ИНВЕРТОР ТОКА Российский патент 2008 года по МПК H02M7/521 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для установок индукционного нагрева.

Известен инвертор тока, содержащий два дросселя фильтра, однофазный мост на четырех ключевых элементах, выполненных на тиристорах, в диагонали переменного тока которого включен конденсатор, шунтирующий выходные выводы инвертора тока, анодная группа однофазного моста подключена к положительному входному выводу инвертора тока через дроссель фильтра, а катодная группа однофазного моста подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через второй дроссель фильтра (Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок /Е.И.Беркович, Г.В.Ивенский, Ю.С.Иоффе и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - С.189).

Недостатком инвертора тока является низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено низким выходным напряжением, значительными электрическими статическими и динамическими потерями в ключевых элементах.

Известен инвертор тока, содержащий два дросселя фильтра, кламп, однофазный мост на четырех ключевых элементах, выполненных на транзисторах, в диагонали переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель, конденсатор, шунтирующий выходные выводы инвертора тока, и второй коммутирующий дроссель, коллекторная группа однофазного моста подключена к положительному входному выводу инвертора тока через дроссель фильтра, а эмиттерная группа однофазного моста подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через второй дроссель фильтра (П. 2246170 РФ, МКИ Н02М 7/5387. Инвертор тока /Силкин Е.М., Силкин М.Е. //Б.И. - 2005. - №4).

Недостатком инвертора тока является низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено низким выходным напряжением, значительными электрическими статическими и динамическими потерями в ключевых элементах.

Известен инвертор тока, содержащий два дросселя фильтра, кламп, однофазный мост на четырех ключевых элементах, выполненных на транзисторах с включенными параллельными и последовательными диодами, зашунтированных последовательными цепями, содержащими конденсатор и резистор, в диагонали переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель, конденсатор, шунтирующий выходные выводы инвертора тока, и второй коммутирующий дроссель, коллекторная группа однофазного моста подключена к положительному входному выводу инвертора тока через дроссель фильтра, а эмиттерная группа однофазного моста подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через второй дроссель фильтра (П. 2249294 РФ, МКИ Н02М 7/53. Инвертор тока /Силкин Е.М., Силкин М.Е. // Б.И. - 2005. - №9).

Недостатком инвертора тока является низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено низким выходным напряжением, значительными электрическими статическими и динамическими потерями в ключевых элементах.

Известен инвертор тока, содержащий два дросселя фильтра, однофазный мост на четырех ключевых элементах, выполненных на тиристорах, зашунтированных последовательными цепями, содержащими конденсатор и резистор, в диагонали переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель, конденсатор, шунтирующий выходные выводы инвертора тока, и второй коммутирующий дроссель, зашунтированная вторым конденсатором, ограничитель напряжения, включенный в диагональ постоянного тока однофазного моста, анодная группа однофазного моста подключена к положительному входному выводу инвертора тока через дроссель фильтра, а катодная группа однофазного моста подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через второй дроссель фильтра (П. 2061995 РФ, МКИ Н02M 7/521. Инвертор тока /Силкин Е.М. и др. // Б.И. - 1996. - №16).

Указанный инвертор тока является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.

Недостатком известного инвертора тока является низкий коэффициент полезного действия, что обусловлено низким выходным напряжением, значительными электрическими статическими и динамическими потерями в ключевых элементах.

Изобретение направлено на решение задачи повышения коэффициента полезного действия инвертора тока, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в инверторе тока, содержащем два дросселя фильтра, однофазный мост на четырех ключевых элементах, катодная группа которого выполнена на тиристорах, зашунтированных последовательными цепями, содержащими конденсатор и резистор, в диагонали переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель, конденсатор, шунтирующий выходные выводы инвертора тока, и второй коммутирующий дроссель, зашунтированная вторым конденсатором, ограничитель напряжения, ограничитель напряжения включен в диагональ переменного тока однофазного моста, анодная группа однофазного моста выполнена на диодах, дроссели фильтра включены последовательно с диодами анодной группы однофазного моста, анодная группа однофазного моста подключена к положительному входному выводу инвертора тока, а катодная группа однофазного моста подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение коэффициента полезного действия инвертора тока за счет увеличения в два раза его выходного напряжения, уменьшения электрических статических и динамических потерь в ключевых элементах за счет уменьшения в два раза числа последовательно включенных ключевых элементов в цепях протекания тока на каждом полупериоде выходного напряжения.

