Преобразователь напряжения постоянного тока в переменный Российский патент 2024 года по МПК H02M7/539 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в автономных системах электроснабжения для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока.

Известен преобразователь (патент РФ №2414802, Н02М 7/539, Бюл. №8, 2011) содержащий входной конденсатор, однофазный инверторный мост, трансформатор, реверсивный выпрямитель, выходной фильтр, систему управления инверторным мостом и систему управления реверсивным выпрямителем.

Недостатками преобразователя напряжения постоянного тока являются низкие массогабаритные показатели, показатели надежности и коэффициента полезного действия, из-за применения в составе силовой схемы 8 управляемых силовых электронных приборов.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является преобразователь (патент РФ №2420855 C1, Н02М 7/539, Бюл. №16, 2011), содержащий входной конденсатор, однофазный инвертор, выполненный на двух транзисторах, трансформатор в котором первичная и вторичная обмотки содержат средние точки, реверсивный выпрямитель, выполненных на 4 тиристорах, выходной фильтр, систему управления инвертором и систему управления реверсивным выпрямителем.

Недостатком преобразователя являются низкие показатели надежности и коэффициента полезного действия.

Техническим результатом поставленной задачи является повышение надежности работы преобразователя и его КПД.

Технический результат достигается тем, что преобразователь напряжения постоянного тока в переменное, содержащий входной конденсатор, подключенный к выводам «плюс» и «минус» источника питания, однофазный высокочастотный инвертор, выполненный на двух транзисторах, трансформатор в котором первичная и вторичная обмотки содержат средние точки, реверсивный выпрямитель, выходной фильтр, систему управления высокочастотным инвертором и систему управления реверсивным выпрямителем и выходы для подключения нагрузки, согласно изобретению имеет реверсивный выпрямитель, выполнен на двух транзисторах, к которым также встречно-параллельно подключены обратные диоды, причем средняя точка вторичной обмотки трансформатора через выходной фильтр соединена с вторым выходом преобразователя напряжения постоянного тока в переменный, начало вторичной обмотки трансформатора подключено к первому транзистору реверсивного выпрямителя, а конец вторичной обмотки трансформатора подключен ко второму транзистору реверсивного выпрямителя, выход которого объединен с выходом первого транзистора реверсивного выпрямителя, и через выходной фильтр подключены к первому выходу преобразователя напряжения постоянного тока в переменный, к первому и второму транзистору высокочастотного инвертора встречно-параллельно подключены обратные диоды, система управления высокочастотным инвертором содержит генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов, выпрямитель, сумматор, измеритель отклонения напряжения, датчик полярности высокочастотного синусоидального напряжения, первый и второй логические элементы И, первый и второй усилители импульсов, задающий генератор высокочастотного синусоидального напряжения, причем выход задающего генератора высокочастотного синусоидального напряжения подключен к входам датчика полярности высокочастотного синусоидального напряжения, сумматора и измерителя отклонения напряжения, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения постоянного тока в переменный, а выход подключен ко второму входу сумматора, выход которого подключен к входу выпрямителя, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, ко второму входу которого подключен генератор пилообразного напряжения, выход формирователя импульсов подключен к первым входам первого и второго логических элементов И, ко вторым входам этих элементов подключен датчик полярности напряжения, выходы первого и второго логических элементов И через первый и второй соответственно усилителей импульсов подключены к управляющим входам первого и второго транзисторов высокочастотного инвертора, система управления реверсивным выпрямителем содержит блок синхронизации, первый и второй компараторы, датчик полярности низкочастотного синусоидального напряжения, третий и четвертый логические элементы И, третий и четвертый усилители импульсов, задающий генератор низкочастотного синусоидального напряжения, причем первый вход блока синхронизации подключен к входу задающего генератора высокочастотного синусоидального напряжения системы управления высокочастотным инвертором, ко второму входу блока синхронизации подключен задающий генератор низкочастотного синусоидального напряжения, а выход его соединен с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы первого и второго компараторов соединены с выходом задающего генератора низкочастотного синусоидального напряжения, выход которого подключен к входу датчика полярности низкочастотного синусоидального напряжения, выходы первого и второго компараторов, подключены с первыми входами третьего и четвертого логических элементов И, вторые входы которых соединены с выходом датчика полярности низкочастотного синусоидального напряжения, выходы третьего и четвертого логических элементов И через третий и четвертый соответственно усилители импульсов подключены к управляющим входам первого и второго транзисторов реверсивного выпрямителя.

