АВТОНОМНЫЙ ПОЛУМОСТОВОЙ ИНВЕРТОР И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ АВТОНОМНОГО ПОЛУМОСТОВОГО ИНВЕРТОРА Российский патент 2004 года по МПК H02M7/523 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в инверторных источниках питания в системах управления для установок индукционного нагрева и плавки металла.

Известен полумостовой высокочастотный резонансный инвертор на МДП-транзисторах, содержащий фильтровый конденсатор, два последовательно соединенных разделительных конденсатора, индуктивность нагрузки, при этом разделительные конденсаторы подключены параллельно фильтровому конденсатору, который подключен параллельно источнику постоянного напряжения, а индуктивность нагрузки одним выводом соединена со средней точкой полумостовой схемы, а вторым - с точкой соединения разделительных конденсаторов (Высокочастотные транзисторные преобразователи. М.: Радио и связь, с.233, рис. 6.25).

Наиболее близким к предлагаемому является автономный тиристорный полумостовой инвертор, содержащий два тиристора, шунтированных диодами и соединенных противофазно с образованием полумостовой схемы, фильтровый конденсатор, два последовательно соединенных разделительных конденсатора, индуктивность нагрузки, являющейся индуктором плавильной установки, при этом разделительные конденсаторы подключены параллельно фильтровому конденсатору, который подключен параллельно источнику постоянного напряжения, а индуктивность нагрузки одним выводом соединена со средней точкой полумостовой схемы, а вторым - с точкой соединения разделительных конденсаторов (POWER SUPPLIES IN INDUCTION MELTING SYSTEMS /Keys to Understandling This Fundamental Melting Technolodgy, fig.8 / Oleg S. Fishman / Vice President of Engineering Inductotherm Corp. / Rancocas, NJ 08073, December 1992).

И в том и в другом случае основным режимом работы инверторов является одночастотный режим, обычно на частоте, близкой к резонансной частоте нагрузочного контура. В этом случае достигаются наилучшие соотношения между мощностью передаваемой в нагрузку и установленной мощностью оборудования инвертора. Однако ряд технологических процессов, использующих индукционный нагрев, требуют одновременного наличия токов низкой и высокой частоты. Так при высокочастотной закалке деталей, имеющих сложную конфигурацию поверхности, например при закалке шестерен, метод двух частот обеспечивает достаточно точное повторение закаленным слоем контура сложной поверхности обрабатываемой детали ("Simultaneous Dual-Frequency Gear Hardening'// "Industrial Heating", July, 2001). В индукционных печах качество выплавляемого металла существенно возрастает если нагрев осуществляют на средней частоте, а силовое воздействие электромагнитным полем на ванну жидкого металла производят на низкой частоте. При этом обеспечивается интенсивное перемешивание металла в сочетании с высоким темпом его нагрева током средней частоты. (Завтрашние технологии индукционной плавки уже существуют, Джон X. Мортимер [Фирма Inductotherm, г.Ранкокас, США] // журнал “Литейщик России”, 2002, c.33-34).

Отсюда недостатком выявленных в результате патентного поиска автономных полумостовых инверторов является невозможность независимого формирования в нагрузке одновременно токов высокой и низкой частоты.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска автономные полумостовые инверторы, аналог и прототип заявленного устройства, при осуществлении не позволяют достичь технического результата, заключающегося в возможности независимого формирования в нагрузке одновременно токов высокой и низкой частоты.

Патентный поиск аналогов и наиболее близкого решения к заявленному способу управления работой автономного полумостового инвертора, используемому для управления инвертором, выявил следующее.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, управляющие диодами, формирующими прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. При этом задают временной интервал, измеряют напряжение на тиристорах, формируют разрешающий логический сигнал, принимающий истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволну тока в нагрузке, а очередной импульс управления на тиристоры подают по истечение заданного временного интервала, причем отсчет временного интервала разрешают при истинном значении сформированного разрешающего логического сигнала (патент РФ №2117378, Н 02 М 7/48, Н 02 М 7/523, 10.08.98).

