ОДНОФАЗНЫЙ ПОЛУМОСТОВОЙ ТИРИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2007 года по МПК H02M7/519 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным полумостовым инверторам, широко применяемым во вторичных источниках питания преимущественно с трансформаторной нагрузкой, например в электросварочных аппаратах инверторного типа [1÷3].

Силовая часть таких инверторов представляет собой «искусственный» мост, два плеча которого состоят из двух последовательно соединенных конденсаторов, а два других плеча - из двух последовательно соединенных в проводящем направлении тиристоров или транзисторов [4, 5, 6]. Наряду с простотой силовой схемы (всего два полупроводниковых элемента) большим достоинством полумостового инвертора является отсутствие постоянной составляющей напряжения в диагонали переменного тока, т.е. на нагрузке, при любых асимметриях в параметрах элементов схемы. Именно это достоинство и позволяет в качестве нагрузки использовать трансформатор с замкнутым магнитопроводом из материала с высокой индукцией и прямоугольной петлей гистерезиса, например, из анизотропной стали («мопермаллой»).

Недостатком транзисторного варианта таких инверторов является ограничение по мощности (току). Так, сварочные аппараты инверторного типа выпускаются на ток до (150÷160) А. Большие токи сварки требуют параллельного соединения транзисторов, что усложняет инвертор и снижает его надежность.

Тиристорный полумостовой инвертор лишен упомянутого недостатка, однако известные тиристорные полумостовые инверторы на однооперационных (обычных) тиристорах [5] работоспособны только в ограниченном диапазоне нагрузок: примерно с 0,3 от номинальной и выше. При малых нагрузках коммутация однооперационных тиристоров становится невозможной. Расширить зону работоспособности можно, применив принудительную мутацию или двухоперационые (запираемые) тиристоры, но это усложняет и удорожает инвертор в целом, увеличиваются также и потери.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является полумостовой тиристорный инвертор на однооперационных тиристорах [5].

Указанный инвертор принимается в качестве прототипа.

Силовая схема прототипа и упрощенная система управления приведены на фиг.1. Силовая схема содержит один полумост в виде двух последовательно соединенных в проводящем направлении тиристоров 1, 2 и второй полумост в виде последовательно соединенных конденсаторов 3, 4. Диагональю постоянного тока мост подключен к источнику питания, шунтированному сглаживающим конденсатором 5. Для простоты источник питания на фиг.1 не показан. Диагональ переменного тока подключена к нагрузке в виде трансформатора 6 с прямоугольной петлей гистерезиса сердечника и собственно нагрузки 7, подключенной к вторичной обмотке трансформатора 6.

Система управления является типовой системой управления полумостовым инвертором [4, стр.376, рис.33.12] и содержит следующие основные блоки: автогенератор 8 и систему управления инвертором 9. Выход автогенератора 8 связан с одним из входов системы управления инвертором 9, к второму входу которой подключен выход компаратора 10. К входу компаратора 10 по принципу отрицательной обратной связи подключены сигнал задания U₃ и сигнал обратной связи U_oc.

Как упомянуто выше, основным недостатком прототипа (фиг.1) является невозможность его функционирования при малых токах нагрузки (примерно от нуля до 30% номинальной нагрузки), что, соответственно, ограничивает область применения известных полумостовых тиристорных инверторов. Этот недостаток и является причиной, препятствующей достижению указанного ниже технического результата, как в известных аналогах, так и в прототипе.

