решение представляет собой мостовой инвертор с защитой трансформатора от одностороннего насыщения, выполненный следующим образом.

Мостовой инвертор с защитой трансформатора от одностороннего насыщения содержит следующие известные технические решения.

Мостовой коммутатор для преобразования постоянного напряжения в переменное, имеющий первый и второй управляющие входы, служащие для управления замыканием и размыканием коммутирующих элементов мостового коммутатора при формировании выходных напряжений первого второго полупериодов.

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

Тактовый генератор, задающий период выходного напряжения, с длительностью генерируемых выходных импульсов равной половине периода, и имеющий первый и второй выходы со сдвигом выходных импульсов второго выхода на половину периода относительно импульсов на первом выходе.

Первый канал формирования напряжения первого полупериода с установленной для него величиной действующего значения напряжения.

Второй канал формирования напряжения второго полупериода со средним значением напряжения равным среднему значению напряжения первого полупериода.

Средство контроля степени магнитного насыщения магнитопровода выходного трансформатора, подсоединенное выходом к входам первого и второго каналов формирования напряжений первого и второго полупериодов.

Признаки, отличающие предложенное решение от известных, следующие.

Первый управляющий вход мостового коммутатора через первый нормально замкнутый электронный ключ соединен с первым выходом тактового генератора.

Второй управляющий вход мостового коммутатора через второй нормально замкнутый электронный ключ соединен со вторым выходом тактового генератора.

Управляющий вход первого электронного ключа соединен с выходом первого канала формирования напряжения первого полупериода.

Управляющий вход второго электронного ключа соединен с выходом второго канала формирования напряжения второго полупериода.

Схема мостового инвертора с защитой трансформатора от одностороннего насыщения представлена на фиг.1, где приняты следующие обозначения элементов и узлов, из которых выполнен мостовой инвертор.

1, 2 - вход;

3, 4 - выход;

5 - мостовой коммутатор;

6 - выходной трансформатор;

7 - первичная обмотка;

8 - выходная обмотка;

9 - обмотка измерения ЭДС намагничивания;

10 - средство выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора в первый и второй полупериоды;

11 - тактовый генератор импульсов, задающий период выходного напряжения;

12 - первый канал формирования напряжения первого полупериода;

13 - второй канал формирования напряжения второго полупериода;

14 - вычислитель действующего значения напряжения первого полупериода;

15 - вычислитель среднего значения напряжения первого полупериода;

16 - вычислитель среднего значения напряжения второго полупериода;

17 - запоминающее устройство;

18 - компаратор сравнения текущего среднего напряжения второго полупериода со средним значением напряжения первого полупериода.

19 - первый нормально замкнутый электронный ключ;

20 - второй нормально замкнутый электронный ключ.

Мостовой инвертор с защитой трансформатора от одностороннего насыщения выполнен следующим образом.

В схеме инвертора фиг.1 входные выводы 1, 2 предназначены для подачи на инвертор постоянного напряжения с источника питания, а выходные выводы 3, 4 предназначены для подключения к инвертору нагрузки. К выводам 1, 2 подсоединен мостовой коммутатор 5 для преобразования постоянного напряжения в переменное, имеющий первый и второй управляющие входы, служащие для управления замыканием и размыканием коммутирующих элементов мостового коммутатора при формировании выходных напряжений первого второго полупериодов.

Выходной трансформатор 6 первичной обмоткой 7 подсоединен к выходу мостового коммутатора 5. Выходной трансформатор 6 содержит выходную обмотку 8, подсоединенную к выводам 1, 2, и измерительную обмотку 9, которая используется как датчик при выявлении напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора. Выходная обмотка 8 трансформатора 6 соединена с выходными выводами 3, 4 для подключения нагрузки. Выходные выводы 3, 4 мостового 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.

К измерительной обмотке 9 подсоединено средство 10 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 6; это средство 10 имеет выход для напряжения, пропорционального формируемому в первый и во второй полупериоды. Тактовым генератором 11 задается период выходного напряжения; длительность генерируемых выходных импульсов равна половине периода. Тактовый генератор 11 имеет первый и второй выходы, со сдвигом выходных импульсов второго выхода на половину периода относительно импульсов на первом выходе.

