Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2005 №5

Энергоэкономичные нерегулируемые инверторы с пассивными демпферно - коммутационными цепочками

Савенков Александр  
Бекетова Анна  
Чуев Денис  
Бутенко Петр  
Кузённый Сергей  
Резников Станислав  

Показана рациональность возвращения в силовую электронику незаслуженно забытых схем нерегулируемых инверторов со звеном постоянного тока и с пассивными демпферно-коммутационными цепочками. Существенное повышение их КПД достигается за счет экономичной рекуперации энергии демпфирования в источник питания.

Благодаря отсутствию сквозных сверхтоков и насыщения трансформаторов из-за вольт-секундной несимметрии, инверторы с энергоемким дросселем постоянного тока относятся к наиболее эффективным по простоте и надежности звеньям преобразовательной электроники. На рис.1 приведена структура классического двухтактного инвертора со звеном постоянного тока и с простейшей C-R-VD пассивной демпферно-коммутационной цепочкой (ДКЦ). Наличие ДКЦ необязательно, если при переключении электронных ключей мостового коммутатора ЭК1–4 гарантировать отсутствие режима разрыва цепи тока дросселя L, например введением переходного режима кратковременного короткого замыкания (сквозного тока). Однако такой алгоритм сильно затрудняет применение стандартных схем управления (драйверов) мостовыми и полумостовыми транзисторными стойками. Кроме того, без ДКЦ схема становится неработоспособной при наличии индуктивности в цепи нагрузки, например индуктивности рассеяния обмоток трансформатора. И наконец, при наличии фильтровых конденсаторов, шунтирующих нагрузку, и использовании в качестве ЭК транзисторов режим кратковременного короткого замыкания потребует установить последовательно с каждым транзистором дополнительный диод для исключения инверсных сверхтоков [1].

Структура классического двухтактного инвертора со звеном постоянного тока и с C-R-VD пассивной демпферно-коммутационной цепочкой (ДКЦ) (Рис. 1)

Структура классического двухтактного инвертора со звеном постоянного тока и с C-R-VD пассивной демпферно-коммутационной цепочкой (ДКЦ)
Рис. 1. Структура классического двухтактного инвертора со звеном постоянного тока и с C-R-VD пассивной демпферно-коммутационной цепочкой (ДКЦ)

На рис. 2 приведены структуры однотактных инверторов с аналогичными ДКЦ, но без использования части запасаемой в них энергии (рассеивается в варисторе, ограничителе или стабилитроне) [2, 3, 4]. Эти схемы отличаются особой простотой и надежностью, но применимы лишь при относительно малых мощностях из-за относительно низкого КПД. Исключить постоянную составляющую тока в нагрузке из-за несимметрии цепей нарастания и спада тока дросселя можно с помощью компенсирующего конденсатора Ск с относительно малой реактивной мощностью (с малым рабочим напряжением).

Структуры однотактных инверторов с C-R-VD пассивными демпферно-коммутационными цепочками (Рис. 2)

Структуры однотактных инверторов с C-R-VD пассивными демпферно-коммутационными цепочками
Рис. 2. Структуры однотактных инверторов с C-R-VD пассивными демпферно-коммутационными цепочками: а) с однообмоточным дросселем, б) с двухобмоточным дросселем

Приведенные однотактные схемы инверторов не только просты и надежны, они являются регулируемыми за счет изменения относительной длительности импульса γ ШИМ-управления ЭК. Однако отклонения от значения γ = 0,5 вызывают существенные несимметрии в форме выходных напряжения и тока.

На практике в большинстве случаев представляется целесообразным регулирование выходных параметров при сохранении симметрии формы выходного сигнала (γ = const = 0,5), то есть за счет установки отдельного регулятора на входе или выходе инвертора. Если априорно принять эту концепцию, появляется реальная возможность существенно повысить КПД нерегулируемых инверторов за счет экономной рекуперации энергии демпфирования в источник питания или в его фильтровый конденсатор с помощью C-L-VD ДКЦ. Такая цепочка описана в [5], но только для режимов прерывистого тока в L.

На рис. 3 приведены принципиальные схемы силовых частей нерегулируемых однотактных инверторов с C-L-VD ДКЦ:

  • а) с нагрузкой, имеющей среднюю точку (например, трансформаторной);
  • б) с балластным дросселем Lб со средней точкой.

Схемы нерегулируемых однотактных инверторов с рекуперацией энергии ДКЦ в источник (Рис. 3)

Схемы нерегулируемых однотактных инверторов с рекуперацией энергии ДКЦ в источник
Рис. 3. Схемы нерегулируемых однотактных инверторов с рекуперацией энергии ДКЦ в источник

При втором варианте также можно применить компенсирующий конденсатор Ск для исключения постоянной составляющей тока и напряжения в нагрузке. Пунктиром в ДКЦ показан диод, который можно ввести для предотвращения колебаний. Балластный дроссель Lб и дроссель ДКЦ могут быть выполнены с общим магнитопроводом — для передачи части энергии коммутационных потерь непосредственно в нагрузку, минуя рекуперацию в фильтровый конденсатор.

