Однофазный автономный инвертор напряжения Российский патент 2023 года по МПК H02M7/483 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электромеханических систем, например, при создании систем генерирования переменного тока, в различных системах вторичного электропитания, в системах компенсации резкого изменения мощности.

Известен однофазный автономный инвертор напряжения (описанный в патенте RU 2279754 C1, однофазный мостовой транзисторный инвертор, автор: Магазинник Лев Теодорович. Опубликовано: 10.07.2006 Бюл. № 19), который содержит транзисторный мост, обратный диодный мост, трансформатор, первичная обмотка которого последовательно с конденсатором включена в диагональ переменного тока транзисторного моста, а вторичная обмотка соединена с нагрузкой, транзисторного ключа, управляемого оптоэлектронной логической схемой «И», состоящей из двух оптоэлектронных пар, которые своими светодиодами, соединенными согласно-последовательно, подключены через свои токоограничивающие резисторы к сетевому выпрямителю в проводящем ток направлении, а общей точкой подключены к одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста, двумя одноименными фотодиодами, также соединенными согласно-последовательно, но в непроводящем направлении, связаны свободным анодом с положительным выводом управляющего входа транзисторного ключа, отрицательный вывод которого подключен к "минусу" сетевого выпрямителя, также содержащий типовую систему управления инвертором, выполненную по принципу широтно-импульсной модуляции, транзисторный ключ выполнен униполярным и включен между точкой соединения конденсатора с первичной обмоткой трансформатора и общей точкой двух дополнительных обратных диодов, не связанных с диагональю переменного тока транзисторного моста.

В указанном однофазном автономном инверторе напряжения существенным недостатком является то, что отсутствует возможность повышения выходного напряжения, увеличения количества уровней выходного напряжения, а, следовательно, улучшения качества выходного напряжения, работы с пониженным источником постоянного напряжения.

Кроме того, известен однофазный автономный инвертор напряжения (описанный в патенте RU 159218 U1, однофазный преобразователь напряжения, авторы: Брованов Сергей Викторович, Гришанов Евгений Валерьевич. Опубликовано: 10.02.2016 Бюл. № 4), являющийся прототипом предлагаемого изобретения, который содержит конденсаторное звено постоянного тока и две транзисторные стойки, каждая из которых имеет последовательно включенные четыре транзистора, в каждой стойке имеется вывод для подключения к сети, конденсаторное звено постоянного тока состоит из четырёх конденсаторов соединённых последовательно, которые образуют три общие узла соединения, при этом первый общий узел подключен к входам первого и второго двунаправленного ключа, второй общий узел соединен к входам третьего и четвертого двунаправленного ключа, а третий общий узел соединен к входам пятого и шестого двунаправленного ключа, выводы первого и четвертого двунаправленного ключа соединены с эмиттером первого транзистора первой транзисторной стойки, выводы второго и третьего двунаправленного ключа подключены к эмиттеру первого транзистора второй транзисторной стойки, вывод пятого двунаправленного ключа подключен к эмиттеру третьего транзистора первой транзисторной стойки, вывод шестого двунаправленного ключа подключен к эмиттеру третьего транзистора второй транзисторной стойки.

В указанном однофазном автономном инверторе напряжения существенным недостатком является то, что отсутствует возможность повышения выходного напряжения, работы с пониженным источником постоянного напряжения.

Задачей (техническим результатом) предлагаемого изобретения является повышение выходного напряжения, увеличение количества уровней выходного напряжения, а, следовательно, улучшение качества выходного напряжения, работа с пониженным источником постоянного напряжения.

Поставленная задача достигается тем, что однофазный автономный инвертор напряжения, содержит конденсаторное звено постоянного тока и две транзисторные стойки, каждая из которых имеет последовательно включенные два транзистора, в каждой стойке имеются выводы для подключения к сети, конденсаторов соединенных с помощью управляемых двунаправленных ключей, группу управляемых двунаправленных ключей состоит из управляемых двунаправленных ключей для. Конденсаторное звено постоянного тока состоит из конденсаторов соединённых последовательно с помощью управляемых двунаправленных ключей, так, что между двумя конденсаторами установлен один управляемый двунаправленный ключ. Одним выводом последний по счету конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения. Вторым выводом источник постоянного напряжения подключен к узлу соединения данного конденсатора с управляемым двунаправленным ключом. К узлу соединения источника постоянного напряжения и управляемого двунаправленного ключа, установленного между конденсаторами, подключен еще один управляемый двунаправленным ключ, который свободным концом подключен к свободному выводу последующего конденсатора. Следующий управляемый двунаправленный ключ подключен к узлу соединения управляемого двунаправленного ключа, установленного между конденсаторами, с последующим конденсатором, а оставшимся выводом подключен к узлу соединения последнего по счету конденсатора и источника постоянного напряжения. К первому по счету конденсатору подключен один вывод транзисторных стоек, а к последнему конденсатору второй вывод транзисторных стоек.

