Силовая электроника №2'2004

Транзисторные DC-AC преобразователи напряжения: характеристики, структурные схемы, рекомендации по применению

Виктор Жданкин


В данной статье рассмотрены транзисторные преобразователи напряжения фирм XP Electronics и Magnetek, наиболее полно отражающие передовые решения для этого типа изделий. Представлены основные параметры, функциональные особенности, структурные схемы, даны рекомендации по применению данных преобразователей напряжения в энергетических системах.


Преобразователем электрической энергии является устройство, которое связывает две (или более) электрические системы с отличающимися друг от друга параметрами и позволяет по заданному закону изменять эти параметры, обеспечивая обмен электрической энергией между связываемыми системами [1].

Полупроводниковые преобразователи напряжения (электронные трансформаторы), связывающие системы переменного и постоянного тока, а именно преобразователи постоянного напряжения в переменное, называются инверторами.

Широкое применение транзисторов в области силовой преобразовательной техники, где ранее традиционно использовались тиристоры, привело к разработке новых схем силового контура преобразователей напряжения. В транзисторных инверторах существуют большие возможности варьирования различных сочетаний между спектральным составом формируемого напряжения или частотной характеристикой фильтра с целью получения максимальной удельной мощности инвертора, хотя в силу специфики принципа действия инверторов их удельные характеристики в 2-4 раза меньше показателей преобразователей напряжения с постоянными выходными напряжениями. Это объясняется следующими причинами: выполнены они могут быть исключительно по мостовым схемам, что удваивает статические потери; почти во всех случаях в инверторе необходим силовой трансформатор на частоте выходного напряжения; силовые транзисторы инвертора на полную величину тока используются только кратковременно [2].

Разработанные в последние годы и непрерывно совершенствующиеся силовые МДП транзисторы могут управляться непосредственно от логических микросхем с низким уровнем выходного тока и напряжения без каких-либо промежуточных усилителей и трансформаторов, что резко упрощает задачи построения блоков управления. Интенсивное развитие микроэлектронной схемотехники позволяет реализовывать управление преобразователей напряжения на основе интегральных микросхем с большой и сверхбольшой степенями интеграции вплоть до однокристальной микро-ЭВМ [3].

Транзисторные инверторы необходимы для функционирования электронных систем автоматики и вычислительной техники, телекоммуникационных систем, устройств управления электродвигателями переменного напряжения, включая применение в качестве аварийных источников питания при наличии первичной сети переменного тока.

Первые транзисторные преобразователи напряжения были разработаны более 50 лет назад. За прошедшее время вопросы построения транзисторных преобразователей напряжения и входящих в их состав элементов проработаны достаточно глубоко.

Инверторы DC-AC серии DA фирмы XP Electronics

Такие изделия энергетической электроники английской фирмы XP Electronics (прежнее название — Zicon Electronics, в настоящее время — подразделение фирмы XP), как преобразователи напряжения AC-DC, DC-DC, регуляторы процессов заряда-разряда аккумуляторных батарей и регуляторы напряжения уже известны российским специалистам [4]. В 2003 году фирма начала производство инверторов - преобразователей напряжения серии DA в разных конструктивных исполнениях: шасси с кожухом, сменные блоки 19" формата 6U (евромоду-ли). Внешний вид DC-AC преобразователей напряжения показан на рис. 1 и 2. Основные технические характеристики инверторов - преобразователей напряжения приведены в таблице 1.

Рис. 1. Внешний вид DC/AC-преобразователей серии DA
Рис. 1. Внешний вид DC-ACпреобразователей напряжения серии DA
Рис. 2. Внешний вид DC/AC-преобразовтаеля серии DAX без защитного кожуха
Рис. 2. Внешний вид DC/AC-преобразовтаеля серии DAX без защитного кожуха

Функциональная схема инвертера cерии DA, преобразующего нестабильное напряжение постоянного тока в стабилизированное (в том числе и по частоте) однофазное напряжение переменного тока, приведена на рис. 3.

На входе силового двухзвенного фильтра мостовой каскад формирует многоимпульсные последовательности. Силовой трансформатор входит в состав преобразователя напряжения постоянного напряжения, питающего мостовой каскад. При таком варианте построения инвертора, несмотря на дополнительное преобразование энергии в импульсном повышающем преобразователе напряжения (440 В) при рациональном проектировании преобразователя постоянного напряжения (в данном случае рабочая частота равна 80 кГц), достигаются высокие энергетические и массо-габаритные характеристики.