Повышение коэффициента полезного действия инвертора тока является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора тока, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого инвертора тока являются существенными.

На чертеже приведена схема инвертора тока.

Инвертор тока содержит два дросселя фильтра 1, 2, однофазный мост на четырех ключевых элементах, катодная группа которого выполнена на тиристорах 3, 4, зашунтированных последовательными цепями, содержащими конденсатор 5, 6 и резистор 7, 8, а анодная группа на диодах 9, 10, в диагонали переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель 11, конденсатор 12, шунтирующий выходные выводы 13 инвертора тока, и второй коммутирующий дроссель 14, зашунтированная вторым конденсатором 15 и ограничителем напряжения 16. Дроссели фильтра 1, 2 включены последовательно с диодами 9, 10 анодной группы однофазного моста соответственно. Анодная группа однофазного моста подключена к положительному входному выводу инвертора тока. Катодная группа однофазного моста подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока.

Инвертор тока в установившемся (стационарном) режиме работает следующим образом. Импульсы управления на тиристоры 3, 4 катодной группы однофазного моста поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного напряжения инвертора тока. Частота выходного напряжения инвертора тока выбирается большей собственной частоты нагрузочного колебательного контура (работа с опережением или с емкостной расстройкой нагрузочного колебательного контура), образованного конденсатором 12 и индуктором индукционного нагревателя, подключенного к выходным выводам 13 инвертора тока. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 2 равны, при этом выполняется условие

ωL₁=ωL₂>6R_H,

где ω - круговая частота выходного напряжения инвертор тока, L₁, L₂ - значения индуктивностей дросселей фильтра, R_H - активное сопротивление нагрузки (для параллельной схемы замещения нагрузочного колебательного контура). Выполнение указанного условия обеспечивает сглаживание пульсаций тока через дроссели фильтра 1, 2 и протекание через нагрузочный контур из элементов 12, 13 тока практически прямоугольной формы (идеально сглаженный, квазипрямоугольный ток).

Полный период выходного напряжения состоит из двух временных интервалов (полупериодов), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния тиристоров 3, 4. Диоды 9, 10 в установившемся режиме работы находятся постоянно во включенном состоянии. Электромагнитные процессы в каждом из временных интервалов протекают аналогично.

При отпирании тиристора 3 в первом интервале осуществляется коммутация (выключение) тиристора 4 по цепям: 12-11-3-4-14-12 и 15-3-4-15, так как конденсаторы 12, 15 на предыдущем временном интервале работы были заряжены до положительной полярности на левых по схеме обкладках. Напряжение на конденсаторах 12, 15 за время коммутации не успевает изменить полярность и к тиристору 4 сразу после выключения прикладывается отрицательное обратное напряжение. В интервале приложения отрицательного напряжения тиристор 4 восстанавливает свои управляющие свойства. Режим работы инвертора тока выбирается таким, чтобы этот интервал был достаточным для восстановления управляющих свойств тиристора 4, имеющего заданное паспортное время выключения. Далее в интервале включенного состояния тиристора 3 осуществляется разряд до нулевого значения напряжения и заряд конденсаторов 12, 15 (напряжение на конденсаторах 12, 15 изменяет знак) от источника питания по цепям: 12-11-3-«- +»-10-2-14-12 и 15-3-«- +»-10-2-15. Одновременно с зарядом конденсаторов 12, 15 от источника питания происходит их непрерывный разряд через индуктор (в нагрузочной цепи через выходные выводы 13 инвертора тока) по цепям: 12-13-12 и 15-14-13-11-15. К нагрузке прикладывается напряжение условно положительной полярности (конденсаторы 12, 15 заряжены до положительной полярности на правых по схеме обкладках). По истечении временного интервала (первого интервала), равного половине периода выходного переменного напряжения инвертора тока (первого полупериода), осуществляется включение тиристора 4 (второй интервал). При этом током разряда конденсаторов 12, 15, заряженных на первом интервале до положительной полярности на правых по схеме обкладках, осуществляется выключение тиристора 3 по цепям: 12-14-4-3-11-12 и 15-4-3-15. Напряжение на на конденсаторах 12, 15 за время коммутации не успевает изменить полярность и к тиристору 3 прикладывается отрицательное обратное напряжение. В интервале приложения отрицательного обратного напряжения тиристор 3 восстанавливает свои управляющие свойства. В интервале включенного состояния тиристора 4 (второго полупериода) осуществляется разряд и заряд конденсаторов 12, 15 (напряжение на конденсаторах 12, 15 снова изменяет знак) от источника питания по цепям: 12-14-4-«- +»-9-1-11-12 и 15-4-«- +»-9-1-15. Одновременно с зарядом конденсаторов 12, 15 от источника питания происходит их непрерывный разряд через индуктор (в нагрузочной цепи через выходные выводы 13 инвертора тока) по цепям: 12-13-12 и 15-11-13-14-15. К нагрузке прикладывается напряжение условно отрицательной полярности (конденсаторы 12, 15 заряжены до положительной полярности на левых по схеме обкладках).

