АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 1995 года по МПК H02M7/521 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике устройствам для преобразования постоянного напряжения в переменное, может применяться во вторичных источниках питания переменного тока.

Известны инверторы, выполняющие указанные функции, в качестве ключевых элементов использующие тиристоры [1] Тиристоры в инверторах подвергаются воздействию тепла от тока, протекающего по ним, и воздействию перенапряжений, возникающих при работе инвертора, совместное воздействие тепла и перенапряжений приводит к пробою тиристоров, т.е. к ненадежной работе инвертора, поэтому тиристоры надо охлаждать, что приводит к увеличению массы и габаритов инвертора и к другим сложностям, если охлаждение принудительное, а ограничение тиристоров по напряжению ведет к применению различных схем их последовательного соединения, что также увеличивает массу, габариты, стоимость инвертора и усложняет силовую цепь.

Наиболее близок по технической сути известный мостовой инвертор с входным электронным ключом, мост которого содержит четыре тиристора с присоединенными к ним обратными диодами, в диагональ переменного тока моста включены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка, а в диагональ постоянного тока источник питания с присоединенным к нему входным электронным ключом [2]
Целью изобретения является увеличение надежности, расширение функциональных возможностей, упрощение силовой цепи.

Цель достигается тем, что в известном мостовом инверторе с электронным ключом на входе полупроводниковые элементы моста заменены нелинейными индуктивностями первым, вторым, третьим и четвертым дросселями насыщения, последовательно с дросселями насыщения в смежные плечи моста включены первый и второй датчики тока, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления входным ключом.

Дроссели насыщения можно изготовить высоковольтными, малогабаритными, с небольшим омическим сопротивлением, дешевыми, поэтому замена полупроводниковых элементов моста инвертора дросселями насыщения ведет к увеличению надежности и расширению функциональных возможностей, например, можно резко увеличить рабочую частоту инвертора, подобрав соответствующие дроссели насыщения.

Изобретательский уровень данного технического решения состоит в том, что, во-первых, полупроводниковые элементы моста инвертора заменены дросселями насыщения, во-вторых, организован такой режим включения и выключения входного электронного ключа, при котором управляемо и частично подавлена способность дросселей насыщения переключать ток в обратном направлении, зато в полной мере используется способность работать в режиме "Включено-выключено".

Известно, что нелинейные индуктивности дроссели насыщения можно применять в качестве переключающих дросселей, это свойство основано на нелинейности намагничивания сердечника дросселя. Пока сердечник не насыщен, напряженность Н магнитного поля в нем не превышает некоторой величины Н_н, зависящей от свойств магнитного материала. В силу закона Ампера IN Hl ограничен и ток I, протекающий по обмотке дросселя (где N число витков; l длина сердечника). Магнитное состояние сердечника при этом определяется согласно закону Фарадея Ф (I/N) ∫ Edt (1), где Ф магнитный поток через сердечник; Е напряжение, приложенное к обмотке дросселя. Так как Ф B S (2), где В индукция сердечника; S площадь поперечного сечения сердечника, то (1) представим в виде В (I/NS) ∫ Edt (3), если напряжение Е постоянное, то (3) упрощается Δ В Е Δ t/NS (4).

Поскольку в ненасыщенном состоянии сердечника ток I по обмотке мал и возрастает линейно с течением времени, то так же малы и линейно возрастают магнитное поле Н и индукция В в сердечнике, другими словами, индуктивное сопротивление дросселя очень велико в этот момент. В процессе насыщения сердечника соответствие В μ Н, где μ магнитная проницаемость материала сердечника, исчезает, магнитное поле Н может вырасти в тысячи раз, а индукция В всего на несколько десятков процентов, другими словами, индуктивное сопротивление насыщенного дросселя очень мало, а ток велик (в соответствии с IN Hl). Промежуток времени Δ t от начала приложения напряжения Е к обмотке дросселя до появления состояния насыщения сердечника называют интервалом ожидания, который можно определить из (4) Δ t BNS/E (5). Отсюда следует, что интервал ожидания обратно пропорционален приложенному к обмотке дросселя напряжению Е, это является наиболее важным для понимания работы предложенного инвертора.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема инвертора; на фиг.2 функциональная схема одной секции блока управления входным электронным ключом.

Инвертор содержит дроссели 1-4 насыщения, трансформаторы 5 и 6 тока в качестве датчиков тока, последовательно соединенные конденсатор 7 и нагрузку 8, полностью управляемый входной электронный ключ 9, блок 10 управления входным электронным ключом.

