ИЗОБРЕТЕНИЕ
Патент Российской Федерации RU2284639

ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Имя изобретателя: Банин Роман Валерьевич (RU); Кутепов Владимир Николаевич 
Имя патентообладателя: ФГОУ ВПО "Челябинский государственный агроинженерный университет"
Адрес для переписки: 454080, г.Челябинск, пр. Ленина, 75, Челябинский государственный агроинженерный университет, кафедра "Электрические машины и эксплуатация электрооборудования в сельском хозяйстве"
Дата начала действия патента: 2005.06.29 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для автономного электроснабжения потребителей путем преобразования напряжения источника постоянного тока в переменное. Сущность изобретения: схема содержит генератор тактовых импульсов, блок запуска инвертора, фильтр питания, коммутирующие транзисторы, повышающий трансформатор. Вход питания элементов генератора тактовых импульсов подключен к выходу фильтра питания, входом связанного с источником постоянного тока, причем его положительный полюс подключен к средней точке первичной обмотки повышающего трансформатора, параллельно вторичной обмотке которого включен сглаживающий конденсатор. Выводы первичной обмотки повышающего трансформатора подключены к соответствующим выходам первого и второго коммутирующих транзисторов, входами соединенных между собой. В качестве первого и второго коммутирующих транзисторов использованы полевые транзисторы, стоки которых присоединены к отрицательному полюсу источника постоянного тока через параллельно соединенные между собой добавочный резистор и шунтирующий контакт промежуточного реле. Установлен блок запуска, позволяющий обеспечить технический результат - расширить функциональные возможности инвертора напряжения, повысить надежность инвертора напряжения при пуске и (или) сбоях в электропитании. Использование полевых транзисторов в качестве коммутирующих повысило перегрузочную способность инвертора напряжения, его КПД, уменьшило дрейф выходного напряжения, улучшило массогабаритные показатели.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в промышленности и сельском хозяйстве для автономного электроснабжения потребителей путем преобразования напряжения источника постоянного тока в переменное напряжение.

Известен преобразователь напряжения, описанный в литературе (см. И.Нечаев. Преобразователь напряжения 12/220 В 50 Гц // Радио. - 2004. - №9, - с.30-31), в котором имеется генератор тактовых импульсов, фильтр питания, усилитель мощности, повышающий трансформатор и токовое реле защиты от перегрузки.

Преобразователь обеспечивает инвертирование напряжения источника постоянного тока в переменное напряжение величиной 220 В частотой 50 Гц.

Недостатками преобразователя являются:

- низкий КПД, обусловленный значительным падением напряжения в обмотке токового реле;

- сложность реализации схемы преобразователя ввиду использования специализированной микросхемы генератора тактовых импульсов и токового реле специального изготовления;

- низкая надежность схемы из-за большого числа элементов и отсутствия токоограничивающего резистора на выходах генератора тактовых импульсов, т.к. при пробое коммутирующих транзисторов выходит из строя микросхема генератора тактовых импульсов.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к предлагаемому техническому решению является преобразователь напряжения, опубликованный в литературе (см. С.Карлащук, В.Карлащук. Преобразователь для электробритвы // Радио. - 1989. - №11, - с.69), содержащий генератор тактовых импульсов, образованный задающим генератором и делителем частоты, фильтр питания, предварительный усилитель, усилитель мощности и повышающий трансформатор.

Преобразователь обеспечивает инвертирование напряжения источника постоянного тока величиной 12 В в переменное напряжение с действующим значением 220 В частотой 50 Гц.

Недостатками данного преобразователя являются:

- ограниченные функциональные возможности из-за низкой выходной мощности, увеличению которой препятствуют значительные перенапряжения, возникающие в транзисторах усилителя мощности при включении питания. В связи с этим при проектировании выбирают транзисторы со значительно завышенным рабочим напряжением, что ведет к уменьшению номинального выходного тока этих элементов;

- низкая надежность, обусловленная отсутствием защиты коммутирующих транзисторов усилителя мощности от перенапряжений при включении или кратковременном пропадании питания;

- малая перегрузочная способность и устойчивость к коротким замыканиям;

- низкий КПД, связанный со значительными коммутационными потерями в транзисторах усилителя мощности;

- существенный дрейф выходного напряжения, обусловленный изменением сопротивления коммутирующих транзисторов в зависимости от нагрузки;

- значительные массогабаритные показатели.