Наиболее близким к заявленному является способ управления инвертором тока, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения в нагрузке. При этом измеряют мгновенное значение напряжения на нагрузке, определяют моменты перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, подают очередные импульсы управления на вентили в моменты перехода мгновенного напряжения на нагрузке через нулевое значение, задают интервал времени между моментами перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, сравнивают измеренный интервал времени с заданным, причем при превышении измеренным интервалом времени заданного подачу импульсов управления на вентили прекращают (патент №1269984, РФ, Н 02 М 7/521, 27.06.2001)

Оба способа управления работой инвертора обеспечивают синхронизацию работы управляющих тиристоров, т.е. устраняют возможность появления в токе инвертора, помимо высокочастотной, низкочастотной составляющей, что в принципе не позволяет формировать в нагрузке инвертора одновременно токи высокой и низкой частоты.

Таким образом, выявленные в результате патентного поиска аналог и прототип заявленного способа управления автономным полумостовым инвертором, используемого для управления заявленным инвертором, при осуществлении не обеспечивают достижения технического результата, заключающегося в возможности формирования в нагрузке инвертора сигнала, содержащего одновременно высокочастотный и низкочастотный токи.

Предлагаемое изобретение - автономный полумостовой инвертор, решает задачу создания инвертора, осуществление которого позволяет достичь технического результата, заключающегося в возможности формирования в нагрузке инвертора сигнала, содержащего одновременно высокочастотный и низкочастотный токи.

Сущность изобретения заключается в том, что в автономный полумостовой инвертор, содержащий первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, фильтровый конденсатор, первый и второй последовательно соединенные разделительные конденсаторы, индуктивность нагрузки, при этом разделительные конденсаторы подключены параллельно фильтровому конденсатору, который подключен параллельно источнику постоянного напряжения, а индуктивность нагрузки одним выводом соединена со средней точкой полумостовой схемы, которая подключена параллельно разделительным конденсаторам, введен компенсирующий высокочастотный конденсатор, при этом индуктивность нагрузки и компенсирующий конденсатор соединены с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура, кроме того, в устройство введен низкочастотный дроссель, который подключен между вторым выводом индуктивности нагрузки и точкой соединения разделительных конденсаторов и образует с разделительными конденсаторами последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в нагрузке инвертора.

Технический результат достигается следующим образом. Фильтровый конденсатор, подключенный параллельно источнику постоянного напряжения, отсекает сигнал помехи по цепи источника питания. Первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, обеспечивают управление работой инвертора, участвуя тем самым в формировании параметров выходного сигнала в колебательном контуре нагрузки.

Обычно нагрузкой инвертора, работающего в ключевом режиме, является, например, индуктор закалочной или плавильной установки. Как правило, такая нагрузка имеет резко индуктивный характер и для компенсации реактивной мощности параллельно индуктору или последовательно с ним подключают компенсирующий конденсатор.

В предлагаемом устройстве применение полумостовой схемы позволило использовать разделительные конденсаторы одновременно в качестве фильтровых на высокой частоте и в качестве компенсирующих - на низкой частоте. В результате в устройстве осуществлена последовательная компенсация индуктивности нагрузки, при этом роль компенсирующих конденсаторов выполняют разделительные конденсаторы, и параллельная компенсация нагрузки введенным в устройство высокочастотным компенсирующим конденсатором.

Введение низкочастотного дросселя, который подключен между вторым выводом индуктивности нагрузки и точкой соединения разделительных конденсаторов и образует с ними последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в нагрузке инвертора, а также соединение индуктивности нагрузки и компенсирующего конденсатора с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура, позволяет использовать резонансные явления для одновременного формирования высокочастотной и низкочастотной составляющих тока в нагрузке инвертора.

Благодаря тому, что индуктивность нагрузки и компенсирующий конденсатор соединены с образованием параллельного резонансного колебательного LC-контура, все реактивные токи компенсации замыкаются в колебательном контуре инвертора, что позволяет сконцентрировать практически всю выделяемую ими мощность в нагрузке. При этом, так как компенсирующий конденсатор выполнен высокочастотным и компенсация индуктивности нагрузки осуществляется по высокой частоте, это обуславливает формирование в индуктивности нагрузки токов высокой частоты.

Низкочастотный дроссель, который подключен между вторым выводом индуктивности нагрузки и точкой соединения разделительных конденсаторов, обеспечивает возможность замыкания тока в нагрузке при открывании управляемого ключа полумоста. Кроме того, после закрытия управляемого ключа, за счет формируемой ЭДС, низкочастотный дроссель обеспечивает непрерывность прохождения тока через нагрузку, а следовательно, непрерывность формирования в ней высокочастотного сигнала, замыкая ток в нагрузке через противофазный диод, достраивает полуволну тока.

