ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ОДНОСТОРОННЕГО НАСЫЩЕНИЯ

ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ОДНОСТОРОННЕГО НАСЫЩЕНИЯ


RU (11) 2282934 (13) C1

(51) МПК
H02M 7/42 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2005103673/09 
(22) Дата подачи заявки: 2005.02.11 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2005.02.11 
(45) Опубликовано: 2006.08.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 2035833 C1, 20.05.1995. RU 2027297 С1, 20.01.1995. SU 1241380 А1, 30.06.1986. SU 1728953 А2, 23.04.1992. US 4017786 A, 12.04.1977. 
(72) Автор(ы): Грунин Сергей Федорович (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Общество с ограниченной ответственностью "АТС-КОНВЕРС" (RU) 
Адрес для переписки: 180000, г.Псков, а/я 314, ООО "АТС-КОНВЕРС" 

(54) ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩИТОЙ ТРАНСФОРМАТОРА ОТ ОДНОСТОРОННЕГО НАСЫЩЕНИЯ

Использование: в преобразователях постоянного напряжения в переменное. Технический результат заключается в предотвращении одностороннего насыщения силового трансформатора инвертора и упрощении конструкции устройства. Предложен инвертор напряжения с защитой трансформатора от одностороннего насыщения, со стабилизацией действующего значения выходного напряжения. Использован силовой трансформатор, первичная обмотка которого образована двумя последовательно соединенными обмотками с отводом от точки их соединения. Для поочередного подключения обмоток к источнику питания установлены коммутаторы. Частота выходного напряжения инвертора задается тактовым генератором. Имеется два канала для измерения индуцированного в обмотках напряжения первого и второго полупериодов. Когда в одной из обмоток формируется один полупериод, другая обмотка в это время используется как измерительная обмотка, на которой измеряют текущее напряжение, пропорциональное ЭДС намагничивания сердечника трансформатора. 3 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение 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 силового трансформатора, с выхода которого снимают переменное напряжение для подключения нагрузки. Они имеют недостаток - возникновение одностороннего насыщения магнитопровода силового трансформатора при изменениях входного напряжения, асимметрии нагрузки или элементов схемы.

Известны устройства с устранением этого недостатка путем применения средств обнаружения магнитного насыщения магнитопровода силового 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 силовом 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 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 предотвращения насыщения трансформатора. Недостатком являются неудовлетворительные массогабаритные показатели и сложность конструкции.

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

Ближайшим известным аналогом является патент 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.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в предотвращении одностороннего насыщения силового трансформатора инвертора-преобразователя напряжения при возникновении условий работы, приводящих к асимметрии тока и напряжения, а также упрощении конструкции за счет исключения функциональных узлов, в которых используют специальный трансформатор тока либо иные конструктивно сложные решения для выявления одностороннего насыщения магнитопровода силового трансформатора.

Для решения поставленной задачи предложено следующее техническое решение.

Инвертор содержит средства, обеспечивающие на его выходе стабилизацию действующего значения напряжения в заданном диапазоне допустимых величин. При этом 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.

Предложенное решение характеризуется следующими признаками.

Инвертор-преобразователь постоянного напряжения в переменное со стабилизацией действующего значения выходного напряжения содержит следующие основные элементы.

Силовой трансформатор с первой и второй последовательно соединенными первичными обмотками, точка соединения которых подключена к одному выводу для источника питания, а концы первой и второй обмоток через управляемые коммутаторы подсоединены к второму выводу для источника питания. Средство управления коммутаторами, предназначенное для поочередного подключения этих обмоток к второму выводу для источника питания с целью начала формирования первого полупериода переменного напряжения в первой обмотке и начала формирования второго полупериода - во второй обмотке. Тактовый генератор, выход которого подключен к средству управления коммутаторами.

Предложенное решение отличается от известных следующей совокупностью признаков и дополнительно введенными основными узлами и элементами.

Средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, подсоединенные входами к первой и второй обмоткам и выполненные с возможностью воспринимать сигналы со второй обмотки при формировании в первой обмотке напряжения первого полупериода и воспринимать сигналы с первой обмотки при формировании во второй обмотке напряжения второго полупериода.