Задачей настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей преобразователя, повышение его надежности, перегрузочной способности, устойчивости к коротким замыканиям, увеличение КПД, повышение стабильности выходного напряжения и улучшение массогабаритных показателей.

Поставленная задача решается инвертором напряжения, содержащем задающий генератор и делитель частоты, которые образуют генератор тактовых импульсов, вход питания последнего одним выводом подключен к отрицательному полюсу источника постоянного тока, соединенного с общим проводом фильтра питания, а другим выводом связан с выходом фильтра питания, входом связанного с положительным полюсом источника постоянного тока, причем положительный полюс источника постоянного тока также подключен к средней точке первичной обмотки повышающего трансформатора, параллельно вторичной обмотке которого включен сглаживающий конденсатор, а выводы первичной обмотки повышающего трансформатора подключены к соответствующим входам первого и второго коммутирующих транзисторов, выходами соединенных между собой, путем того, что установлен блок запуска инвертора напряжения с промежуточным реле, катушка которого одним выводом подключена к соединенным между собой выходу фильтра питания, катоду защитного диода и первым выводам разрядного резистора и времязадающего конденсатора, а вторые их выводы подключены ко входу логического элемента и первому выводу времязадающего резистора, вторым выводом связанного со стоком управляющего транзистора и отрицательным полюсом источника постоянного тока, при этом другой вывод катушки промежуточного реле присоединен к аноду защитного диода и истоку управляющего транзистора, а затвор управляющего транзистора подключен к выходу логического элемента через токоограничивающий резистор, причем вход питания логического элемента подсоединен одним проводом к отрицательному полюсу источника постоянного тока, при этом другой провод подключен к выходу фильтра питания. В качестве первого и второго коммутирующих транзисторов использованы полевые транзисторы. Затворы коммутирующих транзисторов подключены непосредственно к первому и второму выходам генератора тактовых импульсов, а стоки транзисторов присоединены к отрицательному полюсу источника постоянного тока через параллельно соединенные между собой добавочный резистор и шунтирующий контакт промежуточного реле.

Это позволило расширить функциональные возможности инвертора за счет повышения выходной мощности путем установки блока запуска инвертора напряжения. Увеличился КПД инвертора, повысилась стабильность выходного напряжения, надежность инвертора и улучшились его массогабаритные показатели за счет упрощения конструкции усилителя мощности и установки полевых транзисторов в качестве коммутирующих.

По имеющимся у авторов сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, не известна из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии изобретения критерию "новизна".

По мнению авторов, несмотря на то, что элементы, составляющие инвертор напряжения, известны в технике, но новая совокупность признаков, а именно - установка полевых транзисторов в качестве коммутирующих и блока запуска, их взаимосвязь и свойства, которые при этом проявляются, позволяющие получить такой технический результат, как упрощение конструкции, повышение выходной мощности, надежности, перегрузочной способности, устойчивости к коротким замыканиям, повышение КПД инвертора, стабильности выходного напряжения, улучшение массогабаритных показателей - не известны и не следуют явным образом из известного уровня техники, т.е. не была известна причинно-следственная связь вышеперечисленных признаков и полученного технического результата, что позволяет сделать вывод о соответствии технического решения критерию «изобретательский уровень».

Совокупность существенных признаков, характеризующих сущность изобретения, в принципе, может быть многократно использована в промышленности и сельском хозяйстве с получением технического результата, заключающегося в увеличении выходной мощности инвертора напряжения, обусловливающего обеспечение достижения поставленной цели - расширение функциональных возможностей инвертора напряжения, что позволяет сделать, вывод о соответствии изобретения критерию "промышленная применимость".

