Способ управления двухтактным инвертором Советский патент 1983 года по МПК H02P13/18 

го Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в системах преобразования электрической энергии. Известен способ управления двухтактным инвертором, при котором фиксируют протекание тока перезаряда конденсатора, включенного параллельно первичной обмотке силового трансформатора и отпирание очередного по порядку работы силового ключа не производят до тех пор, пока ток перезаряда не станет меньше некоторой величины или не прекратится совсем 1 . Недостатком этого способа состоит в сложности схемной реализации, так как необходимо иметь датчик тока перезаряда конденсатора. Кроме того, такой способ управления неприменим к мостовому инвертору, в котором воз можна двухступенчатая коммутация силовых ключей. Наиболее близким к изобретению по технической сущности является способ управления двухтактным инвертором, содерх(а1цим силовые управляемы ключи, силовой трансформатор, параллельно первичной обмотке которого включена конденсаторная цепь, и цепи коммутации (отпирания и запирания ) силовых управляемых ключей, заключающийся Б том, что формируют сигналы отпирания и запирания силовых управляемых ключей, контролируют напряжение между электродами выходной цепи силовых ключей, сравнивают упомянутое напряжение с пороговым уровнем и запрещают проводящее состояние силового ключа, если напряжение между его электродами выходной цепи превышает пороговый уровень, причем указанный пороговый уровень устанавли) вают меньшим напряжения питания, вре менно снимают запрет проводящего состояния силовых ключей при. превышеНИИ напряжения между электродами выходной цепи силовых ключей над упомянутым пороговым уровнем, момент на чала снятия запрета устанавливают совпадающим с началом первого такта работы инвертора, а момент окончания снятия запрета устанавливают до начала второго такта 23. Недостаток, известного способа состоит в сложности схемной реализации, так как необходимы устройства, реализующие функции пуска инвертог ра и снятия запирания силовых к/точей на время пуска. Кроме того, элементы цепи сравнения напряжения на силовых, ключах с указанным пороговым уровнем должны быть рассчитаны на напряжение питания для случая мостовой схемы и на удвоенное напряжение питания, если инвертор выполнен по двухтактной схеме с двухфазной первичной обмоткой силового трансформатора. При .этом входные токи устройства сравнивания вызывают дополнительные потери энергии, которые могут быть значительными при работе инвертора от промышленной сети напряжением 380 В. Высокое напряжение питания затрудняет (резко ограничивает ) выбор элементов для реализации функции сравнения. , Цель изобретения - упрощение способа управления и уменьшение потерь энергии. Поставленная цель достигается тем, что способ управления двухтактным инвертором, содержащим силовые управляемые ключи, конденсатор, подключенный параллельно первичной обмотке силового трансформатора, состоявший в том, что периодически и поочередно коммутируют силовые управляемые ключиJпринадлежащие разным плечам инвертора, и формируют сигнал запрета проводящего состояния силовых управляемых ключей на время перезаряда конденсатора, определяют мгновенное значение напряжения на обмотке силового трансформатора, запоминают это значение в каждом такте, формируют в каждом такте управляющее напряжение, меньшее по величине м.гновенного значения напряжения на обмотке силового трансформатора в предыдущем такте, определяют в каждом такте разность между управляющим напряжением и мгновенным значением напряжения на обмотке силового трансформатора в данном такте, сравнивают полученную разность с пороговым значением напряжения и формируют указанный сигнал запрета, если разность по модулю больше порогового значения, и пре- : кращают формирование сигнала запре-. та, если разность меньше порогового значения. На чертеже приведена схема автогенераторного двухтактного инвертора с трансформаторной цепью положительной обратной связи ПОС и схема устройства для управления, реализующего спосбб.

Устройство содержит первую 1 и вторую 2 шины питания двухтактного инвертора, секции 3 и первичной обмотки силового трансформатора 5, конденсаторную цепь 6, параллельно первичной обмотке, силовые управляемые ключи 7 и 8, возвратные диоды 9 и 10, диоды 11 и 12 цепи ПОС, обмотку 13,ПОС, резистор Н цепи ПОС, токозадающий резистор 15, блок 16 запрет,управляющую обмотКу 17 трансформатора 5, первый 18 и второй 19 выпрямители, резистор 20, конденсатор 21, управляемый пороговый элемент 22 и резистор 23.