Средство вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод в первой обмотке, подсоединенное входом к средству выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, снимаемого со второй обмотки трансформатора. 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 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 средства управления коммутаторами, который предназначен для прекращения формирования напряжения первого полупериода при достижении равенства действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением. Средство вычисления среднего значения напряжения первого полупериода, формируемого в первой обмотке, подсоединенное входом к средству выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, снимаемого со второй обмотки. Средство, запоминающее среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, подсоединенное входом к выходу средства вычисления среднего значения сформированного напряжения первого полупериода. Средство вычисления среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого во второй обмотке, подсоединенное входом к средству выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, снимаемого с первой обмотки. Средство сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода, подсоединенное входами к выходу средства вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода, формируемого во второй обмотке, и к выходу средства, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, а выход этого средства сравнения соединен с тем входом средства управления коммутаторами, который предназначен для прекращения формирования напряжения второго полупериода при равенстве среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода.

И, кроме того, с целью устранения остаточного намагничивания магнитопровода трансформатора, параллельно по меньшей мере одной из обмоток трансформатора подсоединен управляемый средством управления коммутаторами ключ для короткого замыкания этой обмотки, выполненный с возможностью замыкать эту обмотку только при одновременно разомкнутых коммутаторах питания первой и второй обмоток, когда эти обмотки отключены от источника питания.

Схемы инвертора-преобразователя постоянного напряжения в переменное со стабилизацией действующего значения выходного напряжения представлены на фиг.1-3.

На фиг.1 показана схема инвертора. Средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, размещены в соответствующих каналах контроля, измерения и управления формированием полупериодов напряжения и подсоединены к обмоткам через управляемые коммутаторы. Для короткого замыкания последовательно соединенных первой и второй обмоток, когда они отключены от источника питания, использован один ключ.

На фиг.2 показан инвертор, в котором для раздельного короткого замыкания каждой из последовательно соединенных первой и второй обмоток, когда они отключены от источника питания, использован сдвоенный ключ.

На фиг.3 показан инвертор, в котором средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, сосредоточены в соответствующих каналах контроля, измерения и управления формированием полупериодов напряжения и подсоединены непосредственно к обмоткам. Для короткого замыкания последовательно соединенных первой и второй обмоток, когда они отключены от источника питания, в схеме содержится один ключ.

На фиг.1-3 приняты следующие обозначения.

1, 2 - входные выводы питания;

3, 4 - выходные выводы;

5 - силовой трансформатор;

6 - первая обмотка;

7 - вторая обмотка;

8 - выходная обмотка;

9, 10 - коммутаторы;

11 - средство управления коммутаторами и ключами;

12 - тактовый генератор;

13 - канал контроля, измерения и управления формированием напряжения первого полупериода;

14 - канал контроля, измерения и управления формированием напряжения второго полупериода;

15 - источник опорного напряжения, пропорционального заданной величине действующего значения напряжения, которое должно быть сформировано в первый полупериод;

16 - средство вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод в первой обмотке;

17 - средство сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения;

18 - средство вычисления среднего значения напряжения первого полупериода, формируемого в первой обмотке;

19 - средство вычисления среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого во второй обмотке;

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

21 - средство сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода;

22 - ключ для короткого замыкания обмоток в промежутки времени, когда они отключены от источника питания;

23 - первое средство для выделения с второй обмотки напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора при формировании на первой обмотке первого полупериода напряжения;

24 - второе средство для выделения с первой обмотки напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора при формировании на второй обмотке второго полупериода напряжения.

В схеме инвертора фиг.1 входные выводы 1, 2 предназначены для подачи на инвертор постоянного напряжения с источника питания.

Выходные выводы 3, 4 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.

Силовой трансформатор 5 содержит две последовательно соединенные обмотки: первую обмотку 6 и вторую обмотку 7; отвод от точки их соединения подсоединен к входному выводу 1 для подключения к источнику питания.

Выходная обмотка 8 трансформатора 5 соединена с выходными выводами 3, 4 для подключения нагрузки.

Выводы концов второй обмотки 7 и первой обмотки 6 соединены с управляемыми коммутаторами 9 и 10, которые выполнены с возможностью поочередного подключения концов этих обмоток к входному выводу питания 2 по сигналам средства 11 управления коммутаторами и ключами.