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная электрическая схема инвертора напряжения.

ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Инвертор напряжения содержит генератор тактовых импульсов 1, образованный задающим генератором 4 и делителем частоты 5, объединенных в КМОП-микросхеме двойного D-триггера. Вход питания генератора тактовых импульсов 1 одним выводом подключен к отрицательному полюсу источника постоянного тока, соединенного с общим проводом фильтра питания 3, а другим выводом связан с выходом фильтра питания 3, входом связанного с положительным полюсом источника постоянного тока, причем положительный полюс источника постоянного тока также подключен к средней точке первичной обмотки повышающего трансформатора 10, параллельно вторичной обмотке которого включен сглаживающий конденсатор 11. Выводы первичной обмотки повышающего трансформатора 10 подключены к соответствующим входам первого и второго коммутирующих транзисторов 6, 7, выходами соединенных между собой. Причем в качестве входов коммутирующих транзисторов 6, 7 используются их истоки, а стоки этих транзисторов являются их выходами. Кроме того, установлен блок 2 запуска инвертора напряжения с промежуточным реле, катушка 15 которого одним выводом подключена к соединенным между собой выходу фильтра питания 3, катоду защитного диода 14 и первым выводам разрядного резистора 13 и времязадающего конденсатора 12, а вторые их выводы подключены к входу логического элемента 16 и первому выводу времязадающего резистора 19, вторым выводом связанного со стоком управляющего транзистора 18 и отрицательным полюсом источника постоянного тока. Другой вывод катушки 15 промежуточного реле присоединен к аноду защитного диода 14 и истоку управляющего транзистора 18. Затвор управляющего транзистора 18 подключен к выходу логического элемента 16 через токоограничивающий резистор 17. Вход питания логического элемента 16 подсоединен одним проводом к отрицательному полюсу источника постоянного тока, при этом другой провод подключен к выходу фильтра питания 3. В качестве первого и второго коммутирующих транзисторов 6, 7 использованы полевые транзисторы, затворы которых подключены непосредственно к первому и второму выходам генератора тактовых импульсов 1, а стоки первого и второго коммутирующих транзисторов 6, 7 присоединены к отрицательному полюсу источника постоянного тока через параллельно соединенные между собой добавочный резистор 9 и шунтирующий контакт 8 промежуточного реле.

ИНВЕРТОР РАБОТАЕТ СЛЕДУЮЩИМ ОБРАЗОМ

При подключении к источнику постоянного тока начинает работать генератор тактовых импульсов, питающийся с выхода фильтра питания 3. На первом и втором выходах генератора тактовых импульсов 1 поочередно появляются прямоугольные импульсы частотой 50 Гц.

С первого выхода генератора тактовых импульсов управляющий сигнал поступает на затвор первого коммутирующего транзистора 6. Транзистор открывается. Ток течет от положительного полюса источника постоянного тока через одну из полуобмоток первичной обмотки повышающего трансформатора 10, первый коммутирующий транзистор 6 и добавочный резистор 9 к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Затем управляющий импульс на затворе первого коммутирующего транзистора 6 исчезает. Это приводит к закрытию первого коммутирующего транзистора 6 и прекращению тока через полуобмотку.

Следующий управляющий импульс появляется на втором выходе генератора тактовых импульсов 1 и поступает на затвор второго коммутирующего транзистора 7. Транзистор открывается. Ток течет от положительного полюса источника постоянного тока через другую полуобмотку повышающего трансформатора 10, второй коммутирующий транзистор 7 и добавочный резистор 9 к отрицательному полюсу источника постоянного тока.

В результате на вторичной обмотке повышающего трансформатора появляется переменное напряжение. Для приближения формы выходного напряжения к синусоидальной служит сглаживающий конденсатор 11.

Затем описанный процесс циклически повторяется, начиная с появления управляющего импульса на первом выходе генератора тактовых импульсов 1.