Для управления запуском мостового коммутатора 5 в начале формирования каждого полупериода введены электрические связи для передачи запускающих импульсов с выходов тактового генератора 11: на первый управляющий вход мостового коммутатора 5 - с первого выхода тактового генератора 11 (для первого полупериода), и на второй управляющий вход мостового коммутатора 5 - с со второго выхода тактового генератора 11 (для второго полупериода).

Первый канал 12 формирования напряжения первого полупериода с установленной для него величиной действующего значения напряжения, и второй канал 13 формирования напряжения второго полупериода со средним значением напряжения равным среднему значению напряжения первого полупериода, входами подключены к выходу средства 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора в первый и второй полупериоды.

Первый канал 12 формирования напряжения первого полупериода содержит вычислитель 14 действующего значения напряжения первого полупериода и вычислитель 15 среднего значения напряжения первого полупериода.

Второй канал 13 формирования напряжения второго полупериода содержит вычислитель 16 среднего значения напряжения второго полупериода, запоминающее устройство 17, и компаратор 18 сравнения текущего среднего напряжения второго полупериода со средним значением напряжения первого полупериода.

Входы обоих каналов 12 и 13 подсоединены к выходу средства 10 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора 6.

Первый управляющий вход мостового коммутатора 5 через первый нормально замкнутый электронный ключ 19 соединен с первым выходом тактового генератора 11.

Второй управляющий вход мостового коммутатора 5 через второй нормально замкнутый электронный ключ 20 соединен со вторым выходом тактового генератора 11.

Управляющий вход первого нормально замкнутого электронного ключа 19 соединен с выходом первого канала 12 формирования напряжения первого полупериода, т.е. с выходом вычислителя 14 действующего значения напряжения первого полупериода.

Управляющий вход второго нормально замкнутого электронного ключа 20 соединен с выходом второго канала 13 формирования напряжения второго полупериода, т.е. с выходом компаратора 18.

Выход вычислителя 14 действующего значения напряжения соединен с управляющим входом первого нормально замкнутого ключа 19.

Вычислитель 15 среднего значения напряжения первого полупериода подсоединен измерительным входом к выходу средства 10 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора 6. Выход вычислителя 15 вычисления среднего значения напряжения первого полупериода подсоединен к входу запоминающего устройства 17, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод

Вычислитель 16 среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого в первичной обмотке 7, подсоединен измерительным входом к выходу средства 10 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора 6. Выход вычислителя 16 среднего значения напряжения второго полупериода подсоединен к первому входу сравнения напряжений компаратора 18 сравнения текущего среднего напряжения второго полупериода со средним значением напряжения первого полупериода, хранящемся в запоминающем устройстве 17.

Второй вход сравнения напряжений компаратора 18 подсоединен к выходу запоминающего устройства 17, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод.

Выход компаратора 18 соединен с управляющим входом нормально замкнутого ключа 20.

Схема по фиг.1 работает следующим образом.

На входы 1, 2 с источника питания инвертора подают постоянное напряжение.

С выходов 3, 4 снимают на нагрузку инвертора переменное напряжение, стабилизированное по величине действующего значения с заданной погрешностью, т.е., лежащее в диапазоне от минимального до максимального значения.

Постоянное напряжение, поступающее на входы 1, 2 с источника питания, мостовой коммутатор 5 преобразует в переменное напряжение с заданным периодом. Переменное напряжение с выхода мостового коммутатора 5 подается на выходной трансформатор 6 через первичную обмотку 7.

Выходная обмотка 8 трансформатора 6 соединена с выходными выводами 3, 4 инвертора, через которые на нагрузку поступает сформированное инвертором напряжение.

С обмотки 9 измерения ЭДС намагничивания снимаются сигналы для измерения текущего значения напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора.

Подсоединенное к обмотке 9 средство 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора в первый и второй полупериоды, содержит активное сопротивление нагрузки обмотки 9, выпрямитель первого и второго полупериодов формируемого напряжения, и согласующий усилитель. Средство 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора в первый и второй полупериоды имеет один общий выход на оба канала 12 и 13. С этого выхода измерительное напряжение постоянно подается на входные цепи каналов 12 и 13, предназначенных для измерения текущих значений напряжений и вычислений вычислителями 13, 14 и 15. По результатам этих вычислений осуществляется управление раздельным формированием напряжений в первый и второй полупериоды в мостовом коммутаторе 5 путем размыкания в нужный момент соответствующего нормально замкнутого электронного ключа 19 или 20.

Период выходного напряжения инвертора задается тактовым генератором 11 периодических импульсов, и генерируемые им выходные сигналы управляют мостовым коммутатором 5. Длительность выходных импульсов на обоих выходах тактового генератора 11 равна полпериода. В частных случаях исполнения длительность выходных импульсов на обоих выходах тактового генератора 11 может быть несколько отличной от полупериода, но практически равной полпериода, если выходной сигнал тактового генератора 11 не меандр. Формирование напряжения первого полупериода начинается с поступлением импульса с первого выхода тактового генератора 11 через первый нормально замкнутый электронный ключ 19 на первый вход мостового коммутатора 5. При этом ток с источника питания протекает через мостовой коммутатор 5 и первичную обмотку 7 выходного трансформатора 6, и на выходной обмотке 8 появляется формируемое напряжение первого полупериода.

Формирование напряжения первого полупериода завершается при поступлении управляющего сигнала с выхода канала 12, т.е. с выхода вычислителя 14, на управляющий вход первого нормально замкнутого электронного ключа 19. Ключ 19 размыкается и размыкаются коммутирующие элементы мостового коммутатора 5. При этом прекращается протекание тока с источника питания через мостовой коммутатор 5 и первичную обмотку 7 выходного трансформатора 6, и завершается первый полупериод напряжения на выходной обмотке 8.

Формирование напряжения второго полупериода начинается с поступлением импульса со второго выхода тактового генератора 11 через второй нормально замкнутый электронный ключ 20 на второй вход мостового коммутатора 5. При этом ток с источника питания протекает через мостовой коммутатор 5 и первичную обмотку 7 выходного трансформатора 6, и на выходной обмотке 8 появляется формируемое напряжение второго полупериода.

Формирование напряжения второго полупериода завершается при поступлении управляющего сигнала с выхода канала 13, т.е. с выхода компаратора 18, на управляющий вход второго нормально замкнутого электронного ключа 20. Ключ 20 размыкается, и размыкаются коммутирующие элементы мостового коммутатора 5. При этом прекращается протекание тока с источника питания через мостовой коммутатор 5 и первичную обмотку 7 выходного трансформатора 6, и завершается второй полупериод напряжения на выходной обмотке 8.

С началом формирования напряжений первого и второго полупериодов через обмотку 7 трансформатора начинает протекать ток.

При этом с измерительной обмотки 9 снимаются сигналы для измерения текущего значения напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, которые поступают на вход формирователя измерительного напряжения 10, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора в первый и второй полупериоды.

С выхода схемы 10 выходные сигналы подаются на каналы 12 и 13, в которых осуществляются вычислительные операции и формируется необходимая длительность импульсов первого и второго полупериодов.

Выходные сигналы во время первого полупериода с выхода средства 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора поступают на канал 12, содержащий два вычислительных средства - 14 и 15 вычисления параметров текущего напряжения, формируемого в первый полупериод:

- на измерительный вход вычислителя 14 действующего значения напряжения первого полупериода,

- на измерительный вход вычислителя 15 среднего значения напряжения первого полупериода.

Результирующий сигнал вычислителя 14 действующего значения напряжения первого полупериода подается с выхода вычислителя 14 на управляющий вход первого нормально замкнутого электронного ключа 19, переводя этот ключ в разомкнутое состояние, и этим завершая первый полупериод.

Результирующий сигнал вычислителя 15 среднего значения напряжения первого полупериода подается с выхода вычислителя 15 на вход запоминающего устройства 17, где запоминается и хранится до завершения второго полупериода.

Вычислители 14, 15, 16 начинают выполнять вычисления с момента начала сигнала, поступающего с выхода средства 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора в первый и второй полупериоды.

Вычислители 14, 15, 16 после каждого завершения вычислений за соответствующий полупериод автоматически устанавливаются в исходное состояние готовности к очередным вычислениям, например, сигналами с тактового генератора 11, или сигналами управления ключами 19 и 20, или иным способом.

Вычислитель 14 действующего значения напряжения первого полупериода содержит встроенный источник опорного напряжения, которое задает требуемую величину действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод. Вычислитель 14 также содержит компаратор, который при достижении равенства действующего значения напряжения с опорным напряжением подает на управляющий вход нормально замкнутого ключа 19 сигнал на размыкание и завершения формирования первого полупериода.