Средство 11 управления коммутаторами и ключами предназначено для управления коммутаторами 9, 10, для управления началом и окончанием формирования напряжений первого и второго полупериодов, а также и для управления ключом 22, осуществляющим короткое замыкание обмоток 6, 7, когда они отключены коммутаторами 9, 10 от источника питания.

Коммутаторы 9 и 10 предназначены для поочередного подключения либо второй обмотки 7, либо первой обмотки 6 к выводу питания 2, а также для подключения обмотки 6 или 7, которая в это время не подключена к источнику питания, к соответствующему каналу 14 или 13, предназначенному для контроля, измерения и управления формированием полупериодов напряжения. Средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, не показаны и содержатся в каналах 13 и 14. Они включают в себя активные сопротивления и, при необходимости, иные элементы, например, для масштабирования, компенсации систематических погрешностей, ограничители и фильтры.

Управляющие входы коммутаторов 9 и 10 подсоединены к выходам средства 11 управления коммутаторами и ключами. Тактовый генератор 12 служит для генерирования импульсов, которые задают частоту формируемого переменного напряжения; выход этого генератора соединен с входом средства 11 управления коммутаторами и ключами.

Вход канала 13, предназначенного для контроля и измерения напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, и для управления формированием напряжения первого полупериода, а также вход канала 14, предназначенного для контроля и измерения напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, и управления формированием напряжения второго полупериода, подсоединены к выходным измерительным выводам коммутаторов 9, 10. Эти коммутаторы предназначены для коммутации силовых цепей питания обмоток 6, 7 трансформатора 5 инвертора. Кроме того, каждый из них содержит средства, которые при разомкнутой этим коммутатором силовой цепи передают на выходные измерительные выводы данного коммутатора сигналы с соответствующей обмотки трансформатора, соединенной с входом этого коммутатора, например полупроводниковые ключи. Коммутаторы 9, 10 имеют входные выводы, соединенные соответственно с второй обмоткой 7 и первой обмоткой 6 трансформатора 5, выходные силовые выводы, соединенные с входным выводом питания 2, а также выходные измерительные выводы, соединенные с входами каналов 13, 14 контроля, измерения и управления формированием напряжений первого и второго полупериодов. Выходы каналов 13 и 14 соединены с входами средства 11, предназначенного для управления коммутаторами.

Канал 13 контроля, измерения и управления формированием напряжения первого полупериода содержит средство выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, и следующие схемы.

Источник 15 опорного напряжения, пропорционального заданной величине действующего значения напряжения, которое должно быть сформировано в первый полупериод.

Средство вычисления 16, предназначенное для вычисления действующего значения текущего напряжения первого полупериода.

Средство сравнения 17, предназначенное для сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения 15.

Средство 18, предназначенное для вычисления среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод в первой обмотке 6.

Входы средства 16 вычисления действующего значения текущего напряжения первого полупериода и средства 18 вычисления среднего значения напряжения первого полупериода подсоединены к коммутатору 9. Выход средства 17 сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника 15 подключен на вход средства 11 управления коммутаторами 9, 10 и ключом 22.

Канал 14 контроля, измерения и управления формированием напряжения второго полупериода содержит средство выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, и следующие схемы.

Средство 19, предназначенное для вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода, формируемого во второй обмотке 7.

Запоминающее средство 20, предназначенное для запоминания среднего значения напряжения, сформированного в первый полупериод.

Средство 21, предназначенное для сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода.

Вход средства 19 вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода подсоединен к выходному измерительному выводу коммутатора 10.

Выход средства 21 сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода подключен на вход средства 11, управляющего коммутаторами 9, 10 и ключом 22.

Вход средства 20, запоминающего среднее значение сформированного напряжения первого полупериода, подсоединен к выходу средства 18 вычисления среднего значения сформированного напряжения первого полупериода.

Ключ 22 предназначен для короткого замыкания последовательно соединенных обмоток 6 и 7 в те промежутки времени, когда они отключены от источника питания.

Каждое из средств выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, содержит активное сопротивление, находящееся в каналах 13, 14 и подключаемое через соответствующий коммутатор параллельно обмотке, с которой снимаются сигналы, необходимые для дальнейшей обработки в каналах 13, 14.

