ПОЛУМОСТОВОЙ ТИРИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР Российский патент 2007 года по МПК H02M7/515 B23K9/00 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к полумостовым инверторам, и может быть использовано в различных вторичных источниках питания в диапазоне мощностей от 3 кВт до сотен кВт, например в электросварочных аппаратах дуговой воздушной сварки, плазмотронах, дуговых электропечах и т.п. устройствах, требующих стабилизации мощности в нагрузке.

Известны полумостовые тиристорные инверторы, которые широко используются в различных вторичных источниках питания с трансформаторной нагрузкой мощностью до 3-4 кВт [1, 2]. При больших мощностях предпочтительней использование полумостовых тиристорных инверторов, содержащих в силовой части два последовательно соединенных конденсатора и два последовательно соединенных тиристора, подключенных свободными концами к источнику постоянного напряжения, причем тиристоры включены в проводящем ток направлении.

В диагональ переменного тока инвертора обычно включена нагрузка трансформаторного типа [3]. Недостатком таких инверторов является невозможность их коммутации в области малых токов, то есть при холостом ходе и небольших нагрузках. При нагрузках примерно 0,5 номинальной и выше ток через тиристоры прерывается естественным путем после полного разряда конденсатора «работающего» плеча.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является инвертор, в схему которого дополнительно введен коммутирующий дроссель 1 со средней точкой, подключенной к выводу нагрузки 2, а свободными концами соединенный соответственно между свободными катодом первого тиристора 3 и анодом второго тиристора 4 тиристорного плеча полумоста (фиг.1) и принятый за прототип (см. [3]; рис.5.19). Это позволило несколько расширить диапазон нагрузок инвертора, в области которых возможна коммутация тиристоров.

Однако прототип имеет следующие серьезные недостатки:

1) катушки (полуобмотки) дросселя 1 должны быть рассчитаны на действующее значение «полуволны» тока, то есть примерно 0,7 номинального тока нагрузки;

2) дроссель должен быть ненасыщающимся;

3) коммутация тиристоров в зоне малых нагрузок возможна лишь при условии, что напряжение на конденсаторе вступающего в «работу» плеча больше напряжения конденсатора плеча выключающегося, что невозможно при малых нагрузках и холостом ходе.

Таким образом, недостатками схемы прототипа являются значительные массогабаритные показатели коммутирующего дросселя и ограниченный диапазон нагрузок, при которых устройство работоспособно.

Технический результат - уменьшение массогабаритных величин коммутирующих элементов и обеспечение работоспособности полумостового тиристорного инвертора во всем диапазоне нагрузок от холостого хода до максимальных.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем полумостовой тиристорный инвертор, имеющий в силовой части полумост в составе двух последовательно соединенных конденсаторов в одном плече и двух последовательно соединенных тиристоров в другом плече, подключенных диагональю постоянного тока к источнику постоянного напряжения, а диагональю переменного тока к нагрузке преимущественно трансформаторного типа, а также содержащий коммутирующий дроссель со средней точкой, подключенной к выводу нагрузки, связанному с общей точкой тиристоров, упомянутый коммутирующий дроссель подключен свободными выводами к дополнительно введенным в схему двум коммутирующим конденсаторам, свободные выводы которых соединены соответственно с диагональю постоянного тока полумостового тиристорного инвертора.

Это позволило выполнить коммутирующий дроссель быстронасыщающимся и рассчитанным только на коммутационные токи, то есть резко уменьшить объем меди, железа и, в целом, габариты дросселя, а также обеспечить работоспособность полумостовго тиристорного инвертора во всем диапазоне нагрузок от холостого хода до максимальной.

Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой представлена схема полумостовго тиристорного инвертора, и диаграммами фиг.3.

Предлагаемый полумостовой тиристорный инвертор (фиг.2) содержит полумост в составе двух последовательно соединенных конденсаторов 1 и 2 в одном плече и двух последовательно соединенных тиристоров 3 и 4 в другом плече. Диагональю постоянного тока полумост подключен к источнику постоянного напряжения, который (для простоты) на схеме не показан. В диагональ переменного тока включена нагрузка 5. Кроме того, устройство содержит коммутирующий дроссель 6, средняя точка обмотки которого подключена к выводу нагрузки 5, связанному с общей точкой тиристоров 3, 4. Свободными концами полуобмотки 9, 10 коммутирующего дросселя 6 подключены к соответствующим выводам коммутирующих конденсаторов 7 и 8, свободные выводы которых соединены с диагональю постоянного тока полумостового тиристорного инвертора. Следует заметить, что для простоты, как в прототипе (фиг.1), так и в заявленном устройстве (фиг.2) обратные диоды, шунтирующие тиристоры 3 и 4, не показаны.