На фиг. 1 приведена структурная схема предлагаемого устройства. На фиг. 2 представлена векторная диаграмма, поясняющая способ работы преобразователя. На фиг. 3 представлены эпюры, поясняющие алгоритм работы однофазного автономного инвертора напряжения. На фиг. 4 представлена векторная диаграмма, поясняющая способ работы преобразователя. На фиг. 5 представлены эпюры, поясняющие алгоритм работы однофазного автономного инвертора напряжения.

Устройство однофазный автономный инвертор напряжения (Фиг. 1) содержит конденсаторов (на фиг. 1, ), соединенных с помощью управляемых двунаправленных ключей. На фиг. 1 однофазный автономный инвертор напряжения содержит сеть синусоидального напряжения – 1, которая через дроссели 2 и 3 подключена к выводам транзисторных стоек 4 и 5. Первая стойка состоит из двух последовательно соединенных транзисторов 6-7. Вторая стойка так же состоит из двух последовательно соединенных транзисторов 8-9. Исток транзистора 6 подключен к стоку транзистора 7. Исток транзистора 8 подключен к стоку транзистора 9. К узлу соединения транзисторов 6 и 7 подключен дроссель 2. К узлу соединения транзисторов 8 и 9 подключен дроссель 3. Стоки транзисторов 6 и 8 соединены. Истоки транзисторов 7 и 9 соединены. К узлу соединения стоков транзисторов 6 и 8 подключен конденсатор 10. К узлу соединения истоков транзисторов 7 и 9 подключен конденсатор 11. К свободным выводам конденсаторов 10 и 11 подключен управляемый двунаправленный ключ 12. К узлу соединения конденсатора 8 и управляемого двунаправленного ключа 12 подключен управляемый двунаправленный ключ 13. Управляемый двунаправленный ключ 13 оставшимся выводом подключен к узлу соединения истоков транзисторов 7, 9 и конденсатора 11. К узлу соединения стоков транзисторов 6, 8 и конденсатора 10 одним выводом подключен управляемый двунаправленный ключ 14, вторым выводом данный управляемый двунаправленный ключ подключен к узлу соединения конденсатора 11 и управляемого двунаправленного ключа 12. К узлу соединения конденсатора 11 и управляемых двунаправленных ключей 12 и 14 подключен одним выводом источник постоянного напряжения 15 – в данном случае солнечный фотоэлектрический модуль. Оставшимся выводом источника постоянного напряжения 15 подключен к узлу соединения истоков транзисторов 7, 9, конденсатора 11 и управляемого двунаправленного ключа 13. Управляющие входы транзисторов 6-9 и управляющие входы двунаправленных ключей 12-14 подключены к блоку широтно-импульсной модуляции (ШИМ) 16, который в свою очередь подключен к блоку управления 17.

Устройство – однофазный автономный инвертор напряжения (Фиг. 1) работает следующим образом. Источник постоянного напряжения – солнечный фотоэлектрический модуль 15 генерирует постоянное напряжение, которое подается на звено постоянного тока, состоящее из двух конденсаторов 10-11. Однофазный автономный инвертор напряжения (совокупность транзисторов 6-9 и двунаправленных ключей 12-14) на зажимах 4 и 5 формирует переменное напряжение, под действием которого в сеть 1 генерируется переменный ток, сглаживаемый дросселями 2 и 3. Блок управления 17 вырабатывает сигналы, которые подаются в блок ШИМ 16, который распределяет импульсы по транзисторам и двунаправленным ключам для формирования соответствующего переменного напряжения.

При этом минимальная величина емкости конденсаторов определяется следующим соотношением: , где – действующие напряжение на выводах 4 и 5; - выходная мощность, – частота ШИМ.

Для работы однофазного автономного инвертора напряжения в двухуровневом режиме, векторная диаграмма которого приведена на фиг.2, управляемые двунаправленные ключи 13 и 14 замкнуты, управляемый двунаправленный ключ 12 – разомкнут. Для формирования выходного синусоидального напряжения используются только транзисторы 6-9, блок управления 17 работает в двухуровневом режиме и формирует соответствующие сигналы для блока ШИМ 16.

Для пояснения данного алгоритма введем в рассмотрение комбинации состояний ключей (КСК), которые формируются путем подключения потенциалов любого из конденсаторов звена постоянного тока к выводам 4 и 5. Набор КСК, реализующий данный алгоритм, следующий: (B;A), (A;B), (A;A), где первая буква отражает узел соответствующего конденсатора звена постоянного тока (ЗПТ), подключенного к выводу 4, а вторая к выводу 5 (Фиг.1). При этом узлу «С» соответствует потенциал , узлу «B» соответствует потенциал , узлу «А» соответствует потенциал (Фиг. 1).

При векторной широтно-импульсной модуляции необходимо формировать задающий вектор , который вращается с некоторой угловой скоростью и последовательно проходит секторы I, II, III, IV (Фиг. 2). В каждом секторе задающий вектор синтезируется при помощи двух смежных образующих векторов. Видно, что в первом секторе векторной диаграммы для синтеза используются КСК вида: (B; A) и (A;A), которым соответствуют векторы , , во втором секторе (A;B) и (A;A) – векторы ,, в третьем те же вектора, что и во втором секторе, в четвертом те же вектора, что и в первом секторе. Вектору соответствует КСК при которой замкнуты транзисторы 6 и 9, вектору – транзисторы 7 и 9, вектору – транзисторы 8 и 7. При формировании таким образом выходного напряжения были получены эпюры напряжения в двухуровневом режиме работы однофазного автономного инвертора напряжения на выводах транзисторных стоек 4 и 5, которые приведены на фиг.3.

При переходе в трехуровневый режим работы, векторная диаграмма которого приведена на фиг.4, возможно повысить напряжение на выводах транзисторных стоек. В данном случае, задающий вектор , который вращается с некоторой угловой скоростью и последовательно проходит секторы I, II, III, IV, V, VI, VII и VIII (Фиг. 4). Видно, что в первом секторе векторной диаграммы для синтеза используются КСК вида: (С; A) и (B;A), которым соответствуют векторы , , во втором секторе (B;A) и (A;A) – векторы ,, в третьем секторе (A;B) и (A;A) – векторы , , в четвертом (A;C) и (A;B) – векторы ,. Последовательности КСК в секторах V – VIII повторяют последовательности КСК в секторах IV – I соответственно. Вектору соответствует КСК при которой замкнуты транзисторы 6,9 и управляемый двунаправленный ключ 12, вектору – транзисторы 6,9 и управляемые двунаправленные ключи 13 и 14, вектору – транзисторы 9 и 7, вектору – транзисторы 6, 9 и управляемые двунаправленные ключи 13 и 14, вектору – транзисторы 6, 9 и управляемый двунаправленный ключ 11. При формировании таким образом выходного напряжения были получены эпюры напряжения в трехуровневом режиме работы однофазного автономного инвертора напряжения на выводах транзисторных стоек 4 и 5, которые приведены на фиг.5.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение выходного напряжения, увеличение количества уровней выходного напряжения, а, следовательно, улучшение качества выходного напряжения, работа с пониженным источником постоянного напряжения.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при создании электромеханических систем, например при создании систем генерирования переменного тока, в различных системах вторичного электропитания, в системах компенсации резкого изменения мощности. Однофазный автономный инвертор напряжения имеет возможность повышения выходного напряжения, увеличения количества уровней выходного напряжения, а следовательно, улучшения качества выходного напряжения, работы с пониженным источником постоянного напряжения. Это достигается тем, что однофазный автономный инвертор напряжения содержит два конденсатора, соединенные с помощью управляемых двунаправленных ключей, конденсаторное звено постоянного тока состоит из двух конденсаторов, соединённых последовательно с помощью управляемого двунаправленного ключа, так что между двумя конденсаторами установлен один управляемый двунаправленный ключ, одним выводом последний по счету конденсатор подключен к источнику постоянного напряжения, вторым выводом источник постоянного напряжения подключен к узлу соединения данного конденсатора с управляемым двунаправленным ключом, к узлу соединения источника постоянного напряжения и управляемого двунаправленного ключа, установленного между конденсаторами, подключен еще один управляемый двунаправленным ключ, который свободным концом подключен к свободному выводу последующего конденсатора, следующий управляемый двунаправленный ключ подключен к узлу соединения управляемого двунаправленного ключа, установленного между конденсаторами, с последующим конденсатором, а оставшимся выводом подключен к узлу соединения последнего по счету конденсатора и источника постоянного напряжения, к первому по счету конденсатору подключен один вывод транзисторных стоек, а к последнему конденсатору второй вывод транзисторных стоек. 5 ил.

Однофазный автономный инвертор напряжения, содержащий конденсаторное звено постоянного тока и две транзисторные стойки, каждая из которых имеет последовательно включенные два транзистора, в каждой стойке имеются выводы для подключения к сети и входные выводы, отличающийся тем, что конденсаторное звено постоянного тока состоит из двух конденсаторов, соединённых последовательно так, что между двумя конденсаторами установлен первый управляемый двунаправленный ключ, одним выводом второй конденсатор конденсаторной цепи подключен к первому выводу источника постоянного напряжения, второй вывод источник постоянного напряжения подключен к узлу соединения второго конденсатора с первым управляемым двунаправленным ключом, к узлу соединения второго вывода источника постоянного напряжения и первого управляемого двунаправленного ключа подключен второй управляемый двунаправленный ключ, который свободным выводом подключен к свободному выводу первого конденсатора, третий управляемый двунаправленный ключ подключен одним выводом к узлу соединения первого управляемого двунаправленного ключа с первым конденсатором, а другим выводом подключен к узлу соединения второго конденсатора и первого вывода источника постоянного напряжения, к свободному выводу первого конденсатора подключен первый входной вывод транзисторных стоек, а к свободному выводу второго конденсатора подключен второй входной вывод транзисторных стоек.