Дроссель 1 насыщения связан первым выводом через трансформатор 5 тока с положительной шиной источника питания, а вторым выводом соединен с выводом конденсатора 7, дроссель 2 насыщения связан первым выводом через трансформатор 6 тока с положительной шиной источника питания, а вторым выводом соединен с выводом нагрузки 8, дроссель 3 насыщения соединен первым выводом с общей точкой соединения конденсатора 7 и дросселя 1 насыщения, дроссель 4 насыщения соединен первым выводом с общей точкой соединения нагрузки 8 и дросселя 2 насыщения, вторыми выводами дроссели 3 и 4 насыщения связаны через входной электронный ключ 9 с отрицательной шиной источника питания, вторичная обмотка трансформатора 5 тока соединена с первым входом блока 10, а вторичная обмотка трансформатора 6 тока соединена с вторым входом блока 10 управления входным ключом 9.

При запуске инвертора предварительно заряжают конденсатор 7 до напряжения Е_сп с полярностью, указанной на фиг.1 без скобок, затем включают в цепь инвертора. По внутренней первой цепи инвертора конденсатор 7 дроссель 1 насыщения трансформатор 5 тока трансформатор 6 тока дроссель 2 насыщения нагрузка 8 конденсатор 7 начинает течь небольшой ток, линейно возрастая со временем. Этот ток будет обратным для дросселя 1 насыщения и прямым для дросселя 2 насыщения. По внутренней второй цепи инвертора конденсатор 7 дроссель 3 насыщения дроссель 4 насыщения нагрузка 8 конденсатор 7 будет течь такой же небольшой, линейно растущий ток, который будет прямым для дросселя 3 насыщения и обратным для дросселя 4 насыщения. Следовательно, прямой ток будет течь по дросселям 2 и 3 насыщения, а обратный по дросселям 1 и 4 насыщения. Обратный ток определенной величины вызовет во вторичной обмотке трансформатора 5 тока, соединенной с первым входом блока 10 управления входным электронным ключом 9, напряжение, от которого сработает блок 10 и включит входной электронный ключ 9, который откроет путь току источника питания (не показан) с напряжением Е_п. При этом на дроссели 2 и 3 насыщения будет действовать прямое напряжение Е Е_сп + Е_п, увеличивающее ток по ним, а на дроссели 1 и 4 насыщения будет действовать обратное напряжение Е Е_сп Е_п. В силу формулы (5) дроссели 2 и 3 насыщения войдут в состояние прямого насыщения быстрее, чем дроссели 1 и 4 в состояние обратного насыщения, поэтому конденсатор 7 перезарядится через дроссели 2 и 3 насыщения прямым током от источника питания, полярность напряжения Е_с на конденсаторе 7 изменится (указано в скобках на фиг.1). При спаде прямого тока перезарядки, проходящего по дросселю 2 насыщения и соединенному с ним трансформатору 6 тока, определенная величина спадающего тока вызывает во вторичной обмотке трансформатора 6 тока напряжение, от которого срабатывает блок 10 управления входным ключом 9 и выключает его.

Так как полярность напряжения на конденсаторе 7 теперь обратна первоначальной, то по вышеуказанным двум внутренним цепям снова потекут небольшие, линейно растущие токи, но направления их будут противоположны первоначальным. Эти токи будут прямыми для дросселей 1 и 4 насыщения и обратными для дросселей 2 и 3 насыщения. Обратный ток определенной величины вызовет во вторичной обмотке трансформатора 6 тока, соединенной с вторым входом блока 10 управления входным ключом 9, напряжение, от которого сработает блок 10 и включит входной ключ 9, который откроет путь току источника питания. При этом на дроссели 1 и 4 насыщения будет действовать прямое напряжение Е Е_с + Е_п, увеличивающее прямой ток по дросселям 1 и 4 насыщения, а на дроссели 2 и 3 насыщения будет действовать обратное напряжение Е Е_сп Е_п, в силу формулы (5) дроссели 1 и 4 насыщения быстрее войдут в состояние прямого насыщения, чем дроссели 2 и 3 в состояние обратного насыщения, поэтому конденсатор 7 зарядится через дроссели 1 и 4 насыщения от источника питания до напряжения Е_с с первоначальной полярностью (указано без скобок на фиг.1). При спаде прямого тока зарядки конденсатора 7, проходящего по дросселю 1 насыщения и соединенному с ним трансформатору 5 тока, определенная величина спадающего тока вызовет во вторичной обмотке трансформатора 5 тока напряжение, от которого сработает блок 10 управления входным ключом 9 и выключит его. Схема вернулась в исходное состояние.

Включение и выключение входного электронного ключа 9 производится при ненасыщенных дросселях 1-4, следовательно, в указанной схеме осуществляется практически бестоковое включение-выключение входного ключа 9. Так как индуктивности дросселей насыщения одинаковы, то по нагрузке 8 будет протекать симметричный переменный ток.

Блок 10 управления входным электронным ключом 9 состоит из двух одинаковых секций, каждая содержит первый и второй каналы, первый канал включает входной ключ 9, а второй выключает его.

Первый канал содержит входной переменный резистор 11, усилитель-ограничитель 12, формирователь 13 прямоугольных импульсов, устройство 14 дифференцирования и выбора импульсов, формирователь 15 прямоугольных коротких импульсов, формирователь 16 прямоугольных импульсов, конечный усилитель 17.

