Автономный инвертор Советский патент 1983 года по МПК H02M7/515 

(54) АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может найти применение в установках повышенной частоты, например, в качестве источника питания ультразвуковых магкитострикционных преобразователей, а также других пот ребителей тока ультразвуковой частоты.

Известны многоячейковые автономные инверторы, содержащие тиристорные мосты с коммутирующими конденсаторами в диагонали переменного тока, коммутирующие дроссели, включенные между указанными мостами, входные дроссели и конденсаторы фильтра, а также встречные диоды. Нагрузка в этих инверторах включается либо в цепь фильтровых конденсаторов С 3 i ибо между средней точкой коммутирующего дросселя и об- шей точкой двух последовательно вклк ченных фильтровых конденсаторов С 1.

Наиболее близок к предлагаемому инвертор, содержащий два тиристорных моста с коммутирующими конденсаторами в диагоналях переменного тока, один

из которых через встречный диод со стороны анодной вершины, а другой через встречный диод со стороны катодной верщины подключены параллельно с конденсатором фильтра к зажимам источника постоянного тока после входных дросселей, между точками соединения встречных диодов с вершинами мостов , включена последовательная цепочка из двух коммутирующих дросселей и наг10рузки между ними, подключаемой непосредственно или через нагрузочный трансформатор С 3 1.

В известном инверторе напряжение на элементах схемы ограничивается благо15даря сбросу излишней энергии с коммутирующих дросселей с помощью встречных диодов, однако частота выходного тока лишь в 2 раза больше частоты включения тиристоров, что ограничивает

20 верхнюю границу их частотного диапазона.

Цель изобретения - расширение верхней границы частотного диапазона. Указанная цель достигается тем, инвертор, содержащий подключенные к входным выводам через дроссели фильтра две цепочки, состоящие каждая из последовательно соединенных тиристор- ного моста с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока и диода, включенного в обратном направлении, причем анод диода первой цепочки подключен через один из упомянутых дросселей фильтра к отрицательному входному выводу, а его катод - к первому концу одного коммутирующего дросселя, катод диода второй цепочки через другой из упомянутых дросселей фильтра соединен с положительным вход ным выводом, а его анод - с первым концом коммутирующего дросселя, причем вторые концы коммутирующих дросселей, подключены к первичной обмотке выходного трансформатора, снабжен двумя последовательными U t -цепочками, одни концы которых соединены соответственно с анодом диода первой и катодом диода второй цепочек а другие их концы - с первичной обмот кой выходного трансформатора, Первичная обмотка выходного трансформатора может быть включена между коммутирующими дросселями и выполнена со средним выводом, подключенны к другим концам U С - цепочек. Первичная обмотка выходного трано форматора включена между коммутирующими дросселями и соединена концами с упомянутыми другими концами соответствующих L, С-цепочек, конденсаторы которых выполняют роль входного фильтрующего конденсатора. Кроме того, первичная обмотка выходного грансформатора включена межд U С-цепочками и выполнена со средним выводом.соецйненным с вторыми концам коммутирующих дросселей, а роль вкоп ного фильтрующего конденсатора выполняют конденсаторы U С-цепочек, причем во всех схемах коммутирующие дроссел могут быть магнитно связаны. На фиг. 1 - 3 представлены схемы автономного инвертора. Инвертор (фиг. 1) состоит из двух инвертирующих мостов, выполненных на тиристорах 1 - 8 с коммутирующими конденсаторами 9 и 1О в диагоналях переменного тока, первый из которых через диод 11, а второй через диод 12 подключены пар)аллельно входному фильт рующему конденсатору 13 к входным вы , 844 водам через дроссели 14 и 15 фияьтра. двух коммутирующих дросселей 16 и 17, подключенных концами к точкам соединения встречных диодов, с мостами, а другими концами - к первичной обмотке выходно1О трансформатора 18, ко вторичной обмотке которого подключена нагрузка 19, двух последовательных L С-цепочек, состоящих из разделительных конденсаторов 2О и 21 и защитных дросселей 22 и 23, включенных последовательно между входными выводами после дросселей фильтра, а их обшая точка соединена со средним выводом первичной обмотки выходного трансформатора. В автономном инверторе по фиг. 2 последовательные L.C -цепочки включены между входными выводами после дросселей фильтра и соответствующими выходными выводами. Конденсатор 13 из схемы исключен, его функцию выполняют конденсаторы L, С-цепочек. В варианте схемы автономного инвер- тора по фиг. 3 в отличие от схемы, приведенной на фиг. 2, коммутирую яие дроссели 16 и 17 соединены последовательно и их общая точка подключена к средней точке первичной обмотки выходного трансформатора 18. Автономный инвертор работает следующим образом. В установившемся режиме к начальному моменту времени включения тиристоров 1 и 4 первого моста конденсаторы (фиг. 1) заряжены с полярностью, указанной на чертеже. Конденсатор фильтра 13 заряжен до напряжения источника постоянного тока. При включении тиристоров 1 и 4 коммутирующий конденсатор 9 перезаряжается по цепям: 9-4-16-18-20-22-1-9 и 9-4-16-18-23-21-13-1-9. Параметры элементов цепей выбраны таким образом, что ток перезаряда коммутирующего конденсатора имеет колебательный характер. После того, как напряжение на коммутирующем конденсаторе 9 сменит знак и достигнет величины напряжения на кон- денсаторе 13, происходит коммутация тока с тиристоров 1 и 4 на диод 11, тиристоры 1 и 4 выключаются, ограничивая дальнейший рост напряжения на конденсаторе 9, а токи коммутирующего дросселя 16 и защитных дросселей 22 и 23 замыкаются по цепям: 16-18-2О-22-. -13-11-16 и 16-18-23-21-11-16. За время работы тиристоров 1 и 4 и