Процессы вычислений напряжений вычислителем среднего значения напряжения 15 и вычислителем действующего значения напряжения 14 начинаются и завершаются одновременно.

Вычисленное среднее значение напряжения с выхода вычислителя 15 поступает на канал 13, на сигнальный вход средства запоминания среднего значения напряжения - запоминающего устройства 17, где эта величина хранится и используется во время процесса формирования напряжения второго полупериода.

Когда выходные сигналы второго полупериода с выхода средства 10 выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, поступают на вход вычислителя среднего значения напряжения 16, последний начинает выполнять вычисления. С выхода вычислителя 16 напряжение, пропорциональное среднему значению напряжения, поступает на первый вход компаратора 18, а на его второй вход подается напряжение с выхода запоминающего устройства 17, которое пропорционально среднему значению напряжения, сформированного в первый полупериод. При достижении равенства этих напряжений на выходе компаратора 18 формируется сигнал, который поступает на управляющий вход нормально замкнутого ключа 20 - выключателя для завершения формирования второго полупериода, и этот ключ размыкается. Формирование напряжения второго полупериода завершается.

При отсутствии управляющего сигнала на размыкание ключи 19, 20 устанавливаются в исходное замкнутое состояние. Ключи 19, 20 могут содержать управляющие цепи в виде RS-триггеров или иных схем, обеспечивающих их разомкнутое состояние после поступления на входы сигналов на размыкание и поддерживающих это состояние до завершения текущего сигнала с тактового генератора.

При работе инвертора средние значения напряжения импульсов, сформированных в первый и во второй полупериоды, равны. Для каждой пары импульсов за один период параметры первого импульса точно соответствуют требуемой величине, при которой обеспечивается требуемое действующее значение. Описанные вычисления и операции могут выполняться средствами аналоговой или цифровой техники. При этом выходное напряжение находится в пределах заданных допусков. Выходное напряжение может иметь несимметричные допуски относительно задаваемого опорного напряжения, если на выходном трансформаторе имеется неравенство напряжений первого и второго полупериодов, которое вызвано либо источником питания и элементами схемы, либо нелинейной нагрузкой.

Предложенное решение позволяет упростить конструкцию и улучшить массогабаритные показатели объекта за счет уменьшения числа соединений между формирователями полупериодов и функциональным узлом преобразования постоянного тока в переменный с мостовым коммутатором.

Источники информации.

1. Патент РФ 2282934, Инвертор напряжения с защитой трансформатора от одностороннего насыщения.

2. Патент РФ 84173, Мостовой инвертор с защитой выходного трансформатора от одностороннего насыщения.

3. Патент РФ 2273087, Способ защиты от одностороннего насыщения трансформатора преобразователя напряжения.

Мостовой инвертор с защитой трансформатора от одностороннего насыщения, содержащий мостовой коммутатор для преобразования постоянного напряжения в переменное, имеющий первый и второй управляющие входы, служащие для управления замыканием и размыканием коммутирующих элементов мостового коммутатора при формировании выходных напряжений первого и второго полупериодов; выходной трансформатор, первичная обмотка которого подсоединена к выходу мостового коммутатора; тактовый генератор, задающий период выходного напряжения с длительностью генерируемых выходных импульсов, равной половине периода, и имеющий первый и второй выходы со сдвигом выходных импульсов второго выхода на половину периода относительно импульсов на первом выходе; первый канал формирования напряжения первого полупериода с установленной для него величиной действующего значения напряжения; второй канал формирования напряжения второго полупериода со средним значением напряжения, равным среднему значению напряжения первого полупериода; средство выявления измерительного напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода выходного трансформатора в первый и второй полупериоды, подсоединенное выходом ко входам первого и второго каналов формирования напряжений первого и второго полупериодов, отличающийся тем, что первый управляющий вход мостового коммутатора через первый нормально замкнутый электронный ключ соединен с первым выходом тактового генератора; второй управляющий вход мостового коммутатора через второй нормально замкнутый электронный ключ соединен со вторым выходом тактового генератора; управляющий вход первого электронного ключа соединен с выходом первого канала формирования напряжения первого полупериода; управляющий вход второго электронного ключа соединен с выходом второго канала формирования напряжения второго полупериода.