Устройство функционирует следующим образом.

При включении напряжения питания заряжаются коммутирующие конденсаторы 7, 8 - каждый до половины питающего напряжения U. Пусть на тиристор 3 поступил отпирающий импульс из системы управления, которая является типовой и для простоты на фиг.2 не показана. Тиристор 3 отпирается, и происходит разряд конденсатора 1 в нагрузку 5 и одновременный разряд коммутирующего конденсатора 7 через отпертый тиристор 3 и полуобмотку 9 коммутирующего дросселя 6. Емкости коммутирующих конденсаторов 7 и 8 выбираются из условия обеспечения времени запирания тиристоров 3 и 4. Эти емкости на порядок меньше емкостей конденсаторов 1 и 2, поэтому их разряд происходит быстро. После разряда коммутирующего конденсатора 7 коммутирующий конденсатор 8 оказывается заряжен до напряжения U источника питания. Если ток нагрузки мал, то конденсатор 1 разряжается медленно (см. фиг 3, диаграмма 1) и до поступления очередного импульса на тиристор 4 его напряжение не успевает уменьшиться до нуля. При отпирании тиристора 4 происходит разряд коммутирующего конденсатора 8 через полуобмотку 10 коммутирующего дросселя 6 и тиристор 4. При этом в полуобмотке 9 коммутирующего дросселя 6 индуктируется напряжение, равное напряжению полуобмотки 10, то есть равное U. Это напряжение имеет плюс на катоде тиристора 3, и тиристор 3 запирается. Затем процесс коммутации повторяется аналогично описанному.

При увеличении тока нагрузки до определенной величины, которая, в зависимости от параметров инвертора, составляет обычно 0,4-0,5 от номинального тока нагрузки, конденсаторы 1 или 2 успевают полностью разрядиться за полупериод напряжения инвертора (фиг.3, диаграмма 2) и ток через тиристоры 3, 4 спадает до нуля естественным путем. Коммутирующие элементы (коммутирующий дроссель 6 и коммутирующие конденсаторы 7, 8) в этом режиме влияния на процесс коммутации не оказывают.

Поскольку полуобмотки 9 и 10 коммутирующего дросселя 6 пропускают лишь кратковременные импульсы тока, габариты коммутирующего дросселя 6 ничтожны по сравнению с габаритами дросселя 1 (фиг.1) прототипа.

Положительной особенностью схемы, присущей именно полумостовым инверторам, является то, что принудительная коммутация нужна лишь в области малых нагрузок, что соответственно уменьшает время запирания тиристоров 3, 4 и габариты коммутирующего узла схемы.

Таким образом, достижение технического результата обеспечено простым средствами.

Заявленный полумостовой тиристорный инвертор может быть использован в широком диапазоне мощностей, особенно если источник питания - трехфазный выпрямитель.

Источники информации

1. Источники вторичного электропитания. Под ред. В.И.Конева - М.: Радиосвязь, 1983.

2. В.А.Прянишников. Электроника. С.-Петербург, 1998.

3. В.С.Руденко, В.И.Сенько, И.И.Чиженко. Преобразовательная техника. - Киев: Высшая школа, 1978, 42 с., рис.5.19.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в различных вторичных источниках питания в диапазоне мощностей от 3 кВт до сотен кВт, например в электросварочных аппаратах дуговой воздушной сварки, плазмотронах, дуговых электропечах и других устройствах, требующих стабилизации мощности в нагрузке. Тиристорный инвертор представляет собой полумост с двумя последовательно соединенными конденсаторами в одном плече и двумя последовательно соединенными тиристорами в другом плече. В диагональ переменного тока включена нагрузка трансформаторного типа. В тиристорный инвертор введен коммутирующий узел в составе дросселя со средней точкой и двух коммутирующих конденсаторов. В результате уменьшаются массогабаритные показатели и обеспечивается работоспособность полумостового тиристорного инвертора во всем диапазоне нагрузок от холостого хода до максимальной. 3 ил.

Полумостовой тиристорный инвертор, имеющий в силовой части полумост в составе двух последовательно соединенных конденсаторов в одном плече и двух последовательно соединенных тиристоров в другом плече, подключенный диагональю постоянного тока к источнику постоянного напряжения, а диагональю переменного тока к нагрузке преимущественно трансформаторного типа, а также содержащий коммутирующий дроссель со средней точкой, подключенной к выводу нагрузки, связанному с общей точкой тиристоров, отличающийся тем, что упомянутый коммутирующий дроссель подключен свободными выводами к дополнительно введенным в схему двум коммутирующим конденсаторам, свободные выводы которых соединены соответственно с диагональю постоянного тока полумостового тиристорного инвертора.