Энергоэкономичные нерегулируемые инверторы с пассивными демпферно — коммутационными цепочками

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 ЭК_1–4 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)

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 С_к с относительно малой реактивной мощностью (с малым рабочим напряжением).

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

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 L_б со средней точкой.

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

При втором варианте также можно применить компенсирующий конденсатор С_к для исключения постоянной составляющей тока и напряжения в нагрузке. Пунктиром в ДКЦ показан диод, который можно ввести для предотвращения колебаний. Балластный дроссель L_б 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)

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

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 (VT_1,2 – L-VD_5,6). Выбрав оптимальный уровень среднего значения постоянного выходного напряжения модулятора U_C2 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 u_п U_C2, модулятор должен работать в повышающем режиме (при открытом VT₁); на интервалах, когда u_п > U_C2, — в понижающем режиме (при закрытом VT₂), а на границах указанных интервалов, когда u_п ≈ U_C2,— в «безразличном» прямоходовом режиме (при синхронном управлении VT₁ и VT₂).

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

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)

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.