В двухтактных нерегулируемых инверторах (рис. 4 и 5) плечи электронных ключей работают в противофазе, благодаря чему достигаются симметрия формы выходного тока и существенное снижение пульсации тока в балластном дросселе.

Схемы нерегулируемых двухтактных инверторов с рекуперацией энергии ДКЦ в источник (Рис. 4)

Схемы нерегулируемых двухтактных инверторов с рекуперацией энергии ДКЦ в источник
Рис. 4. Схемы нерегулируемых двухтактных инверторов с рекуперацией энергии ДКЦ в источник

Схема мостового нерегулируемого инвертора с рекуперацией энергии ДКЦ в источник (Рис. 5)

Схема мостового нерегулируемого инвертора с рекуперацией энергии ДКЦ в источник
Рис. 5. Схема мостового нерегулируемого инвертора с рекуперацией энергии ДКЦ в источник

Определенный интерес представляет применение нерегулируемых инверторов с пассивными демпферно-коммутационными цепочками в составе преобразователей частоты или трансформаторно-выпрямительных блоков с промежуточным звеном повышенной частоты.

На рис. 6 приведена схема бестрансформаторного преобразователя частоты с коррекцией потребляемой мощности. При однофазном первичном источнике, например 50 Гц с 220 В, наибольший КПД корректора потребляемой мощности может быть достигнут с помощью двухтранзисторного повышающе-понижающего импульсного модулятора (VT1,2 – L-VD5,6). Выбрав оптимальный уровень среднего значения постоянного выходного напряжения модулятора UC2 в диапазоне [0; 310 В], можно достичь значений коэффициента потребляемой из сети мощности, близких к χ ≈ 1 при высоких значениях КПД модулятора. Для этого на интервалах времени, когда uп < UC2, модулятор должен работать в повышающем режиме (при открытом VT1); на интервалах, когда uп > UC2, — в понижающем режиме (при закрытом VT2), а на границах указанных интервалов, когда uпUC2,— в «безразличном» прямоходовом режиме (при синхронном управлении VT1 и VT2).

Бестрансформаторный преобразователь частоты с коррекцией потребляемой мощности (Рис. 6)

Бестрансформаторный преобразователь частоты с коррекцией потребляемой мощности
Рис. 6. Бестрансформаторный преобразователь частоты с коррекцией потребляемой мощности

На выходе импульсного модулятора установлен однотактный нерегулируемый инвертор повышенной частоты с пассивной ДКЦ. Далее может быть установлен развязывающий трансформатор, а при надобности — выпрямитель.

Установка балластного конденсатора С5 позволяет защитить транзисторы от кратковременных импульсов сетевого напряжения, которые могут достигать высоких значений. Для защиты необходимо до развития импульсом недопустимых значений выключить все транзисторы. В этом случае к транзисторам будут приложены напряжения, более равномерно распределяющие амплитуду импульса. Усилить защиту можно известными варисторными или стабилитронными цепочками, шунтирующими транзисторы.

На рис. 7 приведена схема бестрансформаторного преобразователя частоты с коррекцией потребляемой мощности и общим заземлением. Схема особенно интересна в случае больших мощностей и при питании от трехфазной сети. В этом случае можно применить три однотипных пары вышеописанных модуляторов (по числу фаз) и один общий полумостовой нерегулируемый инвертор (VT3'VT3''L) с пассивными ДКЦ.

Бестрансформаторный преобразователь частоты с коррекцией потребляемой мощности и общим заземлением (ДКЦ) (Рис. 7)

Бестрансформаторный преобразователь частоты с коррекцией потребляемой мощности и общим заземлением
Рис. 7. Бестрансформаторный преобразователь частоты с коррекцией потребляемой мощности и общим заземлением

Помимо общеизвестных достоинств инверторов со звеном постоянного тока — простоты и надежности (поскольку отсутствуют сквозные сверхтоки и насыщение трансформаторов из-за вольт-секундной несимметрии), рассмотренные схемы нерегулируемых инверторов с пассивными C-L-VD демпферно-коммутационными цепочками позволяют существенно повысить КПД преобразования по сравнению с традиционными схемами с резистивными, стабилитронными или варисторными рассеивающими звеньями благодаря экономичной рекуперации коммутационной энергии в фильтровый конденсатор источника.

Литература

  1. Карташев Е. ШИМ-инверторы с активной коммутацией выпрямителей // Компоненты и технологии. 2004. № 9.
  2. Патент РФ № 2101886 от 10.01.98 г. Электронное устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп / Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Дубенский Г. А., Резников С. Б., Татьянин В. И.
  3. Патент РФ № 2103845 от 27.01.98 г. Устройство для питания и зажигания газоразрядных ламп / Болдырев В. Г., Бочаров В. В., Дубенский Г. А., Резников С. Б., Татьянин В. И.
  4. Моин В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоатомиздат. 1986. С. 141, рис. 4.12 б, в.
  5. Сергеев Б. С. Схемотехника функциональных узлов источников вторичного электропитания. М.: Радио и связь. 1992.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке