Инвертор синусоидального тока

Инвертор синусоидального тока предназначен для преобразования постоянного напряжения в переменный ток заданной частоты. Может применяться при проверке и испытаниях устройств релейной защиты и иного оборудования, где требуется задать переменный ток. Инвертор отличается простотой, надежностью и широким диапазоном заданного тока.

В предлагаемой схеме преобразования высоковольтного постоянного напряжения в переменный ток для гальванической развязки вторичной цепи от первичной используется маломощный силовой трансформатор.

Т-образная схема замещения трансформатора показана на рис. 1 [1].

Рис. 1. Схема замещения трансформатора, где:
r₁, L_s1 — активное сопротивление и индуктивность рассеивания первичной обмотки;
r`<sub>2</sub>, L`_s2 — приведенные активное сопротивление и индуктивность рассеивания вторичной обмотки;
L_m, R_m — индуктивность цепи намагничивания и сопротивление потерь в стали;
U₁, U₂ — первичное и вторичное напряжения трансформатора

При работе в режиме инвертора тока трансформатор функционирует в режиме, близком к короткому замыканию. Определяющее влияние на регулирование тока имеют r₁, L_s1, r`<sub>2</sub>, L`_s2 и сопротивление нагрузки. При импульсном воздействии напряжения на силовой трансформатор индуктивности L_s1, L`_s2 оказываются достаточно велики и не вызывают больших изменений тока нагрузки за время действия импульса. Поскольку (в соответствии со схемой замещения) в цепи регулирования тока участвуют первичные и вторичные обмотки трансформатора, насыщения магнитопровода трансформатора не происходит. В этом состоит дополнительное преимущество инвертора.

Такие теоретические положения легли в основу предлагаемого устройства.

Разработанная электрическая схема была промоделирована в программе для моделирования силовой электроники PSIM фирмы Powersim Inc. Схема моделирования инвертора синусоидального тока приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема моделирования инвертора синусоидального тока

Силовая часть схемы содержит источник постоянного напряжения VDC1 (312 В), четыре силовых транзистора VT1–VT4, трансформатор Т1, датчик тока ISEN1. Резистор R1 служит нагрузкой для силовой цепи.

Трансформатор Т1 имеет параметры реального трансформатора с выходной мощностью 200 В·А, измеренные с помощью приборов и опытов холостого хода и короткого замыкания [1, 2]. Его параметры приведены на рис. 3.

Рис. 3. Параметры силового трансформатора

Здесь:

R_p = 8 Ом — сопротивление первичной обмотки (измеренное значение);
R_s = 0,02 Ом — сопротивление вторичной обмотки;
L_p = 0,2 Гн — индуктивность рассеивания первичной обмотки трансформатора;
L_s = 0,0004 Гн — индуктивность рассеивания вторичной обмотки трансформатора;
L_m = 12 Гн — индуктивность намагничивания первичной обмотки трансформатора;
N_p = 800 — число витков первичной обмотки трансформатора;
N_s = 36 — число витков вторичной обмотки трансформатора.

Параметры силового трансформатора определялись следующим образом: коэффициент трансформации n = U₁/U₂ = N_p/N_s = 220/10 = 22.

Как указано в [2], активное и индуктивное сопротивления распределяются поровну между первичной и вторичной сторонами трансформатора с учетом приведения вторичной стороны к первичной:

где x_КЗ — индуктивное сопротивление короткого замыкания [2].

Из опыта короткого замыкания x_КЗ = 125,6 Ом.

В нашем случае R_p = r₁ = 8 Ом,

Индуктивности рассеивания первичной и вторичной обмоток трансформатора:

Индуктивность первичной обмотки L₁ трансформатора определяем исходя из опыта холостого хода [2].

Ток холостого хода I_хх протекает в первичной обмотке при разомкнутой вторичной и при подаче от источника номинального первичного напряжения U. Полное сопротивление z_xx = U/I_xx.

Активные потери холостого хода примем r_xx = R_p = 8 Ом.

Реактивная составляющая полного сопротивления холостого хода вычисляется по треугольнику сопротивлений:

Индуктивность первичной обмотки:

Индуктивность намагничивания L_m = L₁ – L_p = 12 Гн.

Схема регулирования тока содержит источник переменного напряжения V1 (являющийся задатчиком тока), ПИ-регулятор тока PI1, компенсатор задающего воздействия P1, генератор треугольного напряжения для формирования выходного ШИМ-сигнала VTRI1, два источника опорного напряжения VDC2, VDC3, два компаратора COMP1, COMP2, два инвертора NOT1, NOT2, схемы суммирования SUM1, SUMP1, SUMP2, драйверы ON1–ON4 транзисторов VT1–VT4.

При отсутствии рассогласования на входе сумматора SUMP2 транзисторы VT2, VT4 открыты, транзисторы VT1, VT3 закрыты. При появлении рассогласования в зависимости от знака рассогласования отрытыми оказываются транзисторы VT1, VT4 или VT2, VT3. Формируются импульсы напряжения на первичной обмотке трансформатора Т1 соответствующей полярности.

Параметры ПИ-регулятора тока PI1 приведены на рис. 4.

Рис. 4. Параметры ПИ-регулятора тока

ПИ-регулятор тока PI1 достаточно «грубый», то есть качество регулирования обеспечивается при значительных изменениях параметров регулятора в диапазоне заданных токов и изменений сопротивления нагрузки.

Схема обладает широким диапазоном регулирования тока. При задании тока амплитудой 0,2 А (V₁ = 0,02 В) временная диаграмма задатчика тока V1 и датчика тока ISEN1 показана на рис. 5.

Рис. 5. Временная диаграмма задатчика тока V₁ и датчика тока амплитудой 0,2 А

Временная диаграмма тока представлена на рис. 6.

Рис. 6. Временная диаграмма тока амплитудой 0,2 А

При задании тока амплитудой 30 А (V₁ = 3 В) временная диаграмма задатчика тока V1 и датчика тока ISEN1 имеет следующий вид (рис. 7).

Рис. 7. Временная диаграмма задатчика тока V₁ и датчика тока амплитудой 30 А

При этом временная диаграмма тока имеет вид, показанный на рис. 8.

Рис. 8. Временная диаграмма тока амплитудой 30 А

Как видно из схемы (рис. 2), отдаваемая мощность в нагрузку (R_n = 0,4 Ом) при токе амплитудой 30 А составляет около 200 Вт.

Следует отметить, что при реализации регулятора тока на микроконтроллере с развитой периферией (АЦП, компараторы, ШИМ и т. д.) инвертор синусоидального тока получается достаточно простым, эффективным и дешевым. Кроме того, возможно создание программными средствами адаптивного регулятора тока, обеспечивающего регулирование тока при быстрых изменениях сопротивления нагрузки, как, например, предлагается в [3].

Разработанный макетный образец выполнен на базе микроконтроллера dsPIC30F2020, четырех силовых транзисторов IRFBE30, двух микросхем драйверов силовых транзисторов IR2111, микросхемы опторазвязки HCPL-2231. В качестве датчика тока используется шунт с микросхемой и токовым монитором AD8418. Временная диаграмма тока макетного образца инвертора приведена на рис. 9.

Рис. 9. Временная диаграмма тока макетного образца инвертора

Выполненные макетные работы подтвердили работоспособность предлагаемых технических решений.