Новизна заявленного решения обусловлена тем, что преобразование напряжения постоянного тока осуществляется посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ) выходного высокочастотного напряжения инвертора, и реверсивный выпрямитель выполнен на двух транзисторах, система управления которым формирует выходное напряжение преобразователя из участков кривых высокочастотного напряжения.

По данным научно-технической и патентной литературы, авторам неизвестна заявляемая совокупность признаков, направленная на достижение технического решения, и это решение не вытекает с очевидностью из известного уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии решения изобретательскому уровню.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена функциональная схема преобразователя напряжения постоянного тока в переменный, на фиг.2 показаны диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы системы управления высокочастотным инвертором, на а) - изображены диаграммы напряжений широтно-импульсной модуляции выходного напряжения высокочастотного инвертора и формируемые на выходе высокочастотного инвертора положительная и отрицательная полуволны синусоидального напряжения и₁ и и₂ соответственно; на б) - изображены диаграммы напряжений генератора пилообразного напряжения и_ГТН и напряжений на выходе выпрямителя в при разных уровнях выходного напряжения преобразователя и_B1 и_В2 соответственно; на в) - изображены диаграммы напряжений широтно-импульсной модуляции выходного напряжения высокочастотного инвертора и формируемые на выходе высокочастотного инвертора положительная и отрицательная полуволны синусоидального напряжения и₁ и и₂ при понижении выходного напряжения преобразователя, а на фиг.3 показаны диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы системы управления реверсивным выпрямителем; на а) - изображены диаграммы задающего генератора высокочастотного синусоидального напряжения и_ЗГ1 и задающего генератора низкочастотного синусоидального напряжения и_ЗГ2; на б) - изображены управляющие импульсы, формирующие на выходе блока синхронизации; на в) - изображены управляющие импульсы, формирующие на выходе компараторов; на г) - изображены диаграммы высокочастотного напряжения на выходе инвертора и_И и напряжения на выводах преобразователя после выходного фильтра и_ВЫХ, которое формировалось из участков высокочастотного напряжения.

Преобразователь напряжения постоянного тока в переменный имеет элементы под следующими позициями:

1 - силовая схема высокочастотного инвертора;

2 - трансформатор;

3 - силовая схема реверсивного выпрямителя;

4 - система управления высокочастотным инвертором;

5 - система управления реверсивным выпрямителем;

6 - входной конденсатор;

7 и 8 - транзисторы высокочастотного инвертора;

9 и 10 - обратные диоды схемы высокочастотного инвертора;

11 и 12 - транзисторы реверсивного выпрямителя;

13 и 14 - обратные диоды схемы реверсивного выпрямителя;

15 - катушка индуктивности пассивного Г-образного LC-фильтра;

16 - конденсатор пассивного Г-образного LC-фильтра;

17 - генератор пилообразного напряжения;

18 - формирователь импульсов;

19 - выпрямитель;

20 - сумматор;

21 - измеритель отклонения напряжения;

22 - датчик полярности высокочастотного синусоидального напряжения;

23 и 24 - первый и второй логические элементы И;

25 и 26 - первый и второй усилители импульсов;

27 - задающий генератор высокочастотного синусоидального напряжения;

28 - блок синхронизации;

29 - задающий генератор низкочастотного синусоидального напряжения.

30 и 31 - первый и второй компараторы;

32 - датчик полярности низкочастотного синусоидального напряжения;

33 и 34 - третий и четвертый логические элементы И;

35 и 36 - третий и четвертый усилители импульсов.

Преобразователь содержит силовую схему высокочастотного инвертора 1, содержащую входной конденсатор 6, соединенный с источником напряжения постоянного тока U_ВХ, высокочастотные транзисторы высокочастотного инвертора 7 и 8 и обратные диоды схемы высокочастотного инвертора 9 и 10, трансформатор 2, силовую схему реверсивного выпрямителя 3, содержащую транзисторы реверсивного выпрямителя 11 и 12, обратные диоды схемы реверсивного выпрямителя 13 и 14, катушку индуктивности пассивного Г-образного LC-фильтра 15 и конденсатор пассивного Г-образного LC-фильтра 16. На чертеже показаны выводы для подключения источника напряжения постоянного тока U_ВХ и выводы для подключения нагрузки переменного тока и_ВЫХ. Обратные диоды 9 и 10 высокочастотного инвертора, 13 и 14 реверсивного выпрямителя предназначены для защиты транзисторов от перенапряжений во время коммутации. Система управления высокочастотным инвертором 4, содержит генератор пилообразного напряжения 17, формирователь импульсов 18, выпрямитель 19, сумматор 20; измеритель отклонения напряжения 21, датчик полярности высокочастотного синусоидального напряжения 22, первый и второй логические элементы И 23 и 24, первый и второй усилители импульсов 25 и 26, задающий генератор высокочастотного синусоидального напряжения 27. Система управления реверсивным выпрямителем 5, блок синхронизации 28, задающий генератор низкочастотного синусоидального напряжения 29, первый и второй компараторы 30 и 31, датчик полярности низкочастотного синусоидального напряжения 32, третий и четвертый логические элементы И 33 и 34, третий и четвертый усилители импульсов 35 и 36.

Входной конденсатор 6 соединен с источником напряжения постоянного тока с выводами «плюс» и «минус» и встречно-параллельно включенными транзисторами 7 и 8 силовой схемы высокочастотного инвертора 1, выход которой соединен с входом силовой схемы реверсивного выпрямителя 3 через трансформатор 2, имеющий в первичной и вторичной обмотках выводы средних точек, выход которого, через выходной Г-образный фильтр, выполненный на катушке индуктивности пассивного Г-образного LC-фильтра 15 и конденсаторе пассивного Г-образного LC-фильтра 16, подключается к выводам преобразователя напряжения постоянного тока в переменный, к которым подключается нагрузка. Вход системы управления высокочастотным инвертором 4, соединен с выводами для подключения нагрузки напряжения переменного тока, а ее выход с управляющими входами высокочастотных транзисторов высокочастотного инвертора 7 и 8. Вход системы управления реверсивным выпрямителем 5 соединен с выходом задающего генератора низкочастотного синусоидального напряжения 29, а ее выход с управляющими входами транзисторов реверсивного выпрямителя 11 и 12.

Преобразователь напряжения постоянного тока в переменный работает следующим образом. Напряжение источника питания постоянного тока U_ВХ прикладывается к входу силовой схеме высокочастотного инвертора 1, к встречно-параллельно выключенным высокочастотным транзисторам высокочастотного инвертора 7 и 8. Система управления высокочастотным инвертором 3 формирует управляющие сигналы, посредством широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которые открывают поочередно высокочастотный транзистор высокочастотного инвертора 7 при формировании положительной полуволны высокочастотного напряжения или высокочастотный транзистор высокочастотного инвертора 8 при формировании отрицательной полуволны высокочастотного напряжения. В результате на выходе инвертора формируется высокочастотное напряжение, которое прикладывается к первичным обмоткам трансформатора 2. Напряжение повышается до требуемого уровня для нагрузки и которое прикладывается к встречно-параллельно включенным транзисторам 11 и 12 реверсивного выпрямителя 3. Система управления реверсивным выпрямителем 5 формирует управляющие сигналы, которые открывают поочередно транзистор реверсивного выпрямителя 11 при формировании отрицательной полуволны низкочастотного напряжения или транзистор реверсивного выпрямителя 12 при формировании положительной полуволны низкочастотного напряжения. Выходной фильтр, выполнены на катушке индуктивности пассивного Г-образного LC-фильтра 15 и конденсаторе пассивного Г-образного LC-фильтра 16 улучшает качество выходного напряжения реверсивного выпрямителя, за счет подавления высших гармоник несинусоидального напряжения.