Инвертор по фиг.1 работает следующим образом. Постоянное напряжение поступает с источника питания на входные выводы 1, 2, подается на точку соединения обмоток 6, 7 трансформатора 5 и на силовые входы коммутаторов 9 и 10. Коммутаторы 9 и 10, управляемые средством 11 управления коммутаторами и ключами, поочередно подключают к выводу 2 концы обмоток 7 и 6, преобразуя постоянное напряжение в переменное, частота которого задается тактовым генератором 12. Один выход тактового генератора 12 предназначен для управления началом формирования первого полупериода, а второй выход - для управления началом формирования второго полупериода. 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 трансформатора 5, подсоединенной к выходным выводам 3, 4.

Первый полупериод выходного напряжения формируется в первой обмотке 6. Формирование первого полупериода начинается с поступления сигнала с выхода тактового генератора 12 на вход средства 11 управления коммутаторами и ключами, затем с выхода этого средства 11 управляющий сигнал подается на вход коммутатора 10, переключая его в состояние, при котором начинает протекать ток через первую обмотку 6, подключенную через коммутатор 10 к выводу 2. Первая обмотка 6 в течение первого полупериода выполняет функции входной силовой обмотки трансформатора 5 инвертора.

В течение первого полупериода вторая обмотка 7 нагружена на активное сопротивление и выполняет функции измерительной обмотки, и с подсоединенного к ней активного сопротивления снимается текущее напряжение, пропорциональное ЭДС намагничивания сердечника трансформатора. При этом вторая обмотка 7 через выходные измерительные выводы коммутатора 9 подключена к средству выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, далее - на вход средства 16 вычисления действующего значения текущего напряжения первого полупериода, формируемого в первый полупериод в первой обмотке 6, и на вход средства 18 вычисления среднего значения напряжения первого полупериода.

Средство вычисления действующего значения напряжения 16 выполняет вычисления действующего значения текущего напряжения первого полупериода, обрабатывая сигналы, которые снимаются с второй обмотки 7 силового трансформатора 5. С выхода средства 16 результаты измерений и вычислений действующего значения текущего напряжения поступают на первый вход средства сравнения 17, а на второй вход средства сравнения 17 с источника опорного напряжения 15 подается напряжение, пропорциональное заданной величине действующего значения напряжения, которое должно быть сформировано в первый полупериод. Средство сравнения 17 сравнивает действующее значение текущего напряжения, формируемого в первый полупериод, с заданной опорной величиной.

При достижении равенства вычисляемого действующего значения текущего напряжения, формируемого в первый полупериод, с заданной опорной величиной с выхода средства 17 сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения на вход средства 11 управления коммутаторами и ключами подается сигнал на завершение формирования первого полупериода. После этого с выхода упомянутого средства 11 на вход коммутатора 10 поступает сигнал, по которому первая обмотка 6 силового трансформатора 5 отключается от источника питания, вывода 2.

Помимо этого, средство вычисления среднего значения напряжения 18 вычисляет среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод. С выхода средства вычисления среднего значения напряжения 18 результат вычислений среднего значения напряжения, сформированного в первый полупериод, подается на вход запоминающего средства 20 канала 14 контроля, измерения и управления формированием напряжения второго полупериода, где этот результат запоминается на время, необходимое для формирования второго полупериода.

После завершения формирования первого полупериода коммутатор 9 разомкнут, а коммутатор 10 еще не замкнут; в этот промежуток времени замыкается ключ 22, который размыкается до замыкания коммутатора 9. При этом ликвидируется возможное остаточное намагничивание магнитопровода трансформатора.

Второй полупериод выходного напряжения формируется во второй обмотке 7. Формирование второго полупериода начинается с поступления сигнала с выхода тактового генератора 12 на вход средства 11 управления коммутаторами и ключами, затем с выхода этого средства 11 на управляющий вход коммутатора 9 начинает протекать ток через вторую обмотку 7, подключенную через коммутатор 9 к выводу 2.

Вторая обмотка 7 в течение второго полупериода выполняет функции входной силовой обмотки трансформатора 5 инвертора. Первая обмотка 6 в течение второго полупериода выполняет функции измерительной обмотки, она через выходные измерительные выводы коммутатора 10 нагружена на активное сопротивление, с которого снимается текущее напряжение, пропорциональное ЭДС намагничивания сердечника трансформатора; к выводу питания 2 коммутатором 9 она не подключена. Сигналы с первой обмотки 6 через выходные измерительные выводы коммутатора 10 поступают на вход средства 19 вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода, формируемого во второй обмотке 7.

Средство вычисления среднего значения 19 выполняет вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода, формируемого во второй обмотке 7, и для вычислений используются сигналы, поступающие при этом с выходных измерительных выводов коммутатора 10, подключенного к первой обмотке 6.

С выхода средства 19 вычисления среднего значения напряжения второго полупериода текущие результаты измерений поступают на первый вход средства сравнения 21, а на второй вход средства сравнения 21 с запоминающего средства 20 подается напряжение, пропорциональное среднему значению напряжения, сформированного в первый полупериод. Средство сравнения 21 сравнивает среднее значение текущего напряжения с запомненной величиной.

При достижении равенства вычисляемого среднего значения текущего напряжения с запомненной величиной с выхода средства сравнения 21 на вход средства 11 управления коммутаторами и ключами подается сигнал на завершение формирования второго полупериода. После этого с выхода упомянутого средства 11 на вход коммутатора 9 поступает сигнал, по которому первая обмотка 6 силового трансформатора 5 отключается коммутатором 9 от источника питания, вывода 2.

После завершения формирования второго полупериода коммутатор 10 разомкнут, а коммутатор 9 еще не замкнут; в этот промежуток времени замыкается ключ 22, который размыкается до замыкания коммутатора 10. При этом ликвидируется возможное остаточное намагничивание магнитопровода трансформатора.

Частота выходного напряжения инвертора задается тактовым генератором периодических импульсов 12, выход которого подключен на вход средства 11 управления коммутаторами и ключами. Формирование напряжений первого и второго полупериодов начинается при поступлении на упомянутое средство 11 импульсов с выхода тактового генератора 12, а завершается управляющими сигналами с выходов каналов 13 и 14.

С началом формирования напряжения первого полупериода ток от источника питания начинает протекать через первую обмотку 6 трансформатора 5, а вторая обмотка 7 становится измерительной. С началом формирования напряжения второго полупериода ток от источника питания начинает протекать через вторую обмотку 7 трансформатора 5, а первая обмотка 6 становится измерительной.

Измеряемые сигналы первого полупериода с выходного измерительного вывода коммутатора 9 подаются на вход канала 13 контроля, измерения и управления напряжением первого полупериода, содержащего два средства измерения текущего напряжения, формируемого в первый полупериод:

- на вход средства 16 вычисления действующего значения текущего напряжения, формируемого в первый полупериод в первой обмотке 6;

- на вход средства вычисления среднего значения напряжения первого полупериода, формируемого в первой обмотке 6.

Измеряемые сигналы второго полупериода с измерительного вывода коммутатора 10 подаются на вход канала 14 контроля, измерения и управления напряжением второго полупериода, содержащего только одно средство измерения текущего напряжения, формируемого во второй полупериод, - на вход средства 19 вычисления среднего значения текущего напряжения второго полупериода, формируемого во второй обмотке 7.

Средства вычисления 16, 18, 19 начинают выполнять измерения практически с момента начала сигнала на выходе средства 11 управления коммутаторами и ключами.

Источник опорного напряжения 15 задает величину действующего значения напряжения, которое должно быть сформировано в первый полупериод. Его выход соединен с первым входом средства сравнения 17 действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника опорного напряжения. На второй вход этого средства сравнения 17 поступает сигнал со средства 16 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод в первой обмотке 6, и выполняется сравнение измеренного действующего значения напряжения на выходе средства 16 с опорным сигналом. При достижении равенства действующего значения напряжения с опорным с выхода средства сравнения 17 на первый управляющий вход средства 11 управления коммутаторами и ключами поступает сигнал на прекращение формирования напряжения; происходит завершение измерений и установка в исходное состояние готовности к очередным измерениям.

Процессы измерений средством 18 вычисления среднего значения напряжения первого полупериода, формируемого в первой обмотке 6, и средством 16 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод в первой обмотке 6, начинаются и завершаются одновременно.

Измеренное среднее значение напряжения с выхода упомянутого средства вычисления 16 поступает на первый вход содержащегося в канале 14 средства 20, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, где оно хранится по меньшей мере до завершения процесса формирования напряжения второго полупериода. Когда измеряемые сигналы второго полупериода с выходного измерительного вывода коммутатора 10 поступают на вход средства вычисления среднего значения напряжения 19, последний начинает выполнять вычисления с момента поступления начала сигнала. Напряжение с выхода средства вычисления 19, пропорциональное среднему значению напряжения, сформированного во второй полупериод, поступает на первый вход средства 21 сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода; на его второй вход с выхода запоминающего средства 20 подается напряжение, пропорциональное среднему значению напряжения, сформированного в первый полупериод. При равенстве этих напряжений на выходе средства 21 сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода формируется сигнал, который поступает на второй вход средства 11 управления коммутаторами и ключами, и формирование напряжения второго полупериода завершается. Одновременно с выхода упомянутого средства сравнения 21 сигнал подается также на второй вход запоминающего средства 20, устанавливая его в исходное состояние готовности к очередному запоминанию.

Равенство вольт-секундных площадей первого и второго полупериода, которое обеспечивается при формировании второго полупериода, предотвращает возникновение и накапливание одностороннего насыщения магнитопровода трансформатора.

Средства вычисления 16, 18, 19 после каждого завершения измерений за соответствующий полупериод автоматически устанавливаются в исходное состояние готовности к очередным измерениям.

Средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, содержатся в каналах 13 и 14, но в других вариантах исполнения средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, могут быть установлены в других местах, например в коммутаторах 9, 10, а не в каналах 13 и 14.

В схеме инвертора фиг.2 применен сдвоенный ключ 22, подсоединенный к концам последовательно соединенных обмоток 6, 7. Это уменьшает коммутируемые напряжения на ключах. При отключенных коммутаторами 9, 10 от источника питания обмотках 6, 7 ключом 22 осуществляется короткое замыкание каждой из обмоток 6, 7. В остальном устройство и работа аналогичны фиг.1.

В схеме инвертора фиг.3 введены средства 23 и 24, которые входят в состав каналов 13 и 14.

Первое средство 23 предназначено для выделения с второй обмотки 7 напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора при формировании в первой обмотке 6 первого полупериода напряжения. Второе средство 24 предназначено для выделения с первой обмотки 6 напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора при формировании во второй обмотке 7 второго полупериода напряжения. Средства 23, 24 подсоединены входами непосредственно к обмоткам 7 и 6 соответственно с первой обмотки 6 при формировании во второй обмотке 7 напряжения второго полупериода. Средство 23 выполнено с возможностью воспринимать сигналы со второй обмотки 7 при формировании в первой обмотке 6 напряжения второго полупериода. Оба средства 23, 24 содержат схемы с полупроводниковыми ключами, которые управляются средством 11, и активные сопротивления, подсоединяемые как нагрузка к обмоткам. Активные сопротивления в частном случае могут быть подсоединены к обмоткам постоянно, а не через упомянутые ключи.

При формировании в первой обмотке 6 напряжения первого полупериода коммутатор 10 замкнут, а коммутатор 9 разомкнут, и ключ средства 23 замкнут, а ключ средства 24 разомкнут. По первой обмотке 6 протекает ток источника питания и формируется первый полупериод, а индуцируемые во второй обмотке 7 сигналы обрабатываются в канале 13. После завершения формирования первого полупериода коммутатор 10 разомкнут, а коммутатор 9 еще не замкнут; в этот промежуток времени замыкается ключ 22, который размыкается до замыкания коммутатора 9. Возможное остаточное намагничивание магнитопровода трансформатора при этом ликвидируется.

При формировании во второй обмотке 7 напряжения второго полупериода коммутатор 9 замкнут, а коммутатор 10 разомкнут, и ключ средства 24 замкнут, а ключ средства 23 разомкнут. По второй обмотке 7 протекает ток источника питания и формируется второй полупериод, а индуцируемые в первой обмотке 6 сигналы обрабатываются в канале 14. После завершения формирования коммутатор 9 разомкнут, а коммутатор 10 еще не замкнут; в этот промежуток времени замыкается ключ 22, который размыкается до замыкания коммутатора 10.

Затем циклы повторяются.

В остальном устройство и работа аналогичны фиг.1.

В частном случае коммутаторы 9, 10 могут быть в виде ключей, например, транзисторных, а схемы для измерения напряжений подключены к выводам обмоток постоянно и содержат средства управления их работой в требуемые промежутки времени, а также средства защиты их от перегрузок по входу при подаче питания на обмотки. Возможны и другие способы и средства передачи сигналов на нужное средство в нужное время.

Кроме того, в частном случае возможно объединение каналов 13, 14 и выполняемых ими функций в одно средство, реализованное с возможностью выполнения в первый полупериод функций одного канала, а во второй полупериод - второго.

Поочередное использования одних и тех же обмоток трансформатора в качестве силовых и измерительных позволяет упростить конструкцию, оптимизировать размеры и массу магнитопроводов трансформаторов.

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.

Например, при практической реализации данного решения отклонение на 20 процентов среднего значения входного напряжения во время формирования второго импульса по отношению к среднему значению входного напряжения во время формирования первого импульса действующее значение выходного напряжения отличается от заданной величины не более чем на 5 процентов.

Таким образом, предложенное решение позволяет без введения дополнительных конструктивных элементов исключить громоздкие и сложные функциональные узлы, средства контроля и управления, используемые в известных схемах инверторов для предотвращения одностороннего насыщения трансформатора.

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 Н 02 М 7/539, Преобразователь постоянного напряжения в переменное заданной формы.

5. Патент РФ №2035833, МПК Н 02 М 7/538, Способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Инветор-преобразователь постоянного напряжения в переменное со стабилизацией действующего значения выходного напряжения, содержащий силовой трансформатор с первой и второй последовательно соединенными первичными обмотками, точка соединения которых подключена к одному выводу для источника питания, а концы первой и второй обмоток через управляемые коммутаторы подсоединены к второму выводу для источника питания; средство управления коммутаторами, предназначенное для поочередного подключения этих обмоток к второму выводу для источника питания с целью начала формирования первого полупериода переменного напряжения в первой обмотке, и начала формирования второго полупериода - во второй обмотке, тактовый генератор, выход которого подключен к средству управления коммутаторами, отличающийся тем, что дополнительно введены средствам выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, подсоединенные входами к первой и второй обмотками, и выполненные с возможностью воспринимать сигналы со второй обмотки при формировании в первой обмотке напряжения первого полупериода, и воспринимать сигналы с первой обмотки при формировании во второй обмотке напряжения второго полупериода; средство вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод в первой обмотке, подсоединенное входом к средству выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, снимаемого со второй обмотки трансформатора; источник опорного напряжения, пропорционального заданной величие 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 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 средства управления коммутаторами, который предназначен для прекращения формирования напряжения первого полупериода при достижении равенства действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением; средство вычисления среднего значения напряжения первого полупериода, формируемого в первой обмотке, подсоединенное входом к средству выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, снимаемого со второй обмотки; средство, запоминающее среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, подсоединенное входом к выходу средства вычисления среднего значения сформированного напряжения первого полупериода; средство вычисления среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого во второй обмотке, подсоединенное входом к средству выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания сердечника трансформатора, снимаемого с первой обмотки; средство сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода, подсоединенное входами к выходу средства вычисления среднего значения текущего напряженного полупериода, формируемого во второй обмотке, и к выходу средства, запоминающего среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, а выход этого средства сравнения соединен с тем входом средства управления коммутаторами, который предназначен для прекращения формирования напряжения второго полупериода при равенстве среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода; и, кроме того, с целью устранения остаточного намагничивания магнитопровода трансформатора, параллельно по меньшей мере одной из обмоток трансформатора подсоединен управляемый средством управления коммутаторами ключ для короткого замыкания этой обмотки, выполненный с возможностью замыкать эту обмотку только при одновременно разомкнутых коммутаторах питания первой и второй обмоток, когда эти обмотки отключены от источника питания.








ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru