Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками
Владельцы патента RU 2637112:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем морских технологий Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИПМТ ДВО РАН) (RU)
Изобретение относится к области электротехники, в частности к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный, и наоборот, постоянного тока в переменный с использованием полупроводниковых приборов: транзисторов и диодов. Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками содержит вентильный коммутатор и LC-двухполюсник, который образован последовательным включением реактора и конденсатора. Первый внешний зажим последовательного LC-двухполюсника, присоединенный к реактору, подключен к первому выходному зажиму вентильного коммутатора и первому зажиму первичной обмотки трансформатора, внутренний зажим LC-двухполюсника подключен ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора, а ко второму внешнему зажиму упомянутого LC-двухполюсника подключен второй зажим первичной обмотки указанного трансформатора. Технический результат устройства выражается в уменьшении тока первичной обмотки трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками и уменьшении тока вентильного коммутатора при сохранении максимально возможного значения передаваемой мощности. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.
Предлагаемый автономный инвертор напряжения относится к электротехнике, в частности к устройствам для преобразования переменного тока в постоянный, и наоборот, постоянного тока в переменный с использованием полупроводниковых приборов: транзисторов и диодов.
Известно применение автономного инвертора напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками (Патент РФ №2401496 «Устройство для зарядки аккумуляторной батареи подводного объекта», заявл. 25.06.2009, опубл. 10.10.2010. Бюл. №28, фиг. 1). Устройство содержит автономный инвертор напряжения, его входные клеммы, к которым подключен также фильтрующий конденсатор, подсоединены к источнику постоянного напряжения, а к выходным клеммам автономного инвертора подсоединена первичная обмотка трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками. К зажимам вторичной обмотки указанного трансформатора подсоединен выпрямитель, к выходным зажимам которого присоединен конденсатор сглаживающего фильтра и нагрузка. Первичная и вторичная обмотки трансформатора находятся в двух разных блоках, защищенных герметичными оболочками. Каждая из оболочек имеет выполненную из изоляционного материала контактную стенку, толщина которой достигает нескольких миллиметров. В рабочем режиме конструктивные блоки находятся под водой, наружные контактные поверхности этих стенок плотно прилегают одна к другой. Ко вторым противоположным контактным поверхностям этих стенок плотно прилегают в одном конструктивном блоке торец первичной обмотки трансформатора повышенной частоты, а в другом конструктивном блоке - торец вторичной обмотки этого трансформатора. В рабочем режиме оси обмоток совпадают, а их торцы находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Тем самым указанные обмотки образуют трансформатор, который из-за указанного расположения его обмоток имеет малое значение коэффициента связи между обмотками, где М - взаимная индуктивность между обмотками трансформатора, a L1 и L2 - индуктивности первичной и вторичной обмоток.
В частности, трансформатор указанного назначения, который предназначен для питания от инвертора с напряжением 312 В и частотой ƒ=15 кГц, имеет следующие параметры: М=30 мкГн, L1=L2=60 мкГн, k=0,5.
Если пренебречь малыми величинами: активными сопротивлениями обмоток трансформатора и падениями напряжений в прямом направлении на диодах выпрямителя, то при холостом ходе трансформатора, когда разомкнута цепь, подключенная к выходным зажимам выпрямителя, действующее значение тока первичной обмотки и автономного инвертора напряжения обратно пропорционально индуктивности первичной обмотки
где U - напряжение инвертора.
В режиме короткого замыкания, когда выходные зажимы выпрямителя замкнуты накоротко, действующее значение тока первичной обмотки, равное току автономного инвертора напряжения, определяется выражением
Видно, что ток первичной обмотки I1КЗ при коротком замыкании из-за низкого коэффициента связи несущественно больше, чем при холостом ходе I1ХХ (для рассматриваемого примера - в 1,33 раза). Для заданных параметров трансформатора ток первичной обмотки и автономного инвертора напряжения достигает 50 А, тогда как длительно допустимый ток первичной обмотки указанного трансформатора составляет 25 А. Данное ограничение обусловлено жесткими требованиями к массе и габаритам оборудования подводного аппарата. А увеличение допустимого тока потребует увеличения сечения обмоточного провода, что приведет к повышению размера и массы обмотки трансформатора, а также сечения окна и соответственно размера и массы сердечника трансформатора.