диода 11 через левую по схеме первичную полуобмотку выходного трансформатора 18 протекает полуволна синусоидального тока в направлении, указанном на фиг. 1 стрелкой. При этом в нагрузке 19 формируется первый период выходного тока. Затем включаются тиристоры S и 8 второго моста и коммутирующий конденсатор 1О перезаряжается по цепям 10-8-21-23-18-17-S-1O и 1О-8-13-22-20-28-17-5-10. После т его, как н пряжение на конденсаторе 10 сменит зна и достигнет величины напряжения на конденсаторе 13, происходит коммутация тока с тиристоров 5 и 8 на диод 12, тиристоры 5 и 8 выключаются, ограничивая дальнейший рост напряжения на Конденсаторе 1О, а токи коммутирующего дросселя 17 и защитных дросселей 22 и 23 замыкаются по цепям: 17-12-22-20-18-17 и 17-12-13-21-23-18-17. За время работы тиристоров 5 и 8 и диода 12 через правую по схеме nei вичную полуобмотку выходного трансфор матора 18 протекает полуволна синусои- дального тока в направлении указанном на фиг. 1 стрелкой. При этом в нагрузке 19 формируется второй период выходного тока. К моменту времени включения тирис- торов 2 и 3 первого моста заканчивается первый пояуцикл работы инверторов, в течение которого в нагрузке сформиро вано два периода выходного тока. При работе тиристоров 2 и 3, а затем 6 и 7 происходят аналогичные процессы пере- зарвда коммутирующих конденсаторов 9 и 10 и в нагрузке формируется еще два периода выходного тока. За полный цикл работы инвертора в нагрузке формируется четыре периода выходного тока. В отдельных случаях выходной трансформатор может не иметь среднего вывода первичной обмотки или нагрузка подключается к инвертору непосредствен- но без трансформатора. Для достижения эффекта учетверения выходной частоты в таких схемах подключения нагрузки пооледовательные L,C - цепочки необходимо включить между входными выводами после дросселей фильтра и соответствующими выходными выводами, как это пока зано на фиг. 2. Однако при этом цепи . перезаряда коммутирующих конденсаторов одержащие конденсатор 13, не замыкаются чер1ез нагрузку, что приводит к дополн тельной токовой загрузке тиристоров и снижению КПД. Поэтому конденсатор 13 целесообразно из схемы исключить.

Инвертор, представленный на фиг. 2, работает следующим образом.

При включешш тиристоров 1 и 4 происходит колебательный перезаряд конденсатора 9 по цепи: 9-4-16-18-20-22-1-9. При убывании тока перезаряща: конде сатора 9 напряжение на дросселе 16 см&няет знак и при достижении этим напряжением величины напряжения на конденсатов ре 21 включается аиоа 11, а тиристоры1Ги 4 выключаются, ограничивая дальнеЛт щий рост напряжения на конденсаторе 9, Ток дросселя 16 после включения диода . 11 замыкается по цепи: 16-23-21-11- -16. За время работы тиристоров 1 я 4 в нагрузке 19 формируется период выходного тока. Затем при поочередной работе тиристоров 5, 8; 2, 3 и 6, 7 в нагрузке формируется еще три периода выходного тока, а процессы перезаряда конденсаторов 9 и 10 аналогичны тем, что проиоходили при работе тиристоров 1 и 4.

