Автономный инвертор напряжения для питания нагрузки через трансформатор с низким коэффициентом связи между его обмотками

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 I_1КЗ при коротком замыкании из-за низкого коэффициента связи несущественно больше, чем при холостом ходе I_1ХХ (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 U_H=ƒ(I_H) 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(I_H) 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 L_P и конденсатора 8 с емкостью С_Р. 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: L_P=175 мкГн, С_Р=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 U_H=ƒ(I_H) 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.