Двухтактный мостовой каскад выполнен на полевых транзисторах с изолированным затвором MOSFET (в 200-ваттном преобразователе напряжения применяются полевые транзисторы фирмы International Rectifier IRFP23N50L: TR2, TR3, TR4, TR5). Мостовой каскад и силовой фильтр охвачены отрицательной обратной связью, которая обеспечивает высокие энергетические характеристики инвертора. Для обеспечения требуемой формы синусоидального выходного напряжения используется двухзвенный LC-фильтр переменного тока (дроссель выполнен на кольцевом сердечнике из МО-пермаллоя).

Вспомогательные напряжения формируются схемами на основе стабилизаторов напряжения LM317T с функцией регулирования выходного напряжения.

Однотактный повышающий преобразователь напряжения с рабочей частотой выполнен на MOSFET (например, в 200-ваттном инвертере DAX200-245L1-C применяется полевой транзистор SO148 FOA 19N60 -TR1).

Двухтактный преобразователь напряжения входного напряжения выполнен по полумостовой схеме с рабочей частотой 50 кГц (в 200-ваттных моделях применяются транзисторы N301 75652G — TR7 и TR8, а также IRF540A — TR10); в инверторах с большими выходными мощностями применяется преобразователь напряжения, построенный по мостовой схеме.

Входной LC-фильтр, защищающий источник питания от кондуктивных помех, состоит из дросселя, выполненного на Ш-образном ферритовом сердечнике, и четырех конденсаторов 2,2 мкФ/400 В. Для ограничения тока зарядки входных электролитических конденсаторов применяется термистор (Negative Temperature Coefficient), сопротивление которого уменьшается при увеличении температуры. Входные цепи защищены предохранителем:  два параллельно соединенных предохранителя установлены в положительной цепи и не подлежат замене при выходе из строя.

Инверторы - преобразователи напряжения по защите от поражения электрическим током относятся к оборудованию класса I, в котором защита от поражения электрическим током достигается применением основной изоляции и наличием средств подключения к защитному заземлению в проводке здания для тех токопроводящих частей, на которых может появиться опасное напряжение в случае пробоя основной изоляции. Для выполнения требования ГОСТ Р 50377-92 (MЭК60950-86) по защите от поражения электрическим током шасси преобразователей напряжения должны быть подключены к защитному заземлению, а один из полюсов входной или выходной цепей должен быть подсоединен к шасси (контакт PL1).

К достоинствам инверторов серии DA следует отнести:

  • стабилизацию выходного напряжения с суммарной нестабильностью 5% при изменении входного напряжения во всем допустимом диапазоне и изменении тока нагрузки в заданных пределах;
  • коэффициент гармоник выходного напряжения <3% при нормальном режиме работы;
  • индикацию аварийных режимов (светодиод зеленого свечения INPUT OK; светодиод желтого свечения OUTPUT OK);
  • пиковую мощность: до двух значений номинальной мощности (<1 с);
  • небольшие габаритные размеры (рис. 4-5).
Рис. 5. Габаритные и установочные размеры инверторов серий DAX350 и DAX550 для моделей с монтажными фланцами
Рис. 5. Габаритные и установочные размеры инверторов серий DAX350 и DAX550 для моделей с монтажными фланцами

К достоинствам следует отнести и эксплуатационные параметры этих инверторов:

  • диапазон рабочих температур составляет от 0 до +45 °С (снижение выходной мощности в два раза при +70 °С);
  • диапазон температур хранения — от -20 до +70 °С;
  • в рабочем состоянии допускаются виброперемещения до 0,05 мм (двойная амплитуда) в диапазоне частот 5-50 Гц и до 0,025 мм в диапазоне частот 50-100 Гц;
  • в нерабочем состоянии лицевой поверхностью шасси выдерживается ударное воздействие, эквивалентное удару при падении с высоты 100 мм.

Для применения в условиях расширенного диапазона температур и конденсации влаги предусмотрен заказной вариант «E», который имеет диапазон рабочих температур от -20 до +70 °С. Возможен заказ изделий с повышенной устойчивостью к воздействию механических факторов (вариант «M»): пиковое ударное воздействие 10g; виброускорение 3g (среднеквадратическое значение) в диапазоне частот 5-500 Гц.

Инверторы - преобразователи напряжения серии SLI фирмы Magnetek

Серия SLI (Slim Line Inverters — компактные инверторы) представляет собой новое поколение инверторов, предназначенных для применения в информационных системах, средствах автоматизации и телекоммуникаций. Благодаря новаторским техническим решениям, подобным запатентованной технологии исполнения силового трансформатора (Сompact Сoil), которая определяет массу и объем инвертора, удалось «упаковать» выходную мощность 1500 В·А в легком (5,6 кг) и компактном (высотой 1U) корпусе для конструктива 19". На рис. 6 и 7 показан внешний вид инвертора серии SLI.

Рис. 6. Внешний вид инвертора серии SLI
Рис. 6. Внешний вид инвертора серии SLI
Рис. 7. Внешний вид конструкции инвертора SLI-24-230 (крышка снята)
Рис. 7. Внешний вид конструкции инвертора SLI-24-230 (крышка снята)

Серия SLI включает четыре модели (табл. 2) для работы от источников постоянного напряжения 24 и 48 В с номиналами выходного напряжения 115 и 230 В переменного тока.

Интегрированный контроллер вместе с встроенным (по заказу) переключающим устройством (Static Transfer Switch -STS) обеспечивает гибкость и возможность модульного расширения для систем, которые действительно соответствуют принципу «включай и работай», без необходимости применения внешних компонентов — надо просто установить инверторы в количестве, обеспечивающем требуемую системе мощность. Также доступны модели, в которых реализован режим «горячей» замены.

Инверторы серии SLI характеризуются высокими энергетическими показателями: значение КПД достигает максимального значения 93%, а запатентованный алгоритм управления ограничивает уровни гармонических составляющих входного тока без применения громоздких дорогостоящих фильтров. Инвертор содержит мощный цифровой сигнальный процессор (DSP Controller TMS320LF2406APZA CA-26A60LW фирмы Texas Instruments — представитель поколения процессоров с фиксированной точкой TMS320C2xx), который делает возможнойпростую программируемость основных параметров посредством небольшой клавиатуры и ЖК-дисплея, установленных на передней панели. Для управления применяется также микроконтроллер семейства AVR ATmega103-6AI фирмы ATMEL.

Таким образом, инверторы серии SLI являются интеллектуальными устройствами, а связь инверторов с внешними контроллерами обеспечивается коммуникационными интерфейсами RS-485 и СAN (по заказу).

Основные технические характеристики DC-AC преобразователей напряжения серии SLI представлены в таблице 3.

Характерными особенностями компактных инверторов с выходной мощностью 1500 В·А являются:

  • новая компактная конструкция для монтажа в конструктив 19" (высота 1U, глубина 14,94", ширина 19");
  • высокое значение КПД (до 93%);
  • высокое качество выходного напряжения (синусоидальная форма выходного напряжения с коэффициентом гармоник менее 2%);
  • параллельное включение с равномерным распределением тока нагрузки и синхронизацией многочисленных (до 99 штук) параллельно включенных инверторов;
  • ЖК-дисплей на передней панели для контроля и установки основных параметров;
  • возможность последовательного соединения в сети RS-485 и CAN;
  • возможность реализации режима «горячей» замены (по заказу);
  • наличие внутреннего автоматического переключающего (питание от сети или через инвертор) устройства (по заказу).

Cиловой трансформатор, обеспечивающий гальваническую развязку и согласование номиналов входного и выходного напряжений, определяет массу и объем инвертора, выполнен по запатентованной фирмой Magnetek технологии Compact Coil Transformer и характеризуется низкой индуктивностью рассеяния обмоток, хорошим потокосцеплением, а также высокой прочностью изоляции. Трансформатор Compact Coil Transformer соответствует жестким требованиям по обеспечению электромагнитной совместимости, диапазон рабочих температур лежит в границах от -25 до +120 °С. На рис. 8 представлен внешний вид силового трансформатора Compact Coil Transformer, а на рис. 9 — сборочный чертеж силового трансформатора.