Действующее значение выходного переменного напряжения инвертора тока U может быть выражено зависимостью

U=2νЕ/(cos(β-γ/2)cos(γ/2)),

где ν - схемный постоянный (числовой) коэффициент; Е - напряжение источника питания инвертора тока; β - угол опережения; γ - угол коммутации.

В момент выключения тиристоров 3 и 4 возникает импульс перенапряжения обратной (отрицательной) для соответствующего тиристора полярности, обусловленный наличием индуктивностей в цепях коммутации (индуктивности коммутирующих дросселей 11, 14 и индуктивности монтажа). Уменьшение величины импульсов перенапряжений осуществляется последовательными цепями, содержащими конденсатор 5, 6 и резистор 7, 8, конденсатором 15 и ограничителем напряжения 16.

Наличие в схеме инвертора тока второго конденсатора 15 позволяет использовать часть энергии перенапряжений, накапливаемой в электрическом поле конденсатора 15, непосредственно в нагрузке (рекуперация), так конденсатор 15 подключен паралельно цепи, содержащей нагрузочный колебательный контур 12, 13. Потери энергии в ограничителя напряжения 16 имеют место только в момент возникновения импульса перенапряжения. При этом уровень ограничения перенапряжений определяется рабочим напряжением ограничителя напряжения 16. В результате, при одинаковой эффективности снижения уровней перенапряжений возможно выполнить шунтирующие тиристоры 3, 4 последовательные цепи из конденсатора 5, 6 и резистора 7, 8 на меньшую установленную мощность (увеличенное значение сопротивления в цепи и уменьшенное значение емкости конденсатора) и снизить потери при включении тиристоров 3, 4.

В качестве управляемых ключевых элементов (тиристоры 3, 4) могут быть использованы как обычные (однооперационные) симметричные тиристоры, так и асимметричные и запираемые симметричные тиристоры, запираемые тиристоры, не обладающие обратной блокирующей способностью, и транзисторы. При использовании запираемых тиристоров (имеющих более высокие рабочие напряжения, падения напряжения в открытом состоянии и меньшие времена выключения, что достигается технологиями их изготовления) возможно уменьшить запирающий импульсный ток управления, используя анодную коммутацию тока (режим комбинированного выключения). В зависимости от принятого способа управления инвертором тока (классическое самовозбуждение, независимое, парарезонансный способ, вычисляемый прогноз) и соотношения параметров его силовой схемы последовательно с тиристорами и транзисторами, не имеющими обратной блокирующей способности, возможно включение дополнительных высокочастотных диодов. В качестве неуправляемых ключевых элементов (диоды 9, 10) можно использовать низкочастотные диоды, так как неуправляемые ключевые элементы во время работы в стационарном режиме постоянно находятся во включенном состоянии и не коммутируют тока. Они блокируют возможный разряд конденсаторов 12, 15 по цепям, не содержащих источник питания инвертора тока. Принципиально схема инвертора тока работоспособна и без указанных неуправляемых ключевых элементов 9, 10, однако при их отсутствии может стать затруднительным пуск инвертора тока, реализуемого на обычных симметричных однооперационных тиристорах. Ограничитель напряжения 16 выполняется в виде кремниевого симметричного ограничителя напряжения или варистора. Для исключения возможных колебательных процессов перезаряда конденсатора 15 при коммутациях тиристоров 3, 4 по цепи, содержащей конденсатор 12, последовательно со вторым конденсатором 15 может быть включен дополнительный (малоиндуктивный) резистор.

