ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2011 года по МПК H02M7/53846 

Изобретения относятся к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники для преобразователей низкой частоты.

Известен однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (далее АИН), выполненный на базе двухоперационных запираемых тиристорных ключей с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненным на выпрямителе с конденсаторным фильтром (Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. «Основы преобразовательной техники». / М.: Высшая школа, 1980, с.237-240). Преобразование постоянного напряжения в переменное для питания активно-индуктивной нагрузки заданной частоты происходит за счет переключения диагонально расположенных пар ключей импульсами, смещенными на 180° эл. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки сбрасывается в батарею конденсаторов источника постоянного напряжения. Емкость батареи конденсаторов С достигает большой величины, особенно при низких частотах f и больших токах АИН:

,

где:

I - ток нагрузки;

t≡1/f - время протекания тока через батарею конденсаторов;

ΔU - допустимая величина перенапряжения на конденсаторах.

При токе в несколько сотен ампер и малых частотах f (менее 5 Гц) емкость батареи конденсаторов может достигать величин фарад.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является однофазный мостовой АИН, выполненный на однооперационных тиристорных ключах, с активно-индуктивной нагрузкой и двухканальной системой управления СУ (Розанов Ю.К. «Основы силовой электроники». / М.: Энергоатомиздат, 1992, с.235-237). Работа устройства основана на широтно-импульсном регулировании ключей VS₁-VS₄, которые зашунтированы обратными диодами VD₁-VD₄, и подключены по входу АИН к источнику постоянного напряжения U_d, который при питании от сети переменного тока состоит из выпрямителя с параллельным конденсатором. Пары тиристоров VS₁, VS₄ и VS₃, VS₂ переключаются противофазными импульсами с частотой f с помощью вспомогательных коммутирующих тиристоров VS₁′-VS₄′ и реактивных элементов С_к, L_к, которые могут быть исключены, например, при использовании полностью управляемых тиристоров и транзисторов.

В устройстве также содержатся задающие генераторы ЗГ₁ ЗГ₂, управляющие фазосдвигающие устройства ФУ, ФУ₁-ФУ₄, пересчетно-распределительные устройства ПРУ₁, ПРУ₂, формирователи выходных импульсов для тиристорных ключей ФИ₁-ФИ₄ и ФИ₁′-ФИ₄′.

Недостатками прототипа являются:

- необходимость в батарее конденсаторов больших габаритных размеров и с большими величинами емкости для сброса реактивной энергии нагрузки при выполнении источника постоянного напряжения U_d в виде выпрямителя;

- сложность системы управления.

Технический результат заявляемых вариантов однофазного мостового АИН - упрощение схемы и повышение надежности устройства за счет исключения конденсатора в источнике постоянного напряжения и упрощения системы управления.

Технический результат по первому варианту устройства достигается тем, что в однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, введен генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ₂ второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ₁ первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.

Технический результат по второму варианту устройства достигается тем, что в однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, введены генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, регулирующий орган, выход которого подключен к дополнительно введенному регулирующему входу второго формирователя каждого канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ₂ второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ₁ первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.

Сущностью заявляемого изобретения по первому варианту является то, что благодаря введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей управляющих импульсов соответствующего канала управления ключами с выходными импульсами различной длительности, упрощается схема и повышается надежность однофазного мостового АИН.

Сущностью устройства по второму варианту является то, что благодаря выполнению вторых формирователей управляющих импульсов каждого канала управления ключами с двумя входами - запускающим и регулирующим, введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей соответствующего канала с выходными импульсами различной длительности, а также введению регулирующего органа, выход которого подключен к регулирующему входу второго формирователя каждого канала достигается возможность регулирования выходного напряжения однофазного мостового АИН при упрощении схемы и повышении надежности устройства в целом.

На фиг.1 приведена схема заявляемого однофазного мостового АИН по первому варианту, на фиг.2 - схема по второму варианту, на которых приняты следующие обозначения:

1 - выпрямитель;

U_d - среднее значение выходного напряжения выпрямителя 1;

2 - мостовой преобразователь;

3, 4, 7, 8 - диоды;

5, 6, 9, 10 - транзисторные ключи;

11 - активно-индуктивная нагрузка;

u, i - соответственно напряжение и ток на нагрузке 11;

12 - система управления;

13 - генератор тактовых импульсов с двумя выходами противофазных импульсов с частотой f;

14, 15 - два идентичных канала управления ключами 5, 6 и 9, 10;

16 - первый формирователь управляющих импульсов ФИ1 длительностью τ₁;

17 - второй формирователь управляющих импульсов ФИ2 длительностью τ₂;

18 - регулирующий орган (только для схемы по второму варианту).

На фиг.3 даны диаграммы заявляемых устройств, где приняты следующие обозначения:

диаграмма а) - противофазные тактовые импульсы ТИ1 и ТИ2 в каналах 14, 15 на выходах генератора 13 с частотой f по фиг.1, 2;

диаграмма б) - диаграмма работы АИН:

u(t) - напряжение на нагрузке;

I_m - амплитудное значение тока нагрузки;

диаграмма в) - проводящие ток элементы АИН;

диаграмма г) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями τ₁ и τ₂, получаемых от формирователей импульсов 16, 17 канала 14 и поступающих на соответствующие ключи 5, 10;

Δt - задержка («мертвое» время длительностью несколько микросекунд), исключающая одновременную работу двух ключей (5, 6 и 9, 10) при их переключении и закорачивание выпрямителя 1 (фиг.1, 2).