Рис. 8. Внешний вид силового трансформатора Compact Coil Transformer
Рис. 8. Внешний вид силового трансформатора Compact Coil Transformer

Основные характеристики силовых трансформаторов Compact Coil:

  • компактная конструкция (размеры: 56x41x18 мм);
  • масса 60 г;
  • КПД 98…99%;
  • рекомендованный диапазон частот — от 20 кГц до 1 МГц;
  • типовые применения в структурах:
    • однотактная прямоходовая,
    • однотактная обратноходовая,
    • мостовая двухтактная,
    • полумостовая,
    • двухтактная;
  • варианты монтажа:
    • горизонтальный,
    • вертикальный,
    • SMT;
  • электрическая прочность изоляции до 3000 В (действующее значение), испытан в соответствии с требованиями ГОСТ Р 50377-92 (МЭК 60950-86);
  • тепловое контактное сопротивление корпус-радиатор: 1,3 °C/Вт (односторонний теплоотвод), 1 °C/Вт (двухсторонний теп-лоотвод).

MOSFET полевые транзисторы импульсного повышающего преобразователя напряжения управляются интегральными микросхемами IR2110S производства фирмы International Rectifier, характеризующимися высоким значением импульсного выходного тока, что обеспечивает зарядку емкости «затвор-исток» силовых ключей за короткое время, а также возможностью формирования фиксированной паузы в управляющих сигналах для устранения сквозных токов в мостовом силовом каскаде. Выходной мостовой каскад выполнен на IGBT биполярных транзисторах.

Для обеспечения нормального теплового режима инвертора применяется принудительный обдув четырьмя бесщеточными вентиляторами постоянного тока (запитыва-ются от внутреннего напряжения 12 В, ток потребления 0,195 A, модель 109P0412H352 фирмы SANYO DENKI) установленными на задней стенке корпуса инвертора. Для создания вентиляторами воздушного потока, требуемого для поддержания нормального теплового режима, необходимо обеспечить зазор как минимум 254 мм между задней cтенкой инвертора и стенкой монтажного корпуса. Это связано с тем, что воздух всасывается через вентиляционные отверстия на передней панели и выдувается через отверстия в задней стенке корпуса инвертора.

На рис. 10 представлен пример применения инверторов серии SLI в системе электроснабжения телекоммуникационной аппаратуры. Упрощенная функциональная схема системы электроснабжения (рис. 10) показывает принцип организации бесперебойного питания напряжением переменного тока при помощи инвертора. Это решение интересно и тем, что оно обеспечивает очень низкий коэффициент гармоник выходного синусоидального напряжения, используемого для питания аппаратуры.

Рис. 10. Пример применения инверторов серии SLI
Рис. 10. Пример применения инверторов серии SLI

Заключение

Преобразователи постоянного напряжения в напряжение переменное синусоидальное (инверторы) фирм XP Electronics и Magnetek выполнены с использованием современных схемотехнических решений для силовых контуров. Применяемые в них схемы управления построены на базе интегральных схем с большой и сверхбольшой степенью интеграции. Эти инверторы характеризуются хорошими массогабаритными параметрами, качественным выходным напряжением, высокими показателями надежности. Они способны функционировать от источников входной электроэнергии широкого спектра номиналов, что позволяет применять их в системах автоматики и вы числительной техники, а также в телекоммуникационных системах.     

Литература

  1. Крогерис А., Рашевиц К., Рутманис Л. и др. Полупроводниковые преобразователи электрической энергии / Под ред. А. Крогериса. Рига: Зинатне. 1969.
  2. Конев Ю. И., Гулякович Г. Н., Полянин К. Н. и др. Микроэлектронные электросистемы. Применения в радиоэлектронике / Под ред. Ю. И. Конева. М.: Радио и связь. 1987.
  3. Моин В. С. Стабилизированные транзисторные преобразователи. М.: Энергоато-миздат. 1986.
  4. Жданкин В. К. Устройства силовой электроники фирмы Zicon Electronics // Современные технологии автоматизации. 2000. № 1.
  5. SLI Telecom Inverter. Installation Manual. Rev.A. Italy: Magnetek S.p.A. 2003.
  6. SLI 1.5Kw Telecom Inverter. User's Guide. Rev.A. Italy: Magnetek S.p.A. 2003.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2004_02_54.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо

На www.sw-st.ru купить сетку для штукатурки стен.
ardey.ru
акватекс официальный.
ardey.ru