Как уже было сказано, разделительные конденсаторы и низкочастотный дроссель, который подключен между вторым выводом индуктивности нагрузки и точкой соединения разделительных конденсаторов и образует с ними последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур, обеспечивают компенсацию индуктивности нагрузки по низкой частоте. Поскольку на низкой частоте сопротивление высокочастотного конденсатора параллельного контура нагрузки значительно выше, чем индуктивности нагрузки, низкочастотная составляющая тока инвертора замыкается в основном через индуктивность нагрузки, причем с максимальной амплитудой, за счет резонанса напряжений в последовательном колебательном контуре на частоте низкочастотной составляющей тока. Все это обеспечивает возможность независимого формирования в нагрузке тока низкой частоты.

Из вышеизложенного следует, что наличие в электрической схеме заявленного инвертора двух колебательных контуров: параллельного, высокочастотного, и последовательного, низкочастотного, обеспечивает компенсацию индуктивности нагрузки по высокой и низкой частотам. Поскольку все реактивные токи компенсации замыкаются в параллельном колебательном контуре инвертора, то наличие в цепях компенсации высокочастотного и низкочастотного колебательных контуров, работающих соответственно на частотах высокочастотной и низкочастотной составляющих тока индуктора, обеспечивает возможность формирования в нагрузке одновременно токов высокой и низкой частоты, за счет параллельного резонанса тока на высокой частоте, в параллельном контуре, а в последовательном контуре - последовательного резонанса напряжения на частоте низкочастотной составляющей тока инвертора. При этом, благодаря тому, что оба контура работают на соответствующей резонансной частоте, это позволяет получить максимальную амплитуду высокочастотного и низкочастотного токов в нагрузке.

Таким образом, заявленный автономный полумостовой инвертор при осуществлении обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в возможности формирования в нагрузке инвертора сигнала, содержащего одновременно высокочастотный и низкочастотный токи.

Сущность изобретения способ управления работой автономного полумостового инвертора, реализующего способ управления работой заявленного автономного полумостового инвертора, заключается в том, что в соответствии со способом инвертор выполняют по полумостовой схеме, выполняют параллельную компенсацию индуктивности нагрузки компенсирующим конденсатором, формируют прямую и обратную полуволны напряжения в индуктивности нагрузки, для чего поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумостовой схемы открывающие и закрывающие импульсы управления, при этом в нагрузке формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы, для чего, кроме того, выполняют последовательную компенсацию индуктивности нагрузки, а параллельный колебательный контур из индуктивности нагрузки и компенсирующего конденсатора выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором, импульсы управления формируют с частотой, равной резонансной частоте параллельного колебательного контура, при этом посредством управления ключами полумоста формируют в инверторе высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, а последовательную компенсацию индуктивности нагрузки выполняют на частоте низкочастотного сигнала.

Кроме того, посредством управления ключами полумоста при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инвертора вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов, при этом открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода, причем, при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора, изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инвертора момент подачи запирающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют, при формировании отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора моменты подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи заменяют на противоположные.

Технический результат достигается следующим образом. Благодаря тому, что в заявленном способе поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумоста открывающие и закрывающие импульсы управления, осуществляют управление работой управляемых ключей, которые формируют прямую и обратную полуволны напряжения в нагрузке.

Поскольку в инверторе выполняют последовательную компенсацию индуктивности нагрузки на частоте низкочастотной составляющей тока нагрузки, а параллельный колебательный контур выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором, обеспечивают последовательную и параллельную компенсацию реактивной мощности нагрузки.

Выполнение инвертора по полумостовой схеме позволяет использовать конденсаторы фильтра одновременно в качестве фильтровых на высокой частоте и в качестве компенсирующих - на низкой частоте.

Поскольку в предлагаемом способе частоту следования управляющих импульсов в инверторной ячейке формируют равной резонансной частоте параллельного высокочастотного колебательного контура, обеспечивается возможность формирования высокочастотных колебаний, а следовательно, высокочастотного тока. При этом благодаря тому, что посредством управления ключами полумостовой схемы формируют в инверторе высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, и, кроме того, выполняют компенсацию индуктивности индуктора нагрузки на частоте низкочастотного сигнала, обеспечивается возможность независимого формирования в нагрузке тока низкой частоты.

