Мостовой инвертор напряжения с защитой трансформатора от одностороннего насыщения
Владельцы патента RU 2343623:
Общество с ограниченной ответственностью "АТС-КОНВЕРС" (RU)
Предложен мостовой инвертор - преобразователь постоянного напряжения в переменное со стабилизацией действующего значения выходного напряжения с мостовым коммутатором, с защитой трансформатора от одностороннего насыщения. Имеются средства для измерения индуцированного в обмотках напряжения первого и второго полупериодов. Когда в первичной обмотке формируется первый или второй полупериод, на измерительной обмотке в это время выявляется текущее напряжение, пропорциональное ЭДС намагничивания сердечника трансформатора. Для измерения и формирования напряжения первого полупериода содержится средство вычисления действующего значения текущего напряжения, средство сравнения его с заданной величиной источника опорного напряжения и управления окончанием формирования первого полупериода при достижении равенства, а также средства вычисления среднего значения напряжения первого полупериода и запоминания результата. Для измерения и формирования напряжения второго полупериода содержится средство вычисления среднего значения текущего напряжения и средство сравнения его с запомненным средним значением напряжения, сформированного в первый полупериод, и управления окончанием формирование второго полупериода при достижении равенства. Кроме того, для устранения остаточного намагничивания магнитопровода параллельно первичной обмотке подсоединен ключ для короткого замыкания обмотки в паузах между окончанием формирования одного полупериода и началом второго. Для предотвращения протекания сквозных токов через коммутаторы замыкание ключа для короткого замыкания обмотки - через средства задержки на время t1 относительно момента завершения формирования каждого полупериода, а запуск начала формирования каждого полупериода - через средства задержки на время (t2+13) импульсов, поступающих с первого выхода тактового генератора. Поэтому область определения при вычислениях интегралов в формулах для действующего и среднего значений напряжения изменена, и при интегрировании для каждого полупериода вместо классического 172 ограничена значением T/2-(t1+t2). При этом учитывается минимально допустимое время замкнутого состояния ключа короткого замыкания обмотки, время спада импульсов в мостовом коммутаторе и упомянутом ключе. Вследствие равенства вольт-секундных площадей первого и второго полупериодов и магнитных потоков в магнитопроводе достигается технический результат - предотвращается одностороннее насыщение трансформатора, действующее значение выходного напряжения находится в пределах допусков. Улучшена защита от остаточного намагничивания магнитопровода выходного трансформатора. В целом улучшены массогабаритные показатели. 3 ил.
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 выходного трансформатора, с выхода которого снимают переменное напряжение для подключения нагрузки. Они имеют недостаток - возникновение одностороннего насыщения магнитопровода выходного трансформатора при изменениях входного напряжения, асимметрии нагрузки или элементов схемы.
Известны устройства с устранением этого недостатка путем применения средств обнаружения магнитного насыщения магнитопровода выходного трансформатора с контролем напряжения на выходе дополнительно введенного в схему трансформатора тока.
В частности, контроль начала насыщения магнитопровода осуществляется путем контроля напряжения на выходе трансформатора тока и определения второй производной от тока в выходном трансформаторе [1]. 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 является неудовлетворительные массогабаритные показатели и сложность конструкции.
Известно также использование двух датчиков насыщения для борьбы с насыщением трансформатора, однако это существенно усложняет конструкцию [4].
Известно также решение для борьбы с насыщением трансформатора по патенту РФ [5].
В этом устройстве выполняется ограничение одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения с использованием средств выявления сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, средств сравнения его с заданным опорным сигналом, пропорциональным максимальному допустимому току намагничивания, и средств формирования управляющего сигнала, корректирующего режим перемагничивания трансформатора.
Недостаток такого устройства заключается в сложности практической реализации такого решения в конструкции, так как для этого необходимы средства выявления сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, а также для выполнения измерений и контроля магнитного поля в магнитопроводе, необходима сложная конструкция магнитопровода трансформатора, в котором требуется выделить часть магнитопровода, создать короткозамкнутый виток, охватывающий эту выделенную часть магнитопровода трансформатора, и к нему подключать средства измерения тока, что усложняет конструкцию как самого магнитопровода, так и преобразователя в целом.
Ближайшим известным аналогом является патент РФ [6].
Инвертор содержит средства, обеспечивающие на его выходе стабилизацию действующего значения напряжения в заданном диапазоне допустимых величин. Одностороннее насыщение предотвращается применением средств, которые обеспечивают равенство вольт-секундных площадей в положительный и отрицательный полупериоды формируемого напряжения и равенство магнитных потоков в магнитопроводе силового трансформатора, выполненного с двумя одинаковыми последовательно соединенными первичными силовыми обмотками, точка соединения которых подключена к одному полюсу источника питания, а концы обмоток через управляемые коммутаторы подсоединены ко второму полюсу источника питания. Кроме того, для устранения остаточного намагничивания магнитопровода трансформатора параллельно первичной обмотке трансформатора подсоединен управляемый ключ для короткого замыкания этой обмотки при одновременно разомкнутых коммутаторах питания обмоток, когда они отключены от источника питания. Однако он имеет неудовлетворительные массогабаритные показатели из-за громоздкого 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 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.