Технический результат - обеспечение работоспособности устройства во всем диапазоне нагрузок от холостого хода до максимальных.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном однофазном полумостовом тиристорном инверторе, содержащем в силовой цепи полумост в виде двух последовательно соединенных тиристоров и второй полумост в виде двух последовательно соединенных конденсаторов, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, шунтированному сглаживающим конденсатором, а диагональю переменного тока подключенный к нагрузке, а также содержащий типовую систему управления в составе автогенератора и системы управления инвертором, выход которой связан с управляющими входами тиристоров инвертора, один вход подключен к выходу упомянутого автогенератора, а второй вход подключен к компаратору, на входы которого по принципу отрицательной обратной связи подключены сигналы задания и обратной связи, в силовую схему упомянутого однофазного полумостового тиристорного инвертора введен дополнительно полумост в виде двух последовательно соединенных транзисторов и двух обратных диодов, подключенный параллельно тиристорному полумосту и нагруженный диагональю переменного тока на дроссель, причем общая точка транзисторов, обратных диодов и дросселя дополнительного полумоста не связана с общей точкой тиристоров, свободный конец дросселя связан с общей точкой конденсаторов, а управляющие входы транзисторов дополнительного полумоста подключены к дополнительному выходу упомянутого автогенератора.

Это позволило обеспечить функционирование устройства во всем диапазоне возможных нагрузок от холостого хода до максимальных и, таким образом, решить поставленную техническую задачу.

Схема устройства представлена на фиг.2. Как и прототип схема содержит два последовательно соединенных тиристора 1 и 2, образующих полумост. Второй полумост образован последовательно соединенными конденсаторами 3 и 4. Диагональю постоянного тока мост подключен к источнику питания, шунтированному сглаживающим конденсатором 5. Для простоты источник питания на схеме не показан. В диагональ переменного тока моста включена нагрузка в виде трансформатора 6, вторичная обмотка которого подключена к собственно нагрузке 7. Типовая система управления устройством содержит автогенератор 8, выход которого соединен с системой 9 управления тиристорами инвертора. В свою очередь, выходы системы управления 9 тиристорами инвертора связаны с управляющими входами упомянутых тиристоров, а на второй вход системы управления 9 тиристорами 1 и 2 инвертора подключен выход компаратора 10, на входы которого по принципу отрицательной обратной связи поданы сигналы задания U₃ и обратной связи U_ос.

Таким образом, описанная выше часть устройства идентична прототипу. Дополнительно в силовую схему устройства введен транзисторный полумост из двух последовательно соединенных транзисторов 11 и 12 и двух обратных диодов 13, 14. Транзисторный полумост 11-14 подключен к источнику питания параллельно тиристорному полумосту 1, 2, а в его диагональ переменного тока включен дроссель 15 между общей точкой транзисторов 11, 12 и диодов 13, 14 и общей точкой конденсаторов 3, 4. При этом общая точка диодов и транзисторов транзисторного полумоста не связана с общей точкой тиристоров 1, 2 тиристорного полумоста, свободный конец дросселя 15 связан с общей точкой конденсаторов 3, 4, а управляющие входы транзисторов 11, 12 соединены с дополнительным выходом автогенератора.

Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом.