Благодаря тому, что компенсирующий высокочастотный конденсатор подключен к индуктивности нагрузки с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного контура, все реактивные токи компенсации замыкаются в колебательном контуре нагрузки, что позволяет сконцентрировать практически всю выделяемую ими мощность в нагрузке.

Поскольку компенсацию по низкой частоте выполняют на частоте низкочастотного сигнала, а по высокой частоте - на частоте, равной резонансной частоте параллельного колебательного контура, это позволяет для формирования низкочастотной и высокочастотной составляющих тока в индуктивности нагрузки использовать резонансные явления: параллельный резонанс тока - на высокой частоте, и последовательный резонанс напряжения - на низкой частоте. При этом на соответствующей резонансной частоте это позволяет получить максимальную амплитуду высокочастотного и низкочастотного токов в нагрузке.

Поскольку импульсы управления формируют с частотой, равной резонансной частоте параллельного колебательного контура, обеспечивается возможность формирования в нагрузке высокочастотных колебаний, а следовательно, высокочастотного тока, с максимальной амплитудой, за счет резонанса токов. При этом, так как все реактивные токи компенсации замыкаются в параллельном колебательном контуре инвертора, это позволяет формировать в нагрузке инвертора высокочастотную составляющую тока.

Благодаря тому, что посредством управления ключами полумоста формируют в инверторе высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, а последовательную компенсацию индуктивности нагрузки выполняют на частоте низкочастотного сигнала, формируют низкочастотную составляющую тока инвертора. При этом, поскольку на низкой частоте высокочастотный компенсирующий конденсатор имеет сопротивление значительно выше сопротивления индуктивности нагрузки, то низкочастотная составляющая тока инверторной ячейки так же замыкается в основном через индуктивность нагрузки, причем с максимальной амплитудой, за счет резонанса напряжений на частоте низкочастотного сигнала.

При этом сами высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по определенному закону, формируют благодаря тому, что посредством управления ключами полумоста при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инвертора вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов. Поскольку открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода, обеспечивается возможность синхронизации момента отпирания ключей. Благодаря тому, что, при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора, изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инвертора момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют - обеспечивается возможность варьирования продолжительностью времени нахождения управляемых ключей в открытом состоянии, что и приводит к дисбалансу в работе противофазных диодов, а следовательно, к нарушению симметрии высокочастотного сигнала, относительно оси времени, и появления в нем низкочастотной составляющей. Замена на противоположные моментов подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи: изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инвертора момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий отрицательную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют - обеспечивает возможность формирования отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора. При этом, как было показано выше, поскольку на низкой частоте сопротивление высокочастотного конденсатора параллельного колебательного контура нагрузки значительно выше, чем у индуктивности нагрузки, низкочастотная составляющая тока инвертора замыкается в основном через индуктивность нагрузки, что позволяет формировать низкочастотную составляющую тока в индуктивности нагрузки инвертора.

Таким образом, способ управления работой автономного полумостового инвертора, используемый для управления заявленным инвертором, при осуществлении обеспечивает возможность формирования в нагрузке инвертора одновременно высокочастотного и низкочастотного токов.

На фиг.1 изображена электрическая схема автономного полумостового инвертора; на фиг.2 - эпюры токов и напряжений, поясняющие работу устройства.

В примере выполнения устройства в качестве управляемых ключей использованы двухоперационные тиристоры. Автономный полумостовой инвертор содержит первый 1 и второй 2 тиристоры, шунтированные диодами 3, 4 и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы; фильтровый конденсатор 5, подключенный параллельно к клеммам 6, 7 источника постоянного напряжения, первый 8 и второй 9 последовательно соединенные разделительные конденсаторы, индуктивность нагрузки 10 и компенсирующий конденсатор 11, соединенные с образованием параллельного резонансного колебательного LC-контура, низкочастотный дроссель 12. Разделительные конденсаторы 8, 9 подключены параллельно фильтровому конденсатору 5. Полумостовая схема подключена параллельно разделительным конденсаторам 8, 9. Компенсирующий конденсатор 11 выполнен высокочастотным. Индуктивность 10 нагрузки одним выводом соединена со средней точкой полумостовой схемы, другим с низкочастотным дросселем 12, который подключен вторым выводом к точке соединения разделительных конденсаторов 8, 9. Низкочастотный дроссель 12 образует с конденсаторами 8, 9 последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока высокочастотного сигнала в нагрузке инвертора.