С вторичной обмотки трансформатора тока, например трансформатора 5 тока, импульс напряжения, соответствующий определенной величине обратного тока, поступает на вход переменного резистора 11. Пусть импульс входного напряжения будет отрицательным, тогда с выхода резистора 11 сигнал поступает на инвертирующий вход усилителя-ограничителя 12, выполненного на операционном усилителе в варианте однополярного питания, положительный, ограниченный сверху сигнал поступает на вход формирователя 13 прямоугольных отрицательных импульсов, выполненного на одной ячейке 2И-НЕ, затем сигнал дифференцируется в устройстве 14, в нем же производится выбор отрицательной части продифференцированного импульса, с выхода устройства 14 сигнал поступает на вход формирователя 15 отрицательных коротких импульсов, выполненного на двух ячейках 2И-НЕ, соединенных последовательно, с выхода формирователя 15 сигнал поступает на вход формирователя 16 прямоугольных положительных импульсов, выполненного в виде моновибратора на таймере (типа КР1006ВИ1), выход с моновибратора соединен с входом конечного усилителя 17, выполненного с трансформаторным выходом.

Переменным резистором 11 задается начальная точка включения входного ключа 9 при запуске инвертора, т.е. задается такое начальное соответствие между величиной обратного тока, перемагничивающего дроссели насыщения в обратном направлении, и моментом включения входного ключа 9, что становится возможным инвертирование. Однажды заданное соответствие сохраняется при изменениях нагрузки и питающего напряжения. Имеется минимальная величина обратного тока, при которой инвертирование еще возможно, точку включения входного ключа 9 можно передвигать от минимальной величины обратного тока до его амплитудной величины, таким образом можно регулировать среднюю величину напряжения на нагрузке 8.

Второй канал содержит входной переменный резистор 18, усилитель-ограничитель 19, формирователь 20 прямоугольных импульсов, устройство 21 дифференцирования и выбора импульса, формирователь 22 коротких прямоугольных импульсов, формирователь 23 прямоугольных импульсов, конечный усилитель 24.

На входной переменный резистор 18 от трансформатора 5 тока поступает положительный сигнал от прямого тока его спадающей ветви. С резистора 18 сигнал поступает на неинвертирующий вход усилителя-ограничителя 19, выполненного на операционном усилителе в варианте однополярного питания, положительный, ограниченный сверху сигнал поступает на вход формирователя 20 отрицательных прямоугольных импульсов, выполненного на одной ячейке 2И-НЕ, затем сигнал дифференцируется в устройстве 21, в нем же производится выбор положительной части продифференцированного импульса. С выхода устройства 21 сигнал поступает на вход формирователя 22 коротких отрицательных импульсов, выполненного на одной ячейке 2И-НЕ, с выхода формирователя 22 сигнал поступает на вход формирователя 23 прямоугольных положительных импульсов, выполненного в виде моновибратора на таймере (типа КР1006ВИ1), выход моновибратора соединен с входом конечного усилителя 24 с трансформаторным выходом.

Блок 10 управления входным ключом 9 в вышеописанном исполнении предназначен для управления двухоперационным тиристором. Если же в качестве входного ключа применяется транзистор, то выход с формирователя 22 соединяют с входом "Сброс" формирователя 16, выполненного в виде моновибратора на таймере (КР1006ВИ1). Импульс с формирователя 22 ограничивает длительность выходного импульса формирователя 16, поэтому входной ключ транзистор будет открыт строго определенное время.

Использование: в преобразовательной технике, а именно во вторичных источниках питания переменного тока. Сущность изобретения: устройство содержит мост, в плечи которого включены дроссели насыщения, последовательно с дросселями насыщения в смежные плечи моста включены датчики тока, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления входным электронным ключом. Система управления входным электронным ключом обеспечивает соответствие между степенью перемагничивания дросселей насыщения обратным током и моментом включения входного ключа, выключает его в области нулевых токов после прохождания импульса прямого тока. 2 ил.

АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР, содержащий последовательно соединенные конденсатор и нагрузку, электронный ключ, соединенный первым силовым выводом с отрицательной шиной источника питания, блок управления электронным ключом, отличающийся тем, что дополнительно введены нелинейные индуктивности первой, второй, третий и четвертый дроссели насыщения, первый и второй датчики тока, причем первый и второй дроссели насыщения первыми выводами связаны соответственно через первый и второй датчики тока с положительной шиной источника питания, а вторыми выводами соединены: первый дроссель насыщения с выводом конденсатора, второй дроссель насыщения с выводом нагрузки, третий дроссель насыщения соединен первым выводом с общей точкой соединения конденсатора и первого дросселя насыщения, четвертый дроссель насыщения соединен первым выводом с общей точкой соединения нагрузки и второго дросселя насыщения, а вторыми выводами соединены с вторым силовым выводом электронного ключа, выходы первого и второго датчиков тока соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления электронным ключом.