Система управления высокочастотным инвертором 4 работает следующим образом. Задающий генератор высокочастотного синусоидального напряжения 27 формирует ведущий сигнал синусоидальной формы повышенной частоты и_ЗГ1, который поступает на первый вход сумматора 20 на второй вход сумматора поступает сигнал Δи от измерителя отклонения напряжения 21, работа которого синхронизирована с частотой напряжения задающего генератора высокочастотного синусоидального напряжения 27. В номинальном режиме работы Δи=0. Сигнал с выхода сумматора 20 синусоидальной формы и_∑=и_ЗГ1 поступает на вход выпрямителя 19, а с его выхода сигнал и_В1 (фиг.2, б) поступает на первый вход формирователя импульсов 18, на второй вход которого поступает опорный сигнал и_ГТН от генератора пилообразного напряжения 17 (фиг.2, б). Когда и_ГТР<и_В1, то на выходе формирователя импульсов 18 формируются управляющие импульсы широтно-импульсной модуляции (ШИМ), которые поступают на первые входы логических элементов И 23 и 24, на вторые входы этих элементов поступает сигналы и_ДПН1 и и_ДПН2 соответственно от датчика полярности высокочастотного синусоидального напряжения 22, работа которого синхронизирована с задающим генератором низкочастотного синусоидального напряжения 29. При этом, при положительной полярности сигнала и_ЗГ1 задающего генератора высокочастотного синусоидального напряжения 27 сигнал и_ДПН1 поступает на вход логического элемента 23, а при отрицательной его полярности сигнал и_ДПН2 поступает на вход логического элемента 24. В результате, когда срабатывает логический элемент 23 управляющие импульсы и_У1 через первый усилитель импульсов 25 поступают на управляющий вход транзистора высоко-частотного инвертора 7 и на выходе высокочастотного инвертора 1 формируется положительная полуволна синусоидального высокочастотного напряжения и₁₁ (фиг.2, а). Когда срабатывает логический элемент 24 управляющие импульсы и_У2 через второй усилитель импульсов 26 поступают на управляющий вход транзистора высокочастотного инвертора 8 и на выходе высокочастотного инвертора 1 формируется отрицательная полуволна синусоидального высокочастотного напряжения и₁₂ (фиг.2, а).

Стабилизацию напряжения система управления 4 высокочастотным инвертором 1 осуществляет следующим образом. К примеру, напряжение на выходе преобразователя и_ВЫХ уменьшится (фиг.1), в этом случае увеличится сигнал рассогласования Δи на выходе измерителя отклонения напряжения 21. Это приведет к увеличению напряжения и_∑=и_ЗГ1+Δи на выходе сумматора 20, увеличиться напряжение на выходе выпрямителя 19 и_В2>и_В1 (фиг.2, б), что приведет к увеличению ширины модулирующих импульсов (фиг.2, в) и напряжения и₁₁ и и₁₂ на первичных обмотках согласующего трансформатора 2 (фиг.1) и, соответственно выходного напряжения и_ВЫХ преобразователя.