Способ управления работой автономного полумостового инвертора осуществляют следующим образом. Нагрузку инвертора выполняют в виде параллельного колебательного контура. В нагрузке формируют прямую и обратную полуволны напряжения, для чего поочередно подают на противофазные управляющие ключи полумоста открывающие и закрывающие импульсы управления. При этом в нагрузке формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы для чего:

- параллельный колебательный контур выполняют высокочастотным,

- импульсы управления формируют с частотой, равной резонансной частоте параллельного колебательного контура;

- посредством управления ключами полумоста формируют в инверторе высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала. Для этого посредством управления ключами полумоста при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инвертора вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов: открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода; при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора изменяют, по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инвертора, момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи запирающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют; при формировании отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора моменты подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи заменяют на противоположные.

Работу устройства и выполнение способа осуществляют следующим образом.

Рассмотрим работу устройства и выполнение способа для двух случаев: в нагрузке инвертора формируют только высокочастотный ток; в нагрузке инвертора формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный ток.

Режим формирования только высокочастотного тока индуктора можно назвать симметричным, так как время нахождения управляемых ключей в открытом и закрытом состоянии практически одинаково. В режиме формирования только высокочастотного тока индуктора на тиристоры 1, 2 подают симметричную последовательность закрывающих и открывающих импульсов управления (фиг.2а, б) с резонансной частотой параллельного колебательного контура нагрузки инвертора. Например, импульсы управления (фиг.2б) поступают на тиристор 1. При поступлении открывающего импульса тиристор 1 открывается. При этом формируется положительная полуволна высокочастотного тока, который протекает по контуру: тиристор 1, параллельный колебательный контур 10, 11, последовательный колебательный контур 12, 8, 9, 5, тиристор 1 (фиг.2в, t₀-t₁).

При подаче закрывающего импульса (фиг.2в, t₁) тиристор 1 закрывается, а диод 4 противофазного тиристора 2 открывается под действием ЭДС дросселя 12. В этом случае высокочастотный ток протекает по контуру: диод 4, параллельный колебательный контур 10, 11, последовательный колебательный контур 12, 8, 9, 5, диод 4 (фиг.2в, t₁-t₂).

Аналогично развиваются процессы при открывании и закрывании тиристора 2, но в этом случае формируется отрицательная полуволна тока на нагрузке (фиг.2в, t₃-t₄-t₅). При открывании тиристора 2 (импульс управления фиг.2а, t₃) высокочастотный ток протекает по контуру - тиристор 2, последовательный колебательный контур 8, 9, 5, 12, параллельный колебательный контур 10, 11, тиристор 2. При закрывании тиристора 2 (импульс управления фиг.2а, t₄) ток протекает по контуру: диод 3, последовательный колебательный контур 8, 9, 5, 12, параллельный колебательный контур 10, 11, диод 3.

Из эпюр на фиг.2в видно, что в моменты подачи закрывающего импульса на работающий тиристор открывается диод противофазного плеча инвертора и дополняют форму тока высокой частоты до полной полуволны импульсами тока треугольной формы. В результате через индуктивность нагрузки на резонансной частоте параллельного колебательного контура протекает высокочастотный ток, форма которого близка к синусоидальной. Низкочастотная составляющая в сигнале такой формы практически отсутствует.

Для получения в нагрузке одновременно высокочастотного и низкочастотного токов, путем управления тиристорами полумоста организуют режим работы, при котором в инверторе формируются высокочастотные колебания синусоидальной формы, средняя линия которых изменяется по закону низкочастотного сигнала.

Рассмотрим пример режима работы инвертора, который обеспечивает получение высокочастотных колебаний синусоидальной формы, средняя линия которых изменяется по закону низкочастотного сигнала: формирование положительной и отрицательной полуволны низкочастотного напряжения.