Первая шина 1 питания подключена к общей точке секций 3 и первичной обмотки силового трансформатора 5.Указанные секции шунтированы конденсаторной цепью6,которая можетбыть выполнена, например, в виде параллельного соединения множества конденсаторов. Между вторыми выводами секций 3 и первичной обмотки силового трансформатора 5 и второй шиной 2 питания включены выходные цепи силовых управляющих ключей 7 и 8, шунтированные возвратными диодами 9 и 10. Входные цепи силовых управляемых ключей 7 и 8 шунтированы диодами 11 и 12 цепи ПОС. Между электродами управления силовых управляемых ключей 7 и 8 включены соединенные последовательно обмотка 13 и резистор 1 цепи ПОС. К управляющим электродам силовых управляемых ключей 7 и 8 подключены выводы выходной цепи блока 16 силовых управляемых ключей. Управляющий электрод силового управляемого ключа 7 подключен к шине 1 питания через токоограничиоающий резистор 15.

Обмотка 17 устройства управления подключена к входным выводам первого 18 и второго 19 выпрямителей. Первые одноименные выходные выводы ( отрицательные ) выпрямителей 18 и 19 соединены и подключены к второй шине 2 питания. Между вторым выходным оыоодом первого выпрямителя 18 и объединенными первыми выводами выпрямителей 18 и 19 включена последовательная RC-цепь, образованная резистором 20 и конденсатором 21. К второму выходному выооду второго выпрямителя 19 и средней точке RC-цепи 20-21 подкш)чены выводы входной цепи управляемого порогового элемента 22, выполненного (фиг..1) в-виде p-ti-p транзистора. Между первым и вторым выходными выводами вторрго выпрямителя 19 вкгночен резистор 23. Вывод выходной цепи управляемого порогового ;элемента 23 (коллектор р-п-р транзистора )подключен к входной цепи управляемого устройства 16 запирания силовых управляемых ключей 7 и 8.

Сущность способа состоит в сл дующем.

При подключении двухтактного инвертора к источнику питания током через токозадающий резистор 15 отпирается силовой управляемый ключ 7 и в схеме за счет действия цепи ПОС возникает лавинообразно протекающий процесс нарастания напряжения на обмотках силового трансформатора 5. До подключения схемы к источнику питания на обмотках трансформатора отсутствуют напряжения и конденсатор 21, выполняющий роль элемента памяти, поэтому разряжен.

Нарастающее напряжение на обмотке 17 передается через один выпрямитель 18 на первый вывод входной цепи управляемого порогового элемента 22 (эмиттер р-п-р транзистора), а через второй выпрямитель 20 на второй вывод входной цепи управляемого порогового элемента 22 (базе р-п-р тран зистора). Нарастание положительного потенциала на конденсаторе 21 происходит медленнее, чем нарастание положительного потенциала на выходе второго выпрямителя 19 и поэтому

управляемый пороговый элемент 22 остается во время процесса нарастйния напряжения на обмотках трансформато,ра при первоначальном включении двухтактного инвертора в режим генерации

в состоянии О, при котором в выходной цепи управляемого порогового элемента 22 сигнал отсутствует ( p-fi-p транзистор заперт ), При этом на вход блока 16 запирания силовых управляемых ключей не поступает сигнал, на выходе этого устройства также отсутствует сигнал запирания силовых управляемых ключей и регенеративный процесс отпирания силового управляемого ключа 7 протекает беспрепятственно.

К моменту завершения перехода силового управляемого ключа 7 в проводящее состояние (в этот момент разность