Система управления реверсивным выпрямителем 5 работает следующим образом. Задающий генератор низкочастотного синусоидального напряжения 29 формирует сигнал и_ЗГ2 пониженной частоты (фиг.3, а), который поступает на первый вход блока синхронизации 28 (фиг.1). На второй вход которого, поступает сигнал и_ЗГ1 от задающего генератора низкочастотного синусоидального напряжения 29. Когда и_ЗГ2<и_ЗГ1 на выходе блока синхронизации 28 формируются импульсы управления и_У (фиг.3, б). Управляющие импульсы и_У поступают на первые входы компараторов 30 и 31 на вторые входы которых поступает сигнал и_ЗГ2 от задающего генератора низкочастотного синусоидального напряжения 29. На выходах компараторов формируются импульсы и_К1 и и_К2 длительность которых, зависит от отношения амплитуды напряжений амплитуды напряжений и_ЗГ1/и_ЗГ2, при этом, чем больше значение отношения, тем больше по длительности импульсы на выходе компараторов (фиг.3, в). Импульсы с выхода компараторов поступают на первые входы четвертого и третьего логических элементов И 33 и 34 соответственно. На вторые входы этих логических элементов поступают сигналы и_П и и_О (фиг.1) о полярности выходного напряжения от датчика полярности низкочастотного синусоидального напряжения 32, работа которого синхронизирована с частотой сигнала и_ЗГ2 задающего генератора низкочастотного синусоидального напряжения 29. В результате когда срабатывает третий логический элемент 33 управляющие импульсы и_УЗ через третий усилитель импульсов 35 поступают на управляющий вход транзистора реверсивного выпрямителя 12 и на выходе преобразователя формируется отрицательная полуволна синусоидального напряжения и_ВЫХ (фиг.3, г). Когда срабатывает четвертый логический элемент 34 управляющие импульсы и_У4 через четвертый усилитель импульсов 36 поступают на управляющий вход транзистора реверсивного выпрямителя 11 и на выходе преобразователя формируется положительная полуволна синусоидального напряжения и_ВЫХ (фиг.3, г).

Использование в составе преобразователя высокочастотного инвертора, выполненного на двух транзисторах, с ШИМ высокочастотного напряжения, и реверсивного выпрямителя, выполненного на двух транзисторах, выходное напряжение которого формируется из участков кривых высокочастотного напряжения, выгодно отличает предлагаемый преобразователь напряжения постоянного тока в переменный от известного, так как повышается надежности работы преобразователя и его КПД.

Исследование выполнено при финансовой поддержке Кубанского научного фонда в рамках научного проекта №МФИ-20.1/27.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для преобразования напряжения постоянного тока в напряжение переменного тока. Технический результат заключается в повышении надежности преобразователя и его КПД. Технический результат достигается за счет того, что в составе преобразователя применяется высокочастотный инвертор с широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения и реверсивный выпрямитель, выполненный на двух транзисторах, имеющий систему управления, которая формирует выходное напряжение преобразователя из участков кривых высокочастотного напряжения. Преобразователь содержит силовую схему высокочастотного инвертора (1), содержащую входной конденсатор (6), соединенный с источником напряжения постоянного тока UВХ, высокочастотные транзисторы высокочастотного инвертора (7 и 8) и обратные диоды схемы высокочастотного инвертора (9 и 10), трансформатор (2), силовую схему реверсивного выпрямителя (3), содержащую транзисторы реверсивного выпрямителя (11 и 12), обратные диоды схемы реверсивного выпрямителя (13 и 14), катушку индуктивности пассивного Г-образного LC-фильтра (15) и конденсатор пассивного Г-образного LC-фильтра (16). На чертеже показаны выводы для подключения источника напряжения постоянного тока U_ВХ и выводы для подключения нагрузки переменного тока U_ВЫХ. Обратные диоды (9 и 10) схемы высокочастотного инвертора, (13 и 14) схемы реверсивного выпрямителя предназначены для защиты транзисторов от перенапряжений во время коммутации. Система управления высокочастотным инвертором (4) содержит генератор пилообразного напряжения (17), формирователь импульсов (18), выпрямитель (19), сумматор (20), измеритель отклонения напряжения (21), датчик полярности высокочастотного синусоидального напряжения (22), первый и второй логические элементы И (23 и 24), первый и второй усилители импульсов (25 и 26), задающий генератор высокочастотного синусоидального напряжения (27). Система управления реверсивным выпрямителем (5), блок синхронизации (28), задающий генератор низкочастотного синусоидального напряжения (29), первый и второй компараторы (30 и 31), датчик полярности низкочастотного синусоидального напряжения (32), третий и четвертый логические элементы И (33 и 34), третий и четвертый усилители импульсов (35 и 36). 3 ил.

Преобразователь напряжения постоянного тока в переменное, содержащий входной конденсатор, подключенный к выводам «плюс» и «минус» источника питания, однофазный высокочастотный инвертор, выполненный на двух транзисторах, трансформатор, в котором первичная и вторичная обмотки содержат средние точки, реверсивный выпрямитель, выходной фильтр, систему управления высокочастотным инвертором, систему управления реверсивным выпрямителем и выходы для подключения нагрузки, отличающийся тем, что реверсивный выпрямитель выполнен на двух транзисторах, к которым также встречно-параллельно подключены обратные диоды, причем средняя точка вторичной обмотки трансформатора через выходной фильтр соединена со вторым выходом преобразователя напряжения постоянного тока в переменный, начало вторичной обмотки трансформатора подключено к первому транзистору реверсивного выпрямителя, а конец вторичной обмотки трансформатора подключен ко второму транзистору реверсивного выпрямителя, выход которого объединен с выходом первого транзистора реверсивного выпрямителя, и через выходной фильтр подключены к первому выходу преобразователя напряжения постоянного тока в переменный, к первому и второму транзистору высокочастотного инвертора встречно-параллельно подключены обратные диоды, система управления высокочастотным инвертором содержит генератор пилообразного напряжения, формирователь импульсов, выпрямитель, сумматор, измеритель отклонения напряжения, датчик полярности высокочастотного синусоидального напряжения, первый и второй логические элементы И, первый и второй усилители импульсов, задающий генератор высокочастотного синусоидального напряжения, причем выход задающего генератора высокочастотного синусоидального напряжения подключен к входам датчика полярности высокочастотного синусоидального напряжения, сумматора и измерителя отклонения напряжения, второй вход которого соединен с выходом преобразователя напряжения постоянного тока в переменный, а выход подключен ко второму входу сумматора, выход которого подключен к входу выпрямителя, выход которого соединен с первым входом формирователя импульсов, ко второму входу которого подключен генератор пилообразного напряжения, выход формирователя импульсов подключен к первым входам первого и второго логических элементов И, ко вторым входам этих элементов подключен датчик полярности напряжения, выходы первого и второго логических элементов И через первый и второй, соответственно, усилителей импульсов подключены к управляющим входам первого и второго транзисторов высокочастотного инвертора, система управления реверсивным выпрямителем содержит блок синхронизации, первый и второй компараторы, датчик полярности низкочастотного синусоидального напряжения, третий и четвертый логические элементы И, третий и четвертый усилители импульсов, задающий генератор низкочастотного синусоидального напряжения, причем первый вход блока синхронизации подключен к входу задающего генератора высокочастотного синусоидального напряжения системы управления высокочастотным инвертором, ко второму входу блока синхронизации подключен задающий генератор низкочастотного синусоидального напряжения, а выход его соединен с первыми входами первого и второго компараторов, вторые входы первого и второго компараторов соединены с выходом задающего генератора низкочастотного синусоидального напряжения, выход которого подключен к входу датчика полярности низкочастотного синусоидального напряжения, выходы первого и второго компараторов подключены с первыми входами третьего и четвертого логических элементов И, вторые входы которых соединены с выходом датчика полярности низкочастотного синусоидального напряжения, выходы третьего и четвертого логических элементов И через третий и четвертый, соответственно, усилители импульсов подключены к управляющим входам первого и второго транзисторов реверсивного выпрямителя.