А на входах ключа короткого замыкания первичной обмотки в паузах между формируемыми напряжениями имеются средства задержки сигналов, управляющих замыканием и размыканием ключа.
Предложенное решение характеризуется следующими признаками.
Мостовой инвертор - преобразователь постоянного напряжения в переменное со стабилизацией действующего значения выходного напряжения с предотвращением одностороннего насыщения выходного трансформатора инвертора и с ключом короткого замыкания первичной обмотки 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 трансформатора при разомкнутом мостовом коммутаторе.
Признаки, отличающие предложенное решение от известных, следующие.
Тактовый генератор имеет первый и второй выходы со сдвигом выходных импульсов второго выхода на половину периода относительно 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 время задержки t1 больше времени спада импульсов в мостовом коммутаторе.
Ко второму входу ключа короткого замыкания подсоединены выходы средств формирования импульсов, задержанных на время t2 относительно импульсов с выходов тактового генератора, причем время задержки t2 больше суммы времени спада импульсов в мостовом коммутаторе и минимального допустимого времени замкнутого состояния электронного ключа короткого замыкания. Для управления запуском начала формирования каждого полупериода введены средства формирования задержанных на время (t2+t3) импульсов с выходов тактового генератора, причем t3 больше максимального времени спада импульса ключа короткого замыкания первичной обмотки трансформатора.
Выходной трансформатор содержит измерительную обмотку, к которой 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, подсоединено измерительным входом к первому выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования задержанных на время (t2+t3) импульсов, поступающих с первого выхода тактового генератора.
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 подсоединено 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, подсоединено измерительным входом к первому выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования задержанных на время (t2+t3) импульсов, поступающих с первого выхода тактового генератора.
Средство, запоминающее среднее значение напряжения, сформированного в первый полупериод, подсоединено входом к выходу средства вычисления среднего значения напряжения первого полупериода.
Средство вычисления среднего значения напряжения второго полупериода, формируемого в первичной обмотке, подсоединено измерительным входом ко второму выходу средства выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования задержанных на время (t2+t3) импульсов, поступающих со второго выхода тактового генератора.
Средство сравнения среднего значения текущего напряжения второго полупериода с запомненным средним значением напряжения первого полупериода подсоединено 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 трансформатора подсоединен первым входом через средства формирования задержанных на время t1 импульсов 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 замыкания ключа задержанными на время t1 импульсами с выходов любого из этих средств сравнения.
Вторым входом ключ короткого замыкания первичной обмотки трансформатора подсоединен к выходу средства формирования задержанных на время t2 импульсов с выходов тактового генератора с возможностью размыкания ключа задержанными на время t2 импульсами с любого из выходов тактового генератора как первого, так и второго.
Величина действующего значение напряжения Еd1 за отдельно взятый первый полупериод T1 определяется в соответствии с общей формулой
где e1 - текущее напряжение первого полупериода,
t - время.
Среднее значение ES1 напряжения за отдельно взятый первый полупериод Т1 выражается формулой
Среднее значение ЕS2 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 значение Es1 напряжения первого полупериода Т1 при этом также изменяется:
И, с учетом изложенного, среднее значение ЕS2 напряжения второго полупериода Т2 выражается формулой
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, 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, 2 и 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 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.
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 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 трансформатора;
11 - средство выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода 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 t2 относительно импульсов с выходов тактового генератора;
16, 17 - первое и второе средства формирования задержанных на время (t2+t3) 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, выполненной без отводов, подсоединен к выходу мостового коммутатора 3.
Выходной трансформатор 4 содержит измерительную обмотку 6, которая используется при выявлении напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора. Выходная обмотка 7 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 трансформатора 4 подсоединен ключ 10 короткого замыкания первичной обмотки 5 при разомкнутом мостовом коммутаторе 3.
К измерительной обмотке 6 подсоединено средство 11 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода 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.
Кроме того, в схеме имеются средства формирования импульсов с определенной задержкой относительно импульсов, поступающих на их входы.
К первому входу ключа 10 короткого замыкания подсоединен выход средства 13 формирования импульсов, задержанных на время t1 относительно момента завершения формирования каждого полупериода, причем время задержки t1 больше времени спада импульсов в мостовом коммутаторе 3.
Первый и второй выходы тактового генератора 12 через схему ИЛИ 14 и средство 15 формирования импульсов, на время 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 t2 больше суммы времени спада импульсов в мостовом коммутаторе 3 и минимального допустимого времени замкнутого состояния электронного ключа 10 короткого замыкания. Для управления запуском начала формирования каждого полупериода имеются средства 16, 17 формирования задержанных на время (t2+t3) импульсов с выходов тактового генератора 12, причем t3 больше максимального времени спада импульса ключа короткого замыкания 10 первичной обмотки 5 трансформатора 4. Средство 18 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, подсоединено измерительным входом к первому выходу средства 11 выявления напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода трансформатора 4, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства 16 формирования задержанных на время (t2+t3) 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 этого 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 трансформатора 4, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства 16 формирования задержанных на время (t2+t3) 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 трансформатора 4; а входом для запуска начала измерений - к выходу средства 17 формирования задержанных на время (t2+t3) 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 этого 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 средним значением напряжения первого полупериода подсоединен второй вход двухвходовой схемы ИЛИ 21, для замыкания ключа 10 через средство задержки 21 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.
РАБОТА МОСТОВОГО ИНВЕРТОРА.
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 схеме 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 - нагрузку измерительной обмотки 6, происходит выявление напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода 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.
Каждое формирование первого полупериода начинается с поступления импульса с первого выхода тактового генератора 12 на второй вход ключа 10 короткого замыкания через последовательно соединенные схему ИЛИ 14 и средство 15 формирования импульсов, задержанных на время 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 (t2+t3) импульсов с выходов тактового генератора 12 поступает импульс запуска начала вычислений на средство 18 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, и на средство 22 вычисления среднего значения напряжения, формируемого в первый полупериод. При этом с выхода средства 18 запускается средство 20 сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением источника 19 опорного напряжения, и далее с выхода средства 20 происходит запуск мостового коммутатора 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 трансформатора 4, напряжение поступает на вход средства 18 вычисления действующего значения напряжения, формируемого в первый полупериод, и 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 средство 20 сравнения действующего значения текущего напряжения первого полупериода с опорным напряжением завершается формирование первого 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 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 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. 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 средство 17 формирования задержанных на время t2 импульсов передается импульсный сигнал на размыкание ключа 10. Одновременно с началом задержки импульса в средстве 15, в средстве 17 формирования задержанных импульсов начинается задержка на время (t2+t3) импульса со второго выхода тактового генератора 12. Через средство 17 формирования задержанных на время (t2+t3) импульсов с выходов тактового генератора 12 поступает импульс запуска начала вычислений на средство 24 вычисления среднего значения напряжения, формируемого во второй полупериод. При этом с выхода средства 24 запускается 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 происходит запуск мостового коммутатора 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 (t2+t3) между спадом импульса при размыкании ключа 10 и фронтом импульса замыкания мостового коммутатора 3 всегда имеется гарантированная пауза. Со второго выхода средства 11 выявления на обмотке 6 напряжения, пропорционального ЭДС намагничивания магнитопровода 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 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 (t2+t3) 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 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 трансформатора.
Средства вычисления 18, 22, 24 начинают выполнять измерения практически с момента поступления задержанных на время (t2+t3) 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, выполненный на основе фиг.1, с установкой схем в исходное состояние после завершения формирования 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 (t2+t3) 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 (t2+t3) 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 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 трансформатора импульсного преобразователя напряжения.
6. Патент РФ №2282934, МПК Н02М 7/42, Инвертор напряжения с защитой 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 трансформатора при разомкнутом мостовом коммутаторе, отличающийся тем, что тактовый генератор имеет первый и второй выходы со сдвигом выходных импульсов второго выхода на половину периода относительно 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 время задержки t1 больше времени спада импульсов в мостовом коммутаторе при его размыкании; ко второму входу ключа короткого замыкания подсоединены выходы средств формирования импульсов, задержанных на время t2 относительно импульсов с выходов тактового генератора, причем время задержки t2 больше суммы времени спада импульсов в мостовом коммутаторе при его размыкании и минимального допустимого времени замкнутого состояния электронного ключа короткого замыкания; кроме того, для управления запуском начала формирования каждого полупериода, введены средства формирования задержанных на время (t2+t3) импульсов с выходов тактового генератора, причем t3 больше максимального времени спада импульса ключа короткого замыкания первичной обмотки трансформатора при размыкании этого ключа; 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 задержанных на время (t2+13) импульсов, поступающих с первого выхода тактового генератора; 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 трансформатора, а входом для запуска начала измерений - к выходу средства формирования задержанных на время (t2+t3) импульсов, поступающих с первого выхода тактового генератора;
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 задержанных на время (t2+t3) импульсов, поступающих со второго выхода тактового генератора;
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 трансформатора подсоединен первым входом через средства формирования задержанных на время t1 импульсов 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 замыкания ключа задержанными на время t1 импульсами с выходов любого из этих средств сравнения, а вторым входом - к выходу средства формирования задержанных на время t2 импульсов с выходов тактового генератора, с возможностью размыкания ключа задержанными на время t2 импульсами с любого из выходов тактового генератора, как первого, так и второго.