По сравнению с прототипом существенно повышается коэффициент полезного действия инвертора тока. Выходное напряжение заявляемого инвертора тока в два раза выше выходного напряжения известного инвертора тока. Действительно выходное напряжения известного инвертора может быть выражено зависимостью:

U=νЕ/(cos(β-γ/2)cos(γ/2)).

Как видно из последнего выражения, выходное напряжение в схеме прототипа в два раза ниже, чем в заявляемом инверторе, при равном значении напряжения источника питания инвертора тока, углов опережения и коммутации. Известно, что преобразование электрической энергии при повышенном выходном напряжении инвертора тока (или, в общем виде, любой системы питания) энергетически более выгодно, так как передача энергии осуществляется с меньшими активными потерями от протекающих токов. При этом, например, индуктор большей мощности может быть подключен к выходным выводам нового инвертора тока через соединительные шины (кабели) одинакового сечения, а индуктор равной мощности может быть подключен к выходным выводам нового инвертора тока через соединительные шины (кабели) меньшего сечения. Потери в соединительных шинах в установках индукционного нагрева при использовании нового инвертора, таким образом, могут быть снижены. В результате, увеличивается передаваемая в нагрузку мощность, уменьшается время нагрева, что также повышает коэффициент полезного действия всей установки индукционного нагрева в целом. В цепях коммутируемых токов в заявляемом инверторе используется меньшее число полупроводниковых приборов, что позволяет уменьшить как статические, так и коммутационные потери в ключевых элементах и цепях защиты от перенапряжений. Согласно экспертной оценке и экспериментального анализа при выполнении инверторов тока по заявляемой схеме, например, для средних частот и мощностей коэффициент полезного действия может быть увеличен на 8-10%.

Одновременно, дополнительно, может быть существенно повышена надежность работы нового инвертора тока, упрощена конструкция его энергетической (силовой) части и уменьшена его стоимость по сравнению с прототипом за счет уменьшения числа управляемых ключевых элементов и упрощения системы регулирования, защиты и управления, повышена надежность и снижена материалоемкость установок индукционного нагрева за счет увеличения уровня выходного напряжения инвертора тока. В частности, может быть уменьшено сечение проводников соединительных водоохлаждаемых кабелей для подключения индуктора к выходным выводам инвертора тока, например, в установках индукционной плавки, что существенно повысит надежность плавильной установки и упростит ее техническое обслуживание.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для установок индукционного нагрева. Изобретение повышает коэффициент полезного действия инвертора тока. Инвертор тока содержит два дросселя фильтра (1), (2), однофазный мост на четырех ключевых элементах, катодная группа которого выполнена на тиристорах (3), (4), зашунтированных последовательными цепями, содержащими конденсатор (5), (6) и резистор (7), (8), а анодная группа на диодах (9), (10), в диагонали переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель (11), конденсатор (12), шунтирующий выходные выводы (13) инвертора тока, и второй коммутирующий дроссель (14), зашунтированная вторым конденсатором (15) и ограничителем напряжения (16). Дроссели фильтра включены последовательно с диодами анодной группы однофазного моста. Анодная группа однофазного моста подключена к положительному входному выводу инвертора тока. Катодная группа однофазного моста подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока. 1 ил.

Инвертор тока, содержащий два дросселя фильтра, однофазный мост на четырех ключевых элементах, катодная группа которого выполнена на тиристорах, зашунтированных последовательными цепями, содержащими конденсатор и резистор, в диагонали переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель, конденсатор, шунтирующий выходные выводы инвертора тока, и второй коммутирующий дроссель, зашунтированная вторым конденсатором, ограничитель напряжения, отличающийся тем, что ограничитель напряжения включен в диагональ переменного тока однофазного моста, анодная группа однофазного моста выполнена на диодах, дроссели фильтра включены последовательно с диодами анодной группы однофазного моста, анодная группа однофазного моста подключена к положительному входному выводу инвертора тока, а катодная группа однофазного моста подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока.