вход Вход Регистрация



Однофазная схема инвертора с выводом нулевой точки трансформатора применяется в блоках питания (в том числе и с промежуточным звеном повышенной частоты) в случаях, когда входное напряжение невелико (например, при питании от аккумуляторной батареи) и для повышения кпд преобразователя желательно уменьшить падение напряжения во входной цепи. В схеме инвертора, показанной на рис. 1.5, вместо двух силовых транзисторов однофазного моста, имеющих общий потенциал коллекторов, включен трансформатор, первичная обмотка которого имеет вывод нулевой точки. Таким образом, первичная обмотка трансформатора состоит из двух полуобмоток (т.е. из двух фаз), каждая из которых имеет число витков . Соответственно, вторичная обмотка может

иметь число витков . Как и в предыдущем случае, будем полагать элементы схемы идеальными. Для трансформатора это означает равенство нулю тока намагничивания, а также равенство нулю активного сопротивления обмоток и отсутствие индуктивностей рассеяния обмоток.

Рассмотрим работу схемы инвертора при симметричном управлении, то есть при условии, что транзисторы VT1, и VT3 находятся во включенном состоянии 180 градусов по частоте выходного напряжения, но включаются со сдвигом по фазе на 180 градусов. Временные развертки электромагнитных процессов в схеме показаны на рис. 1.6. При включении транзистора VT1 вывод первичной обмотки трансформатора подключается к отрицательному зажиму источника питания, а нулевая точка остается подключенной к положительному зажиму источника питания. При этом на обмотках трансформатора возникают эдс с полярностью, обозначенной на рисунке 1.5 без кружочков. Поскольку число витков первичных полуобмоток трансформатора одинаково, напряжение на коллекторе выключенного транзистора VT3 и, соответственно, обратное напряжение, приложенное к диоду VD3, равно удвоенному напряжению источника питания:

(1.27)

Соответственно, к нагрузке прикладывается напряжение равное:

(1.28)

где – коэффициент трансформации трансформатора.

Под воздействием эдс вторичной обмотки трансформатора в нагрузке нарастает ток в направлении, указанном на схеме. Так же, как и в предыдущих схемах, эдс самоиндукции индуктивности нагрузки препятствует увеличению тока в контуре. В момент транзистор VT1 выключаются, и контур тока нагрузки размыкается. Однако, благодаря энергии запасенной в индуктивности нагрузки, ток нагрузки поддерживается за счет эдс самоиндукции, при этом знак этой эдс меняется на обратную (соответствующие полярности обозначены на схеме в кружочках), потенциал точки снижается до нуля, что приводит к включению диода VD3. При этом энергия, запасенная в индуктивности нагрузки, сбрасывается обратно в источник питания. Для нормальной работы схемы необходимо, чтобы к моменту спада тока нагрузки до нуля, транзистор VT3 был включен, что обеспечивает повторение всех процессов с другой полярностью токов и напряжений.

Нетрудно видеть, что электромагнитные процессы в рассматриваемой схеме на вторичной стороне трансформатора совпадают с процессами в нагрузке в однофазной мостовой схеме инвертора. Тогда, используя (1.5) и (1.28) можно установить связь между действующим значением первой гармоники выходного напряжения инвертора и напряжение источника питания:

. (1.29)

Так же как и в однофазной мостовой схеме, ток нагрузки описывается соотношениями (1.6) и (1.7), при этом очевидно, что действующее значение тока вторичной обмотки трансформатора равно действующему значению тока нагрузки. Мгновенные значения тока первичной обмотки трансформатора и, соответственно, мгновенные значения токов силовых полупроводниковых приборов, связаны с мгновенными значениями тока вторичной обмотки через коэффициент трансформации. Действительно, как известно [8], намагничивающие силы первичной и вторичной обмоток трансформатора должны быть равны , следовательно, мгновенное значение тока первичной полуобмотки:

(1.30)

С учетом (1.30), полагая ток нагрузки синусоидальным, нетрудно получить соотношения для средних значений коллекторного тока силового транзистора:

, (1.31)

и, соответственно, обратного диода:

. (1.32)

Поскольку в схеме содержится два плеча, то среднее значение входного тока определяется так же, как и в мостовой схеме:

(1.33)

Интересно отметить, что установленная мощность силовых полупроводниковых приборов в рассматриваемой схеме такая же, как и в однофазной мостовой схеме, но в данном случае уменьшение в два раза числа полупроводниковых приборов компенсируется удвоением рабочих напряжений на приборах.

Кривые токов в первичных полуобмотках трансформатора имеют такой же вид, как кривые входного тока в полумостовой схеме инвертора (например, кривая на рис. 1.4 д). Поскольку кривые тока в первичной и вторичной обмотках имеют разную форму, то и расчетные мощности обмоток тоже будут разными. Действительно, ток вторичной обмотки трансформатора равен току нагрузки и, соответственно, расчетная мощность вторичной обмотки, определяется произведением действующих значений тока и напряжения:

(1.34)

При допущении о синусоидальности тока нагрузки действующее значение тока вторичной обмотки равно действующему значению первой гармоники тока нагрузки. Что же касается действующего значения эдс вторичной обмотки, то поскольку она имеет прямоугольную форму, ее действующее значение больше, чем действующее значение первой гармоники напряжения нагрузки. Тогда, используя (1.28) и (1.29), будем иметь:

, (1.35)

и, соответственно, после подстановки (1.35) в (1.34), получим:

. (1.36)

Как вытекает из принципа действия схемы, ток первичной полуобмотки трансформатора описывается уравнением:

, (1.37)

причем в каждой полуобмотке этот ток существует в течение лишь одного полупериода. Тогда действующее значение тока первичная обмотка можно найти по определению:

 

.(1.38)

 

 

Следовательно, расчетная мощность двух первичных полуобмоток равна:

. (1.39)

Теперь, используя (1.36) и (1.39), можно определить расчетную установленную мощность трансформатора, вычисляемую как среднее арифметическое от расчетных мощностей первичной и вторичной обмоток трансформатора:

(1.40)

Таким образом, установленная мощность трансформатора в этой схеме на 34% превышает мощность нагрузки, создаваемую первыми гармониками тока и напряжения. Физически это объясняется двумя причинами: во-первых, кривые эдс обмоток трансформатора несинусоидальны, а мощность нагрузки оценивается по первым гармоникам тока и напряжения, и, во-вторых, в каждый момент времени на первичной стороне трансформатора одна из полуобмоток ток не проводит и, следовательно, полезной работы не совершает.

Сравнивая эту схему с однофазной мостовой, следует отметить, что достоинством этой схемы является меньшее количество силовых ключей в контуре тока и, соответственно, меньшие потери в транзисторах во включенном состоянии. Это обстоятельство может иметь решающее значение в преобразователях, питающихся от низковольтного источника (например, от резервного аккумулятора в агрегатах бесперебойного питания).

В то же время, эта схема имеет ряд характерных недостатков:

- как показано выше, в этой схеме хуже использование активных материалов выходного трансформатора;

- в этой схеме невозможно схемными методами скомпенсировать несимметрию интервалов проводимости силовых ключей, причем эта проблема обостряется с ростом рабочей частоты;

- при выключении силового ключа энергию, запасенную в индуктивности рассеяния первичной полуобмотки трансформатора, невозможно возвратить в источник или сбросить в нагрузку. Поэтому эта энергия выделяется в виде потерь или в транзисторе или в формирователе траектории переключения.

© 2018
  • Сайт "Литературка"
  • мы собираем различную техническую, образовательную, научную литратуру