Параметры L-C контура конденсатор 3 - дроссель 15 или конденсатор 4 - дроссель 15 (в зависимости от того, какой транзистор 11 или 12 включен) выбраны таким образом, что за полупериод напряжения инвертора, определяемый автогенератором 9, соответствующий конденсатор, например, 3 полностью разряжается, накопленная в дросселе 15 электромагнитная энергия по цепи дроссель 15, конденсатор 3, конденсатор 5, обратный диод 14 переходит частично в конденсатор 3, меняя его полярность, а частично в сглаживающий конденсатор 5. При этом напряжение на конденсаторе 4 возрастает до напряжения сглаживающего конденсатора 5, т.е. до напряжения источника питания, а напряжение на конденсаторе 3 спадает до нуля. Упрощенная диаграмма напряжений на конденсаторах 3 и 4 в режиме холостого хода устройства, т.е. при токе нагрузки, близком к нулю, приведена на фиг.3(диаграмма 3.1). Поскольку напряжение на конденсаторах 3 и 4 имеет прерывистый характер, к концу каждого полупериода соответствующий тиристор успевает выключиться, а прямоугольность петли гистерезиса сердечника трансформатора 6 обеспечивает быстрый спад тока намагничивания трансформатора 6 в цепи соответствующего тиристора. При появлении тока нагрузки интеграл напряжения на нагрузке 7 в каждый полупериод (диаграмма 3.2) начинает уменьшаться. Соответственно уменьшается ток в дросселе 15, т.е. происходит перераспределение токов: чем больше нагрузка, тем меньше доля тока в цепи дросселя. Следует отметить, что энергия, циркулирующая в цепи дросселя 15, имеет чисто реактивный характер и, если пренебречь активными потерями в конденсаторах, дросселе и транзисторном полумосте, эта энергия практически не увеличивает потребляемый из сети ток. Если устройство используется, например, в качестве электросварочного аппарата, то вторичная обмотка трансформатора 6 подключается к нагрузке (электрод - свариваемые детали) через выпрямитель и фильтр тока. Тогда внешняя характеристика устройства (диаграмма 3.3) обеспечивает сварку при постоянной мощности, что идеально подходит для сварки в воздухе. Таким образом, дополнение «классической» схемы однофазного полумостового тиристорного инвертора транзисторным полумостом на ток не более 30% тока нагрузки и дросселем позволило решить поставленную техническую задачу: обеспечить работоспособность устройства во всем диапазоне нагрузок, а также снять ограничения по току, накладываемые параметрами существующих транзисторов в транзисторных инверторах (избежать необходимости параллельного соединения транзисторов в установках с током более 200 А).

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. «Castolin G-mbH - Германия, «Kraftzwerg», 1994-1996 гг.

2. «Invertec» V - 130 - S-Linkoln, США (каталог), 1998 г.

3. «Transpoket» - Австрия, каталог 1995-1996 гг.

4. В.А.Прянишников - «Электроника», С.-Петербург, 1998 г., 400 с.

5. В.А.Барский. Тиристорно-конденсаторные преобразователи для электротехнологических установок, Энергоатомиздат, 1989 г.

6. Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1983 г.

Предложен однофазный полумостовой тиристорный преобразователь, содержащий два полумоста: один полумост из двух последовательно соединенных тиристоров, а второй - из двух последовательно соединенных конденсаторов. В диагональ переменного тока включена нагрузка преимущественно трансформаторного типа. Отличительная особенность заключается в том, что в силовую схему введен дополнительно транзисторный полумост, включенный параллельно тиристорному полумосту. Дополнительный полумост нагружен на дроссель и обеспечивает «прогрузку» инвертора реактивным током в режиме холостого хода и малых токов нагрузки. Предложенное решение обеспечивает технический результат - устойчивую работу инвертора во всем диапазоне нагрузок. 3 ил.

Однофазный полумостовой тиристорный инвертор, содержащий в силовой цепи полумост в виде двух последовательно соединенных тиристоров и второй полумост в виде двух последовательно соединенных конденсаторов, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, шунтированному сглаживающим конденсатором, а диагональю переменного тока к нагрузке, а также содержащий типовую систему управления в составе автогенератора и системы управления инвертором, выход которой связан с управляющими входами тиристоров инвертора, один вход подключен к выходу упомянутого автогенератора, а второй вход подключен к компаратору, на входы которого по принципу отрицательной обратной связи подключены сигналы задания и обратной связи, отличающийся тем, что в силовую схему упомянутого полумостового тиристорного инвертора введен дополнительно полумост в виде двух последовательно соединенных транзисторов и двух обратных диодов, подключенный параллельно тиристорному полумосту и нагруженный диагональю переменного тока на дроссель, причем общая точка транзисторов, обратных диодов и дросселя дополнительного полумоста не связана с общей точкой тиристоров, свободный конец дросселя связан с общей точкой конденсаторов, а управляющие входы транзисторов дополнительного полумоста подключены к дополнительному выходу упомянутого автогенератора.