В обоих случаях импульсы управления (открывающие и закрывающие) следуют с резонансной частотой высокочастотного колебательного контура.

Рассмотрим случай получения положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора.

Для получения сигнала требуемой формы вносят дисбаланс в работу противофазных управляемого ключа и диода, для чего:

- открывающие импульсы на тиристоры подают в момент перехода через ноль тока противофазного диода;

- при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инвертора момент подачи закрывающего импульса на тиристор, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока;

- момент подачи закрывающего импульса на противофазный тиристор не меняют.

Пример выполнения способа дан в сравнении с симметричным, сбалансированным, режимом работы противофазных управляемых ключей и диодов. В режиме формирования положительной полуволны низкочастотного тока на тиристор 1 (допустим первым начал работу тиристор 1) закрывающие импульсы подают с запаздыванием на угол α по отношению к симметричному режиму (фиг.2д, t₂-α₁, t₄-α₂, t₆-α₃), a закрывающие импульсы, следующие на тиристор 2, подают, например, в те же моменты времени, как и при симметричном режиме работы инвертора (фиг.2е, t₂, t₄, t₆). При этом открывающие импульсы подают на тиристоры 1, 2 в моменты перехода тока через ноль синфазных диодов встречного тока 3, 4 (фиг.2д, t₃, t₅, t₇; фиг.2е, t₁, t₃, t₅), которые открываются под действием ЭДС низкочастотной индуктивности 12. Как видно из эпюр на фиг.2ж, в зависимости от величины угла (низкочастотная составляющая тока инвертора за период следования импульсов управления может увеличиваться или уменьшаться. Варьируя моментом подачи закрывающего импульса на тиристор 1 добиваются того, что приращение угла α(α₁, α₂, α₃) изменяется по вполне определенному закону, который позволяет формировать полуволну низкочастотного тока заданной формы, например синусоидальной (фиг.2ж, пунктирная линия).

В режиме формирования в выходном токе инвертора отрицательной полуволны низкочастотного тока порядок подачи импульсов управления на тиристоры 1, 2 меняется на противоположный: в этом случае закрывающие импульсы, следующие на тиристор 1, совпадают с симметричным режимом работы инвертора (фиг.2и, t₂, t₄, t₆), а закрывающие импульсы на тиристор 2 подают с запаздыванием на угол β, по отношению к симметричному режиму (фиг.2к, t₂-β₁, t₄-β₂, t₆-β₃). При этом значения угла (изменяют в соответствии с выбранным законом изменения низкочастотной составляющей тока инвертора. Открывающие импульсы управления так же, как и в предыдущем случае подают на тиристоры 1, 2 в момент окончания прохождения через синфазные диоды 4, 3 встречного тока (фиг.2 и, t₃, t₅, t₇; фиг.2к, t₁, t₃, t₅).

В результате в выходном токе инвертора формируется отрицательная полуволна низкочастотного тока (фиг.2л, показана пунктирной линией), которая в совокупности с положительной полуволной формирует период синусоиды низкочастотной составляющей тока инвертора.

Форма результирующего сигнала изображена на фиг.2м без привязки по времени.

Как видно из эпюр на фиг.2, значение амплитуды формируемого тока низкой частоты зависит от величины угла смещения закрывающих импульсов относительно их положения при симметричном режиме работы инвертора.

Результирующее значение амплитуды низкочастотного тока инвертора соответствует амплитуде тока, формируемой за счет последовательного резонанса напряжения на частоте низкочастотного тока инвертора в последовательном колебательном контуре из низкочастотной индуктивности 12 и конденсаторов 8, 9.

Поскольку закрывающие и открывающие импульсы так же, как и в симметричном режиме, следуют с частотой, соответствующей резонансной частоте параллельного колебательного контура нагрузки, высокочастотная составляющая тока инвертора возбуждает параллельный нагрузочный контур на резонансной частоте, при которой на индуктивности нагрузки устанавливается напряжение с максимальной амплитудой.