При этом коэффициент мощности, потребляемой первичной обмоткой трансформатора, имеет индуктивный характер и очень мал (для рассматриваемого примера он составляет 0,11). Слишком малое значение коэффициента мощности является существенным недостатком аналога. Увеличенный в несколько раз выходной ток инвертора и соответственно ток первичной обмотки вызывают следующие негативные последствия:
- необходимость выбора транзисторов и диодов инвертора с завышенными номинальными токами, увеличенной массой и стоимостью;
- увеличение потерь мощности в первичной обмотке и в полупроводниковых приборах инвертора;
- усложнение проблемы отвода тепла, соответствующего этим потерям.
Известен наиболее близкий к заявляемому устройству по технической сущности, по составу его элементов и связям между ними автономный резонансный инвертор для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками (Патент РФ 2558681 «Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками», заявл. 25.03.2014, опубл. 10.08.2015. Бюл. №28, фиг. 1). Этот инвертор принят в качестве прототипа заявляемого устройства.
У прототипа автономный однофазный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками содержит вентильный коммутатор, выполненный по мостовой схеме, и последовательный LC-двухполюсник, который образован из реактора и конденсатора. Положительный входной зажим вентильного коммутатора подключен к положительному зажиму источника напряжения постоянного тока, к отрицательному зажиму которого подключен отрицательный входной зажим вентильного коммутатора, при этом положительный и отрицательный входные зажимы вентильного коммутатора являются также соответственно положительным и отрицательным входными зажимами инвертора. К выходным зажимам вентильного коммутатора подключены параллельно внешние зажимы LC-двухполюсника и зажимы первичной обмотки трансформатора, к выходным зажимам которого подключена нагрузка.
Первая гармоника выходного тока вентильного коммутатора уменьшена, по сравнению с аналогом, так как часть ее скомпенсирована с помощью LC-двухполюсника, который включается параллельно первичной обмотке трансформатора и на частоте первой гармоники обладает свойством емкостного элемента. При этом резонансная частота ƒ0 LC-двухполюсника превосходит частоту коммутации инвертора ƒ. Соответственно ƒ0=m ƒ, где m≥1, а индуктивность реактора и емкость конденсатора последовательного LC-двухполюсника определяются формулами, которые получены при пренебрежении активными сопротивлениями обмоток трансформатора
где 
- входная индуктивность трансформатора.
Формулы (3) показывают, что приближение параметра m к единице приводит к большему подавлению высших гармоник тока LC-двухполюсника и снижению действующего значения этого тока, а также тока инвертора. Однако при этом увеличиваются напряжения, размеры, масса и стоимость реактора и конденсатора.
Наличие LC-двухполюсника практически не влияет на форму и значения токов первичной и вторичной обмоток трансформатора. Отсюда следует, что прототипу в полной мере присущ недостаток, совпадающий с указанным недостатком аналога по отношению к току первичной обмотки трансформатора. Это увеличенный ток первичной обмотки трансформатора.
Согласно выражениям (1, 2), уменьшить ток трансформатора без увеличения его габаритов можно, повысив частоту ƒ коммутации транзисторов инвертора либо снизив напряжение U1 на входе инвертора с помощью понижающего преобразователя. Эти решения имеют следующие последствия:
- повышение частоты ƒ коммутации транзисторов инвертора приведет к увеличению потерь мощности в полупроводниковых приборах инвертора и усложнению проблемы отвода тепла, соответствующего этим потерям;
- введение дополнительного преобразователя приведет к увеличению массы и габаритов устройства, а также к дополнительным потерям мощности в этом преобразователе.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является уменьшение тока первичной обмотки трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками и уменьшение тока вентильного коммутатора при сохранении максимально возможного значения передаваемой мощности.
