5.4 Резонансные инверторы

Резонансные инверторы широко известны в преобразовательной технике. В них обеспечивается гармоническая форма тока в силовой цепи за счет колебательного контура. Рассмотрим принцип действия резонансного инвертора, который поясняется схемой и эпюрами рис.5.13.

Рисунок 5.13 – Принцип действия резонансного инвертора

На этом рисунке S₁, S₂ – управляемые ключи, работающие в противофазе. Когда замыкается ключ S₁ , начинается рост тока i₁ по гармоническому закону. Частота собственных колебаний контура с потерями равна

(5.8)

Через промежуток T₀/2 ток в цепи станет равным нулю и ключ размыкается при нулевом значении коммутируемой мощности. В момент времени t1 замыкается ключ S2 и формируется отрицательная полуволна тока в нагрузке вследствие колебательного обмена энергии между реактивными элементами. Снова через T₀/2 ток в цепи становится равным нулю, S2 размыкается и замыкается ключ S1 и так далее. Добротность контура

(5.9)

Если частота коммутации ключей соответствует частоте резонанса контура , то форма напряжения на нагрузке близка к гармонической, а его действующее значение(5.10)

Нагрузка может включаться последовательно (как на рис.5.13) или параллельно любому из реактивных элементов, обычно конденсатору.

Достоинства резонансных инверторов:

а) уменьшение потерь мощности на коммутацию. Особенно в условиях большого технологического разброса параметров ключей. Обеспечивается, так называемая, “мягкая” коммутация,

б) снижение уровня высокочастотных помех как излучаемых (радиопомех), так и распространяемых по проводам (кондуктивных), в питающую сеть и в нагрузку,

в) отсутствие сквозных токов в двухтактных схемах приводит к

повышению надежности.

Недостатки резонансных инверторов:

а) значительное превышение напряжения на реактивных элементах над напряжением питания из-за явления резонанса;

б) увеличение габаритов сглаживающих фильтров по сравнению с прямоугольным напряжением;

в) более высокая установочная мощность ключей.

Примерная схема транзисторного преобразователя с резонансным инвертором приведена на рис.5.14. Нагрузка R_H подключена параллельно конденсатору С_К через двухполупериодный выпрямитель VD₁ и VD₂.

Рисунок 5.14 – Преобразователь с резонансным инвертором

Трансформатор TV обеспечивает согласование по уровню напряжения и гальваническую развязку сети и нагрузки. Стабилизация выходного напряжения осуществляется частотной модуляцией тактовой частоты ( f_T) схемы управления. Для чего f_T выбрана несколько меньше резонансной частоты контура L_K C_K. Регулировкой частоты можно получить нестабильность около 0,1%. Уровень помех примерно на 15 дБ ниже, чем в не резонансных схемах инверторов.

Для управления ключами инверторов разработано много специализированных и универсальных контроллеров, например, 1114ЕУ1…1114ЕУ5, UC3846, UC3875, TL494, TL599 и др.

5.5 Примеры задач по преобразователям с решениями

Пример 5.5.1

Исходные данные: имеется преобразователь напряжения с выпрямителем и выходным сглаживающим фильтром, схема которого приведена на рис.5.15. Его параметры:,,,,.

Определите величину напряжения на нагрузке этого источника (все элементы идеальные).

Рисунок 5.15 – Схема источника питания

Решение. Напряжение на входе сглаживающего фильтра (диод VD3) источника питания имеет вид, представленный на рисунке 5.16.

Постоянная составляющая равна

,

где - коэффициент трансформации,

- коэффициент заполнения импульса.

Рисунок 5.16 – Форма выходного напряжения выпрямителя

Пример 5.5.2

Исходные данные: Форма напряжения на выходе инвертора имеет вид рисунка 5.17.

Рисунок 5.17 – Напряжение на выходе инвертора

Определите оптимальное значение коэффициента заполнения импульсов управления инвертором () с точки зрения минимального содержания 3 и 5 гармоник.

Решение. Гармонические составляющие выходного напряжения для прямоугольного сигнала имеют следующую зависимость от коэффициента заполнения импульсов [7]:

Согласно этому выражению построим регулировочные кривые для трёх гармоник k=1, k=3 и k=5 (рис. 5.18).

Рисунок 5.18 – Гармонические составляющие выходного напряжения инвертора

Из графических зависимостей видно, что минимальное содержание 3 и 5 гармоник имеет место при K_З = 0,73.

Пример 5.5.3

Исходные данные: Имеется однотактный конвертор с обратным включением выпрямительного диода (рис. 5.19). Параметры схемы: ,,,.

Рисунок 5.19 – Конвертор напряжения

Определите минимальное значение коэффициента заполнения при идеальных ключах.

Решение. На выходе трансформатора в номинальном режиме максимальное напряжение равно 30В, так как . Среднее значение напряжения на выходе равно. Минимальный коэффициент заполнения соответствует максимальному отклонению напряжений, т.е.

.

Пример 5.5.4

Исходные данные: Имеется конвертор напряжения (рис. 5.20) на базе полумостового инвертора с параметрами: ,,, ток нагрузки.

Рисунок 5.20 – Конвертор напряжения

Определите напряжение на коллекторе закрытого транзистора (VТ1 или VT2) и максимальное значение тока в первичной цепи трансформатора I₁ .

Решение. Напряжение на коллекторе закрытого транзистора не превышает уровень напряжения питания, т.е. .

Максимальное значение тока в первичной цепи трансформатора равно [31]: