АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2005 года по МПК H02M7/521 

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано в источниках питания повышенной частоты для индукционного нагрева.

Известен автономный инвертор, содержащий конденсатор фильтра, дроссель фильтра, инверторный мост на тиристорах с неуправляемыми обратными диодами, при этом нагрузка включена в диагональ моста последовательно с коммутирующей LC-цепочкой [А.с. СССР №955509, кл. Н 02 Р 13/18, БИ №32, 1982].

Недостатком данной схемы инвертора является возникновение прямых коммутационных перенапряжений на тиристорах инверторного моста при выключении неуправляемых обратных диодов с большими скоростями нарастания, что в конечном итоге может приводить к самопроизвольному включению тиристоров.

Известен также автономный инвертор, содержащий подключенный через фильтровый дроссель к входным выводам мост, каждое плечо которого состоит из последовательно соединенных пары встречно-параллельных вентилей и обмотки дросселя, причем обмотки дросселя последовательно соединенных плеч расположены на одном магнитопроводе и включены встречно, в диагональ переменного тока моста последовательно с LC-контуром включена цепь нагрузки, причем обмотки всех четырех плеч размещены на одном общем магнитопроводе, а обмотки, включенные в противофазные плечи, которые соединены с одним входным выводом, включены встречно между собой [А.с. СССР №1328907, кл. Н 02 М 7/523, БИ 229, 1987].

Недостатком данного инвертора является возникновение прямых коммутационных перенапряжений на тиристорах при выключении встречных диодов с большими скоростями нарастания, что может привести к самопроизвольному включению тиристоров.

Известен автономный инвертор, выбранный в качестве прототипа заявляемого изобретения, содержащий подключенный через фильтровые дроссели к входным зажимам тиристорный мост с коммутирующей LC-цепью и нагрузкой, и встречный диод, который подсоединен параллельно к тиристорному мосту [Тиристорные преобразователи частоты/А.К.Белкин, Т.П.Костюкова, Л.Э.Рогинская, А.А.Шуляк. - М.: Энергоатомиздат, 2000, с.53, рис.2.14,а].

К недостатку данной схемы автономного инвертора следует отнести тот факт, что резкий спад обратного тока встречного диода приводит к возникновению на выключившемся диоде импульса обратного напряжения, являющегося для тиристоров того же плеча моста прямым перенапряжением. Вследствие высокой скорости нарастания du/dt, такие перенапряжения могут вызвать самопроизвольное, несвоевременное включение тиристоров и, как результат, срыв инвертирования.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является снижение уровня прямых коммутационных перенапряжений на тиристорах, обусловленных резким спадом обратного тока встречного диода при его выключении.

Задача решается тем, что в автономном инверторе, содержащем подключенный через фильтровые дроссели к входным зажимам тиристорный мост с коммутирующей LC-цепью и нагрузкой и встречный диод, встречный диод подключен параллельно двум парам ветвей, каждая из которых образована тиристором и одним из четырех отдельных, одинаковых по индуктивности, дросселей коммутирующей LC-цепи.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена принципиальная схема заявляемого автономного инвертора; на фиг.2 приведены временные диаграммы, поясняющие принцип действия автономного инвертора.

Автономный инвертор содержит подключенный через фильтровые дроссели 1, 2 к входным зажимам 3, 4 тиристорный мост 5 (тиристоры 6, 7, 8, 9) с коммутирующей LC-цепью (коммутирующий конденсатор 10) и нагрузкой 11 и встречный диод 12, причем встречный диод 12 подключен параллельно двум парам ветвей, каждая из которых образована тиристором 6, 7, 8, 9 и одним из четырех отдельных, одинаковых по индуктивности, дросселей 13, 14, 15, 16 коммутирующей LC-цепи (6-13, 7-14, 8-15, 9-16).

Автономный инвертор в квазиустановившемся режиме работает следующим образом.