Поставленная задача достигается тем, что в автономном инверторе напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками, содержащем вентильный коммутатор, положительный и отрицательный входные зажимы которого являются также соответственно положительным и отрицательным входными зажимами инвертора, и LC-двухполюсник, который образован последовательным включением реактора и конденсатора, при этом положительный входной зажим вентильного коммутатора подключен к положительному зажиму источника напряжения постоянного тока, к отрицательному зажиму которого подключен отрицательный входной зажим вентильного коммутатора, а первый внешний зажим последовательного LC-двухполюсника, присоединенный к реактору, подключен к первому выходному зажиму вентильного коммутатора и первому зажиму первичной обмотки трансформатора, причем зажимы вторичной обмотки трансформатора подключены к нагрузке, при этом внутренний зажим последовательного LC-двухполюсника подключен ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора, а ко второму внешнему зажиму упомянутого LC-двухполюсника подключен второй зажим первичной обмотки указанного трансформатора.
Поставленная задача достигается также тем, что резонансная частота состоящего из двух ветвей параллельного резонансного контура, у которого первую ветвь образует реактор LC-двухполюсника, а вторая ветвь состоит из последовательно включенных первичной обмотки трансформатора и конденсатора LC-двухполюсника, равна частоте первой гармоники выходного напряжения этого инвертора.
Отличительные признаки предлагаемого решения выполняют следующие функциональные задачи:
- признак 1: «…внутренний зажим последовательного LC-двухполюсника подключен ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора, а ко второму внешнему зажиму упомянутого LC-двухполюсника подключен второй зажим первичной обмотки указанного трансформатора» обеспечивает включение параллельно выходу вентильного коммутатора не первичной обмотки трансформатора, а реактора LC-двухполюсника. При этом ток, проходящий по последовательно включенным первичной обмотке трансформатора и конденсатору LC-двухполюсника, обратно пропорционален индуктивности реактора LC-двухполюсника. Тем самым открывается возможность уменьшить ток первичной обмотки трансформатора;
- признак 2: «…резонансная частота состоящего из двух ветвей параллельного резонансного контура, у которого первую ветвь образует реактор последовательного LC-двухполюсника, а вторая ветвь состоит из последовательно включенных первичной обмотки трансформатора и конденсатора последовательного LC-двухполюсника, равна частоте первой гармоники выходного напряжения этого инвертора» обеспечивает то, что первая гармоника тока, проходящего по первичной обмотке трансформатора и конденсатора LC-двухполюсника, соответствует емкостному режиму нагрузки источника напряжения переменного тока. Эта гармоника тока первичной обмотки трансформатора и конденсатора LC-двухполюсника компенсирует часть первой гармоники тока, проходящего по реактору LC-двухполюсника и соответствующего индуктивному режиму нагрузки источника напряжения переменного тока и соответствующего индуктивному режиму нагрузки источника напряжения переменного тока. Тем самым достигается уменьшение тока первичной обмотки трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками и уменьшение тока вентильного коммутатора при сохранении максимально возможного значения передаваемой мощности.
Технический результат, который достигается при решении поставленной задачи, выражается в следующем. Предлагаемое изменение структуры автономного инвертора напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками: включение параллельно выходу инвертора не первичной обмотки трансформатора, а реактора LC-двухполюсника - позволяет уменьшить первую гармонику тока первичной обмотки трансформатора. Этот эффект приводит к следующим последствиям:
- уменьшаются потери мощности в первичной обмотке;
- упрощается проблема отвода тепла, соответствующего этим потерям.
На основании изложенного можно заключить, что совокупность существенных признаков заявленного изобретения имеет причинно-следственную связь с достигнутым техническим результатом, т.е. благодаря этой совокупности существенных признаков изобретения стало возможным решение поставленной задачи. Следовательно, заявленное изобретение является новым, обладает изобретательским уровнем и пригодно для использования.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где
на фиг. 1 представлена электрическая структурная схема автономного инвертора, предназначенного для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками;
на фиг. 2 приведены графики зависимостей напряжения на нагрузке от тока нагрузки UH=ƒ(IH) для заявляемого устройства (кривая 1), а также для прототипа при исходном значении питающего напряжении (кривая 2) и при сниженном питающем напряжении, соответствующем ограничению тока первичной обмотки трансформатора заданным допустимым значением (кривая 3);
на фиг. 3 приведены зависимости тока первичной обмотки трансформатора от тока нагрузки I1=ƒ(IH) для заявляемого устройства (кривая 1), а также для прототипа при исходном значении питающего напряжении (кривая 2) и при сниженном питающем напряжении, соответствующем ограничению тока первичной обмотки трансформатора заданным допустимым значением (кривая 3).