диаграмма д) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями τ₁ и τ₂, получаемых от формирователей импульсов 16, 17 канала регулирования 15 и поступающих на соответствующие ключи 9, 6.

Однофазный мостовой АИН по первому варианту содержит выпрямитель 1, мостовой преобразователь 2, состоящий из диодов 3, 4, включенных параллельно соответствующим транзисторным ключам 5, 6 и диодов 7, 8, подключенных к транзисторным ключам 9, 10, между указанными парами транзисторных ключей включена цепь активно-индуктивной нагрузки 11. Управление указанными транзисторными ключами осуществляется системой управления 12, содержащей генератор противофазных тактовых импульсов 13 с частотой f и два идентичных канала регулирования ключами 14, 15, в каждом из которых имеются формирователи импульсов: 16 - первый формирователь управляющих импульсов ФИ1 длительностью τ₁ с запускающим входом, 17 - второй формирователь управляющих импульсов ФИ2 длительностью τ₂ с запускающим входом. Запускающие входы формирователей управляющих импульсов 16, 17 соединены между собой и подключены соответственно к первому и второму выходам генератора тактовых импульсов 13, выходы формирователей управляющих импульсов 16, 17 в обоих каналах управления 14, 15 подключены к управляющим цепям соответствующих транзисторных ключей 5, 10, 9, 6. Между задним фронтом импульса с меньшей длительностью τ₂ одного канала и передним фронтом импульса с большей длительностью τ₁ другого канала создается пауза Δτ₀ (фиг.3), которая больше времени t₁ спада тока нагрузки до нуля.

Работа однофазного мостового АИН по первому варианту осуществляется следующим образом.

Управление транзисторными ключами 5, 6, 9, 10 осуществляется импульсами разной длительности (фиг.3). Транзисторные ключи 5 и 9 управляются импульсами , а транзисторные ключи 6 и 10 - импульсами меньшей длительности τ₂, вырабатываемыми каналами управления 14, 15. В результате по окончании импульсов с длительностью τ₂ транзисторные ключи 10 и 6 закрываются, и ток нагрузки замыкается соответственно через диод 7 и транзисторный ключ 5 в первый полупериод частоты f и через диод 3 и транзисторный ключ 9 во второй полупериод. В этом случае в диаграмме напряжения на нагрузке u(t) имеется пауза Δτ₀, определяющаяся временем спада тока до нуля t₁ и временем задержки Δt. Включение следующей пары транзисторных ключей происходит после задержки Δt (несколько микросекунд), исключающей одновременное включенное состояние транзисторных ключей 5, 6 или 9, 10, что могло бы привести к закорачиванию выпрямителя 1. Общая пауза в диаграмме напряжения нагрузки составляет:

Δτ₀=t₁+Δt,

где:

t₁≈4T_н при экспоненциальном характере нарастания и спада тока;

T_н - постоянная времени активно-индуктивной нагрузки 11 (фиг.1).

Однофазный мостовой АИН по второму варианту (фиг.2) содержит все элементы устройства по первому варианту и регулирующий орган 18. В каждом канале второй формирователь управляющих импульсов 17 в АИН по второму варианту имеет два входа - запускающий (как на фиг.1) и регулирующий. Регулирующий орган 18 подключен к регулирующему входу формирователя управляющих импульсов 17 в каждом канале управления и обеспечивает регулирование длительности τ₂ управляющего импульса.

Работа однофазного мостового АИН по второму варианту осуществляется так же, как и по первому, но добавляется функция регулирования напряжения на активно-индуктивной нагрузке, осуществляемого изменением τ₂ в зависимости от сигнала регулирования U_p на входе регулирующего органа.

Действующее значение выходного напряжения АИН определяется:

,

где:

τ_2р - длительность импульса ФИ2 в радианах;

τ_2c - длительность импульса ФИ2 в секундах;

f - частота в герцах.

Заявляемые устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с прототипом. За счет упрощения системы управления и исключения конденсатора на выходе выпрямителя однофазного мостового АИН при питании его от сети переменного тока упрощается схема и повышается надежность устройств, а введение регулирующего органа позволяет регулировать выходное напряжение АИН.

Изобретения относятся к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники для преобразователей низкой частоты. В устройстве по первому варианту благодаря введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей управляющих импульсов соответствующего канала управления ключами с выходными импульсами различной длительности, обеспечивается технический результат - упрощается схема и повышается надежность однофазного мостового АИН. В устройстве по второму варианту благодаря выполнению вторых формирователей управляющих импульсов каждого канала управления ключами с двумя входами - запускающим и регулирующим, введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей соответствующего канала с выходными импульсами различной длительности, а также введению регулирующего органа, выход которого подключен к регулирующему входу второго формирователя каждого канала достигается возможность регулирования выходного напряжения однофазного мостового АИН при упрощении схемы и повышении надежности устройства в целом. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

1. Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например, транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, отличающийся тем, что введен генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ₂ второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ₁ первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.

2. Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, отличающийся тем, что введены генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, регулирующий орган, выход которого подключен к дополнительно введенному регулирующему входу второго формирователя каждого канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ₂ второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ₁ первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.