Пусть в начальный момент времени t₀ включены тиристоры 6, 9; вследствие чего ток фильтровых дросселей 1, 2 протекает по цепи: входной зажим 3, фильтровый дроссель 1, тиристор 6, коммутирующий дроссель 13, коммутирующий конденсатор 10, нагрузка 11, коммутирующий дроссель 16, тиристор 9, фильтровый дроссель 2, входной зажим 4.

Индуктивность фильтровых дросселей 1, 2 обычно не менее чем на порядок больше индуктивностей коммутирующих дросселей 13, 14, 15, 16, что вполне позволяет пренебречь переменной составляющей тока, потребляемого от источника питания. Такой ток обуславливает линейную зарядку коммутирующего конденсатора 10 в интервале времени t₀-t₁ (см. фиг.2) до амплитудного значения напряжения с полярностью, показанной на фиг.1.

В момент t₁ отпирающие импульсы падаются на тиристоры 7, 8 и начинается колебательный перезаряд коммутирующего конденсатора 10 через нагрузку 11 и далее по двум путям: через коммутирующий дроссель 13, тиристор 6 (в обратном направлении), тиристор 8, коммутирующий дроссель 15, а также через коммутирующий дроссель 14, тиристор 7, тиристор 9 (в обратном направлении), коммутирующий дроссель 16.

Когда в момент времени t₂ величина тока перезаряда конденсатора 10 превысит величину тока фильтровых дросселей 1, 2, тиристоры 6, 9 выключатся, но тиристоры 7, 8 продолжают проводить ток, а контур перезаряда конденсатора 10 будет продолжать замыкаться через включившийся встречный диод 12.

Из рассмотрения диаграмм, приведенных на фиг.2, видно, что в интервале проводимости диода 12 к только что выключившимся тиристорам 6, 9 прикладывается обратное напряжение, являющееся не чем иным, как падением напряжения на соответствующих коммутирующих дросселях 14 и 15. Приложение к тиристорам 6, 9 обратного напряжения существенно интенсифицирует процесс восстановления их управляемости.

Процесс в контуре, замыкаемом встречным диодом 12, носит колебательный характер, так что в момент t₃ этот диод 12 выключается и ток фильтровых дросселей 1, 2 продолжает протекать через тиристоры 7, 8, обуславливая близкий к линейному характер заряда коммутирующего конденсатора 10.

В момент времени t₄ производится включение тиристоров 6, 9 и коммутирующий конденсатор 10 по двум вышерассмотренным колебательным контурам осуществляет выключение проводивших ранее тиристоров 8, 7, после чего цепь тока коммутирующего конденсатора 10 вновь замыкается встречным диодом 12. При этом в интервале нарастания тока диода 12 к выключившимся тиристорам 8, 7 прикладывается обратное напряжение, являющееся падением напряжения на соответствующих коммутирующих дросселях 16, 13, что обеспечивает эффективное восстановление управляемости тиристоров 8, 7. После выключения диода 12 в момент t₆ ток фильтровых дросселей 1, 2 продолжают проводить тиристоры 6, 9 и коммутирующий конденсатор 10 в интервале времени t₆-t₇ (см. фиг.2) дозаряжается по линейному закону до амплитудного значения напряжения с полярностью, показанной на фиг.1. С момента t₆ вышеописанный процесс полностью повторяется.

Таким образом, за полный цикл работы всех тиристоров моста 5 в нагрузке 11 будет получен полный период изменения тока, форма кривой которого довольно-таки близка к синусоидальной. При этом кривая выходного напряжения принципиально оказывается симметричной относительно оси времени и, следовательно, содержит в своем спектре только нечетные высшие гармоники, начиная с третьей.

Вследствие колебательного характера процессов выключения тиристоров и встречного диода имеют место выбросы их обратных токов (на фиг.2 - не показаны ввиду их малости относительно амплитуды прямых токов). Спад обратного тока полупроводниковых приборов происходит с весьма высокой скоростью вследствие неизбежного исчерпания запаса неравновесных неосновных носителей заряда в их базах, накопленных в интервале протекания прямого тока и, следовательно, резкого снижения проводимости полупроводниковой структуры в обратном направлении. Данное обстоятельство является причиной возникновения на индуктивных элементах, а следовательно, и на соответствующих выключившихся полупроводниковых приборах так называемых коммутационных перенапряжений, имеющих по отношению к этим полупроводниковым приборам обратную полярность.

Такая ситуация возникает при каждом выключении встречного диода 12. При этом в схемах, приведенных в качестве аналогов и прототипа, полярность коммутационных перенапряжений, вызванных выключением встречного диода, являясь для этого диода обратной, оказывается прямой для тиристоров моста. Это обстоятельство заставляет предпринимать специальные меры по предотвращению самопроизвольного включения тиристоров из-за высоких значений скорости нарастания их прямых анодных напряжений.

В предлагаемом техническом решении при резком спаде обратного тока встречного диода 12 коммутационные перенапряжения, возникающие на соответствующих коммутирующих дросселях, оказываются не прямыми, а обратными для непроводящих в данный момент тиристоров. Иными словами, если встречный диод 12 проводил ток совместно с тиристорами 8, 7, то спад обратного тока этого диода вызывает на коммутирующем дросселе 15 и на коммутирующем дросселе 14 возникновение коммутационных перенапряжений с полярностью, обратной для тиристоров 6, 9. В самом деле, рассматривая контур, содержащий встречный диод 12, не проводящий тиристор 6, коммутирующие дроссели 13, 14, проводящий тиристор 7, нетрудно заметить, что коммутационное перенапряжение, возникающее на дросселе 14 при обрыве обратного тока диода 12, должно иметь полярность, обратную по отношению к непроводящему в данный момент тиристору 6. Аналогичная ситуация имеет место в контуре: встречный диод 12, проводящий тиристор 8, коммутирующие дроссели 15 и 16, непроводящий тиристор 9. Здесь коммутационное перенапряжение, возникающее на дросселе 15, должно иметь полярность, обратную по отношению к непроводящему в данный момент тиристору 9. Тогда, в соответствии со вторым законом Кирхгофа, амплитуда результирующего прямого коммутационного перенапряжения на тиристорах 6 или 9 должна определиться разностью коммутационных перенапряжений на встречном диоде 12 и на соответствующем коммутирующем дросселе 15 или 14. Следовательно, результирующее прямое коммутационное перенапряжение на тиристорах 6 и 9 будет ослаблено как по амплитуде, так и по скорости его нарастания. Аналогично ослабляются и прямые коммутационные перенапряжения на тиристорах 8 и 7 (см. фиг.2).

Ограничение же коммутационных перенапряжений обратной полярности, возникающих на тиристорах вследствие обрыва ими своего собственного обратного тока, может быть достигнуто значительно проще, поскольку при обратных перенапряжениях отпадает необходимость понижения их скорости нарастания (du/dt).

Как показали экспериментальные исследования, проведенные в НПП «Курай», данное техническое решение позволяет на 15% снизить уровень прямых коммутационных перенапряжений на тиристорах, обусловленных резким спадом обратного тока встречного диода при его выключении, что значительно повысило надежность работы тиристорного преобразователя частоты, созданного на базе предлагаемого автономного инвертора.

В настоящее время данный тиристорный преобразователь частоты находит самое широкое распространение на машиностроительных и металлургических предприятиях страны в качестве высокочастотного источника питания различных индукционных установок.

Изобретение может быть использовано как источник питания повышенной частоты для индукционного нагрева. Технический результат - снижение уровня прямых коммутационных перенапряжений на тиристорах, обусловленных резким спадом обратного тока встречного диода при его выключении. В автономном инверторе встречный диод подключен параллельно двум парам ветвей, каждая из которых образована тиристором и одним из четырех отдельных, одинаковых по индуктивности, дросселей коммутирующей LC-цепи. 2 ил.

Автономный инвертор, содержащий подключенный через фильтровые дроссели к входным зажимам тиристорный мост с коммутирующей LC-цепью и нагрузкой и встречный диод, отличающийся тем, что встречный диод подключен параллельно двум парам ветвей, каждая из которых образована тиристором и одним из четырех отдельных одинаковых по индуктивности дросселей коммутирующей LC-цепи.