В инверторах, выполненных по схемам, приведенным на фиг. 1 .и фиг. 2, через первичную обмотку выходного трансфер- матора протекает постоянная составляк щая входного тока инвертирующих мостов, что требует увеличения установленной мощности трансформатора. Этого можно избежать, если в инверторе, приведенном на фиг. 2, соединить последовательно коммутирующие дроссели 16 и 17, а их общую точку подключить к средней точке выходного трансформатора, как это показано на фиг. 3. При этом постоянная составляющая тока протекает через коммутирующие дроссоли, минуя цепь нагрузга. При включении тиристоров 1 и 4 в инверторе, изображенном на фиг. 3, конденсатор 9 перезаряжается по цепи: 9 4-16-18-2О-22-1-9. Ток перезаряда, протекая через верхнюю по схеме первичную полуобмотку выходного траноформатора 18, формирует в нагрузке 19 прямую полуволну первого периода выходного тока. После включения диода 11 тиристоры 1 и 4 выключаются, а ток коммутирующего дросселя 16 протекает по цепи: 16-18-23-21-11-16 Ток дросселя 16, протекая через нижнюю по схеме первичную попуобмотку . трансформатора 18, формирует в нагрузке 19 обратную полуволну первого . периода выходного тока. Затем при поочередной работе вентилей И, 8, 12; 2, 3, 11 и 6, 7, 12 в нагрузке формируется еще три периода выходного тока. Таким образом, в автономном инвер торе, выполненном в вариантах, представленных на фиг. 1-3, достигается учетверение выходной частоты по сра&нению с частотой работы тиристоров, а напряжение на элементах инв.ертора ограничивается с помощью встречных диодов... Если в предлагаемом инверторе коммутирующие дроссели вьшолнить магнит- но связанными, то при работе одного инвертирующего моста на коммутирующий дроссель другого моста трансформи руется напряжение, смещающее напряжение на тиристорах неработающего моста в сторону обратного, что предотвращает преждевременный переход обратного напряжения на восстанавливаю щих свою управляемость тиристорах при изменении параметров нагрузки в щироких пределах и првыщает, тем самым, устойчивость работы инвертора в ультразвуковом диапазоне частот. Предлагаемая схема инвертора позво ляет получить частоту выходного тока 44 кГц при выхопной мощности 15 кВт |и использовании в кажцом ппече инверт рующих мостов одного тиристора типа ТЧ-1ОО-9 класса. Формула изобр.етения 1. Автономный Инвертор, содержащий подключенные к входным выводам через дроссели фильтра две цепочки, состоящие каждая из последовательно соединенных тиристорного моста с коммутирующим конденсатором, в диагонали пере менного тока и диода, включенного в обратном направлении, причем анод дио да первой цепочки подключен через один из упомянутых дросселей фильтра к отрицательному входному выводу, а его катод - к первому концу одного коммут рующего дросселя, катод диода второй цепочки через другой из у1 омянутых дросселей фильтра соединенс положител ным входным выводом, а его анод - с первым концом другого коммутирующего дросселя, причем вторые концы коммути руюших дросселей подключены к первичной обмотке выходного трансформатора, отличающийся тем, что, с целью расщирения верхней границы чаототного диапазона, он снабжен двумя последовательными L, С-депочкам и, одни концы которых соединены соответственно с анодом дирда первой и катодом диода второй цепочек, а другие их концы - с первичной обмоткой, выходного трансформатора, 2.Автономный инвертор по li. 1, отличающийся тем, что первичная обмотка выходного трансформатора включена между коммутирующими дросселями и выполнена с средним выводом, подключенным к другим концам ЦС - цепочек.. 3.Автономный инвертор по п. 1, о т, л и ч а ю щ и и с -я тем, что nei вичная обмотка выходного трансформатора включена между коммутирующими дросселями и соединена концами с упом- мянутыми другими концами соответствующих L,C - цепочек, конденсаторы которых выполняют роль входного фильтрующего конденсатора. 4.Автономный инвертор по п. 1, отличаюшийся тем,что nepi- вичная обмотка выходного трансформатора включена между Сс - цепочками и выполнена с средним выводом, соединенным с вторыми концами коммутирующих дросселей, а роль входного фильт-. рующего конденсатора выполняют конденсаторы ЦС - цепочек. 5.Автономный инвертор, по п. 1 - 4, отличающийся тем, что ком мутирующее дроссели магнитно связаны. оИсточники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Канцельсон С. М, и др. Новые схемы тиристорных инверторов повышенной частоты ЗООО-ЮОООГи. tиpиcторные преобразователи частоты для индукционного нагрева металлов. Труды УАИ, вып. 48. Уфа, 1973, С. 72 рис, 1а, 2.Авторское свидетельство СССР № 368701, кл. Н 02 М 7/515, 1973. 3.Уржумсков А, М. и др. Тнристорный преобразователь частоты для вакуумной электротермии. Разработка и про- . мышленное применение полупроводниковых преобразователей частоты в машиностроении. Тезисы докладов Всесоюзной научно-технической конференции. М., 1977, стр. 37.

HiS

«i

«n

v

t4

I

%г

ч

t

w

5; А

tpffi //

1Ф

..

гЛt

гв