Обычно управление работой транзисторов в инверторах с внешним возбуждением осуществляется от внешнего задающего генератора (Высокочастотные транзисторные преобразователи /Э.М.Ромаш, Ю.И.Драбович и др. М.: Радио и связь, 1988, с.91). Применительно к нашему в простейшем случае это может быть генератор прямоугольных импульсов в виде меандра с прямым и инверсным выходами. При этом, например, управляющий вход первого тиристора 1 подключен к прямому выходу генератора, а второго тиристора 2 - к инверсному выходу. В результате обеспечивается синхронность работы тиристоров, выполняется равенство времени нахождения тиристора в закрытом и открытом состоянии при работе в симметричном режиме, и обеспечивается возможность регулировки моментом подачи импульсов управления на управляющие входы тиристоров 1, 2.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в инверторных источниках питания систем управления установок индукционного нагрева и плавки металла. Техническим результатом является формирование в нагрузке инвертора сигнала, содержащего одновременно высокочастотный и низкочастотный токи. Автономный полумостовой инвертор содержит полумостовую схему из управляемых ключей, шунтированных диодами, фильтровый конденсатор и разделительные конденсаторы, подключенные параллельно к клеммам источника постоянного напряжения. Нагрузку инвертора выполняют в виде высокочастотного параллельно колебательного LC-контура. С общей точкой конденсаторов и последовательно с LC-контуром соединен низкочастотный дроссель. Посредством управления ключами полумоста при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инвертора вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов и формируют в инверторе высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала. Инвертор содержит дроссель, который образует с конденсаторами последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей низкочастотной составляющей тока высокочастотного сигнала в нагрузке инвертора. В результате в нагрузке формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Автономный полумостовой инвертор, содержащий первый и второй управляемые ключи, шунтированные диодами и соединенные противофазно с образованием полумостовой схемы, фильтровой конденсатор, первый и второй последовательно соединенные разделительные конденсаторы, индуктивность нагрузки, при этом разделительные конденсаторы подключены параллельно фильтровому конденсатору, который подключен параллельно источнику постоянного напряжения, а индуктивность нагрузки одним выводом соединена со средней точкой полумостовой схемы, которая подключена параллельно разделительным конденсаторам, отличающийся тем, что введен компенсирующий высокочастотный конденсатор, при этом индуктивность нагрузки и компенсирующий конденсатор соединены с образованием высокочастотного параллельного резонансного колебательного LC-контура, кроме того, в устройство введен низкочастотный дроссель, который подключен между вторым выводом индуктивности нагрузки и точкой соединения разделительных конденсаторов и образует с разделительными конденсаторами последовательный низкочастотный резонансный колебательный контур с резонансной частотой, соответствующей частоте низкочастотной составляющей тока в нагрузке инвертора.2. Способ управления работой автономного полумостового инвертора, в соответствии с которым инвертор выполняют по полумостовой схеме, выполняют параллельную компенсацию индуктивности нагрузки компенсирующим конденсатором, формируют прямую и обратную полуволны напряжения в индуктивности нагрузки, для чего поочередно подают на противофазные управляемые ключи полумостовой схемы открывающие и закрывающие импульсы управления, отличающийся тем, что в нагрузке формируют одновременно высокочастотный и низкочастотный сигналы, для чего, кроме того, выполняют последовательную компенсацию индуктивности нагрузки, а параллельный колебательный контур из индуктивности нагрузки и компенсирующего конденсатора выполняют высокочастотным, для чего компенсацию по высокой частоте выполняют высокочастотным конденсатором, импульсы управления формируют с частотой, равной резонансной частоте параллельного колебательного контура, при этом посредством управления ключами полумоста формируют в инверторе высокочастотные колебания в виде синусоиды, средняя линия которой изменяется по закону низкочастотного сигнала, а последовательную компенсацию индуктивности нагрузки выполняют на частоте низкочастотного сигнала.3. Способ по п.2, отличающийся тем, что посредством управления ключами полумоста при формировании полуволны высокочастотной составляющей тока инвертора вносят дисбаланс в работу противофазных управляемых ключей и диодов, при этом открывающие импульсы на управляемые ключи подают в момент перехода через ноль тока синфазного диода, причем при формировании положительной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора изменяют по принятому закону изменения низкочастотной составляющей тока инвертора момент подачи закрывающего импульса на управляемый ключ, формирующий положительную полуволну высокочастотной составляющей тока, а момент подачи закрывающего импульса на противофазный управляемый ключ не меняют, при формировании отрицательной полуволны низкочастотной составляющей тока инвертора моменты подачи закрывающих импульсов на управляемые ключи заменяют на противоположные.