Необходимо отметить, что в момент пуска при разомкнутом шунтирующем контакте 8 промежуточного реле на добавочном резисторе 9 создается падение напряжения, обеспечивающее безопасный пуск инвертора.

Одновременно с началом работы генератора тактовых импульсов 1 получает питание блок запуска 2 инвертора напряжения. Начинает заряжаться времязадающий конденсатор 12. Ток зарядки течет от положительного полюса источника постоянного тока через фильтр питания 3 и времязадающий резистор 19 к отрицательному полюсу источника постоянного тока. Потенциал на входе логического элемент 16 начинает повышаться по мере зарядки времязадающего конденсатора 12. При достижении определенного уровня логический элемент 16 открывается. На его выходе появляется напряжение, соответствующее состоянию логической единицы, и поступает через токоограничивающий резистор 17 на затвор управляющего транзистора 18. Он открывается и подает напряжение на катушку 15 промежуточного реле. Реле срабатывает и замыкает шунтирующим контактом 8 добавочный резистор 9. Инвертор напряжения выходит на номинальный режим работы.

При отключении и повторном включении питания или кратковременном его пропадании логический элемент 16 закрывается, обесточивая катушку 15 промежуточного реле. Это обеспечивается быстрым разрядом времязадающего конденсатора 12 на разрядный резистор 13. Таким образом, повторный запуск инвертора напряжения осуществляется с некоторой задержкой при разомкнутом контакте 8 промежуточного реле. Этим обеспечивается безопасность запуска инвертора напряжения за счет падения напряжения на добавочном резисторе 9, уменьшающего перенапряжения в первом и втором коммутирующх транзисторах.

Благодаря установке блока запуска расширились функциональные возможности инвертора напряжения и повысилась его надежность. Установленный блок запуска позволяет увеличить выходную мощность и повысить надежность инвертора напряжения при пуске и (или) сбоях в электропитании.

Установка полевых транзисторов в качестве коммутирующих позволила повысить перегрузочную способность инвертора напряжения, его КПД, уменьшить дрейф выходного напряжения. Кроме того, улучшились массогабаритные показатели.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Инвертор напряжения, содержащий задающий генератор и делитель частоты, которые образуют генератор тактовых импульсов, вход питания последнего одним выводом подключен к отрицательному полюсу источника постоянного тока соединенного с общим проводом фильтра питания, а другим выводом связан с выходом фильтра питания, входом связанного с положительным полюсом источника постоянного тока, причем положительный полюс источника постоянного тока также подключен к средней точке первичной обмотки повышающего трансформатора, параллельно вторичной обмотке которого включен сглаживающий конденсатор, а выводы первичной обмотки повышающего трансформатора подключены к соответствующим входам первого и второго коммутирующих транзисторов, выходами соединенных между собой, отличающийся тем, что установлен блок запуска инвертора напряжения с промежуточным реле, катушка которого одним выводом подключена к соединенным между собой выходу фильтра питания, катоду защитного диода и первым выводам разрядного резистора и времязадающего конденсатора, а вторые их выводы подключены к входу логического элемента и первому выводу времязадающего резистора, вторым выводом связанного со стоком управляющего транзистора и отрицательным полюсом источника постоянного тока, при этом другой вывод катушки промежуточного реле присоединен к аноду защитного диода и истоку управляющего транзистора, а затвор управляющего транзистора подключен к выходу логического элемента через токоограничивающий резистор, причем вход питания логического элемента подсоединен одним проводом к отрицательному полюсу источника постоянного тока, при этом другой провод подключен к выходу фильтра питания, а в качестве первого и второго коммутирующих транзисторов использованы полевые транзисторы, затворы которых подключены непосредственно к первому и второму выходам генератора тактовых импульсов, стоки первого и второго коммутирующих транзисторов присоединены к отрицательному полюсу источника постоянного тока через параллельно соединенные между собой добавочный резистор и шунтирующий контакт промежуточного реле.

Версия для печати
Дата публикации 17.02.2007гг


вверх