Как следует из фиг. 1, вход инвертора 1 подключен к источнику 2 напряжения постоянного тока, а его выход через трансформатор 3 с низким коэффициентом связи между его обмотками питает нагрузку 4. Инвертор 1 содержит вентильный коммутатор 5, последовательный LC-двухполюсник 6, состоящий из реактора 7 с индуктивностью LP и конденсатора 8 с емкостью СР. Положительный входной зажим 9 и отрицательный входной зажим 10 вентильного коммутатора 5 являются входными зажимами инвертора 1.
Первый выходной зажим 11 вентильного коммутатора 5 подключен к первому внешнему зажиму 12 LC-двухполюсника 6, присоединенному к реактору 7, а ко второму выходному зажиму 13 вентильного коммутатора 5 подключен внутренний зажим 14 LC-двухполюсника 6. Между первым внешним зажимом 12 и вторым внешним зажимом 15 LC-двухполюсника 6 включена первичная обмотка 16 трансформатора 3. Вторичная обмотка 17 трансформатора 3 подключена к нагрузке 4.
Автономный инвертор 1 напряжения, предназначенный для питания нагрузки 4 через трансформатор 3 с низким коэффициентом связи между его обмотками, работает следующим образом.
После подключения инвертора 1 к источнику 2 работа инвертора 1 и других элементов, показанных на фиг. 1, начинается после того как будет обеспечено взаимное расположение первичной 16 и вторичной 17 обмоток, соответствующее рабочему режиму инвертора 1. В этом режиме оси обмоток совпадают, а их торцы находятся на минимальном расстоянии друг от друга. Тем самым указанные обмотки образуют трансформатор, который имеет малое значение коэффициента связи между обмотками 16 и 17.
Выходное напряжение вентильного коммутатора 5 представляет собой периодическую последовательность симметричных прямоугольных биполярных импульсов с частотой ƒ. Падения напряжения в транзисторах и диодах коммутатора 5, при их проводящем состоянии, пренебрежимо малы по сравнению с напряжением U источника 2. Поэтому можно считать, что амплитуда прямоугольных биполярных импульсов выходного напряжения вентильного коммутатора 5 не зависит от нагрузки этого коммутатора 5 и равна U. При моделировании работы предлагаемого изобретения и экспериментального исследования его макета напряжение U источника 2 принято равным 312 В, частота ƒ выходного напряжения вентильного коммутатора 5 равна 15 кГц. Параметры трансформатора 3 имеют те же значения, что и у приведенного выше примера для аналога: взаимная индуктивность между обмотками 16 и 17 М=30 мкГн, индуктивность первичной обмотки 16 L1=60 мкГн, индуктивность вторичной обмотки 17 L2=60 мкГн, коэффициент связи между обмотками k=0,5, активное сопротивление первичной обмотки 16 R1=45 мОм и вторичной обмотки 17 R2=45 мОм.
Нагрузка 4, которая, как правило, содержит однофазный мостовой выпрямитель, выходной фильтр и потребителя электроэнергии, может быть представлена в виде активного сопротивления. Достаточно высокая точность анализа работы исследуемого устройства сохраняется при пренебрежении падениями напряжения в соединительных проводах и в активных сопротивлениях обмоток трансформатора 3. Результаты схемотехнического моделирования и экспериментального исследования подтверждают допустимость указанных упрощений. С учетом этих допущений, форма и амплитудные значения тока реактора 7 LC-двухполюсника 6 определяются выходным напряжением вентильного коммутатора 5. Форма тока реактора 7 LC-двухполюсника 6 пилообразная, а модуль действующего значения этого тока определяется формулой
Потери мощности в полупроводниковых приборах вентильного коммутатора 5 снижены благодаря уменьшению первой гармоники выходного тока вентильного коммутатора 5, так как ее индуктивная часть, потребляемая реактором 7, скомпенсирована с помощью цепи, включенной параллельно реактору 7. Эта цепь, образованная последовательным включением конденсатора 8 и первичной обмотки 16 трансформатора 3, обладает свойством емкостного элемента. Частота выходного напряжения вентильного коммутатора 5 определяется формулой
Форма тока первичной обмотки 16 трансформатора 3 близка к последовательности полусинусоидальных импульсов, а модуль действующего значения этого тока определяется формулой
Из формул (5) и (6) можно найти зависимости, определяющие индуктивность реактора 7 и конденсатора 8 последовательного LC-двухполюсника 6
Для рассматриваемого примера, для ограничения тока первичной обмотки 16 значением I1=19 А, необходимо иметь следующие значения параметров LC-двухполюсника 6: LP=175 мкГн, СР=0,48 мкФ.
С использованием этих параметров было выполнено схемотехническое моделирование, результаты которого приведены на фиг. 2 и 3. При этом учитывались падения напряжения в транзисторах и диодах вентильного коммутатора 5, а также на соединительных проводах и на активных сопротивлениях обмоток трансформатора 3. При моделировании для трансформатора прототипа были приняты такие же параметры, как и для заявляемого устройства.
На фиг. 2 приведены графики зависимостей напряжения на нагрузке от тока нагрузки UH=ƒ(IH) для заявляемого устройства (кривая 1), а также для прототипа (кривые 2 и 3). Кривая 2 соответствует напряжению питания инвертора, равному напряжению питания заявляемого устройства, при этом передаваемая мощность прототипа соответствует номинальной.
На фиг. 3 показано, что ток первичной обмотки 16 заявляемого устройства (кривая 1) при изменении нагрузки 4 от холостого хода до короткого замыкания находится в диапазоне I1=19,7..23,7 А, тогда как для прототипа ток первичной обмотки прототипа (кривая 2) при этих же условиях изменяется в пределах от 49,8 до 66,4 А. Снижение тока первичной обмотки прототипа до заданного значения (19 А) можно обеспечить путем снижения напряжения питания. При этом соответственно снижается и передаваемая мощность, которая при принятых условиях оказывается равной 15,1% от номинальной. Этот же результат, то есть ограничение тока первичной обмотки заданным допустимым значением 19 А, в заявляемом устройстве обеспечивается при передаваемой мощности 28% от номинальной. Таким образом, поставленная задача уменьшения тока первичной обмотки трансформатора с низким коэффициентом связи между его обмотками и уменьшения тока вентильного коммутатора при сохранении максимально возможного значения передаваемой мощности в заявляемом устройстве решена.
1. Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками, содержащий вентильный коммутатор, положительный и отрицательный входные зажимы которого являются также соответственно положительным и отрицательным входными зажимами инвертора, и LC-двухполюсник, который образован последовательным включением реактора и конденсатора, при этом положительный входной зажим вентильного коммутатора подключен к положительному зажиму источника напряжения постоянного тока, к отрицательному зажиму которого подключен отрицательный входной зажим вентильного коммутатора, а первый внешний зажим последовательного LC-двухполюсника, присоединенный к реактору, подключен к первому выходному зажиму вентильного коммутатора и первому зажиму первичной обмотки трансформатора, причем зажимы вторичной обмотки трансформатора подключены к нагрузке, отличающийся тем, что внутренний зажим последовательного LC-двухполюсника подключен ко второму выходному зажиму вентильного коммутатора, а ко второму внешнему зажиму упомянутого LC-двухполюсника подключен второй зажим первичной обмотки указанного трансформатора.
2. Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками по п. 1, отличающийся тем, что резонансная частота состоящего из двух ветвей параллельного резонансного контура, у которого первую ветвь образует реактор последовательного LC-двухполюсника, а вторая ветвь состоит из последовательно включенных первичной обмотки трансформатора и конденсатора последовательного LC-двухполюсника, равна частоте первой гармоники выходного напряжения этого инвертора.