потенциалов между электродами выходной цепи силового управляемого ключа снижается почти до нуля, на секции 3 первичной обмотки силового трансфор5iматора 5 устанавливается напряжение, почти равное напряжению питания, и соответственно, дорастает до максимального напряжения на обмотке 13 и напряжение на обмотке 17. Действие первого обусловлено поддерх(ание проводящего состояния силового ключа 7 и запертого состояния силового управ ляемого ключа 8„ Действием второго обусловлен заряд конденсатора 21 мерез резистор 20. В конце заряда конденсатора 21 через резистор 20 на конденсаторе, с которым соединен первый вывод входной цепи управляемого порогового элемента 22, и на выходе второго выпрямителя 19t с которым соединен второй вывод входной цепи управляемого порогового элемента 22 устанавливаются практически равные потенциалы, что недостаточно для перевода, управляемого порогового элемента 22 в состояние 1, при котором в его выходной цепи появился бы сигнал ( р-п-р транзистор остается в запертом состоянии ) и поэтому на §ь1ходе блока 16 запирания силовых управляемых ключей не появляется сигнал запирания. Если конструкция управляемо го порогового элемента 22 такова, что для пребывания его в состоянии О необходим отрицательный потенциал первого вывода входной цепи по от ношению к второму выводу ( например, 8 качестве управляемого порогового элемента использован операционный усилитель), параллельно конденсатору 21 может быть включена токйпотреб ляемая цепь (резистор, показанный на фиг. 1 пунктиром ). Отрицательное сме щение создается за счет протекания т на через резистор 20 после заверше-. ния процесса заряда конденсатора 21. За счет действия синхроимпульса, подаваемого на вход блока 16, или за счет естественного процесса нарастания тока через силовой управляемый ключ 7| вызванного ростом тока намагничивания трансформатора 5 силовой управляемый ключ выходит из состояния высокой проводимости и напряжение на нем возрастет. Это вызывает в свою очередь уменьшение напряжения на секции 3 первичной обмотки и, как следствие, уменьшение напряжения на вторичных обмотках 13 и 17. Уменьшение напряжения на обмот ке 17 означает уменьшение напряжения на выходе второго выпрямителя 19i 216 а следовательно, понижение потенциала на втором выводе входной цепи управляемого порогового элемента 22. Что касается потенциала на первом выводе входной цепи управляемого порогового элемента 22, он сохраняется неизменным (почти неизменным ) за счет использования элемента памяти, коим выступает конденсатор 21. Поэтому при понижении напряжения на обмотке 17 на величину, равную порогу срабатывания управляемого порогового элемента 22, последний переходит в состояние 1 и на выходах управляемого блока 16 запирания управляемых ключей будет действовать сигнал запирания независимо от того, имеется или отсутствует синхроимпульс. За счет энергии магнитного поля, накопленной в сердечнике силового трансформатора 5i после запирания силового управляемого ключа 7 продолжается начавшийся до этого Процесс перезаряда напряжения на первичной обмотке, сначала плавно уменьшается, затем проходит через ноль, затем начинает нарастать, изменив полярность на противопо/южную первоначальной. Соответственно разность потенциалов между электродами выходной цепи силового управляемого ключа 7 плавно нарастает, стремясь к значению, большему напряжения питания, а разность потенциалов между электродами выходной цепи силового управляемого ключа 8 плавно уменьшается. Плавность нарастания напряжения на запирающем силовом управляемом ключе обусловливает незначительность коммутационных потерь в нем при запирании,а также повышение надежности за счет уменьшения вероятности возникновения вторичного пробоя и самоотпирания ключа под действием паразитной емкости между электродом выходной цепи, потенциал которого возрастает, и управляющим электродом. Самоотпирание предотвращается действием сигнала отпирания с выхода блока 16. Продолжающееся действие сигнала запирания силовых управляемых ключей обусловлено действием памяти о напряжении на обмотках трансформатора во время предыдущего такта работы ( в данном случае первого такта ). Функцию элемента памяти выполняет конденсатор 21, который сохраняет заряд и, медленно разряжась, обеспечивает .ток через управляемый пороговый элемент 22 ( в схеме на фиг. 1 через p-h-p транзистор . Напряжение на конденсаторе 21 . является управляющим. С этим напряжением сравнивается мгновенное значение модуля напряжения на обмотке 17. Элементами цепи сравнения являются диоды выпрямителя 19 и выходная цепь порогового управляемого элемента 22. Когда напряжение на обмотке 17 приблизится к уровню напряжения, до которого зарядился конденсатор 21 во время предыдущего такта и станет отличаться от этого уровня на величинуу меньшую порога срабатывания управляемого порогового элемента 22, последний перейдет В состояние О и, соответственно, исчезнет сигнал запирания силовых управляемых ключей 7 и 8. Это произойдет в момент, когда напряжение на вторичной обмотке 17 достигнет значения, близкого к амплитудному во время предыдущего такта. Если за .время от первого такта до качала вто рого такта (т.е. на незначительное время) пренебречь изме нением напря жения питания, а также изменением напряжения на конденсаторе 21, являющемся элементом памятиj то исчезновение сигнала запирания силовых управляемых ключей произойдет в момент, когда напряжения на обмотках, в том числе и на первичной обмотке, достигнув значений, близких к амплитудным в новом .(теперь втором) такте работы двухтактного инвертора. При этом конденсатора конденсаторно .цепи 6 будут практически полностью перезаряжены за счет энергии, накопленной в трансформаторе 5, и потери энергии в отпирающем силбвом управля емом ключе 8 будут незначительными, ток как его отпирание происходит при почти нулевой разности потенциалов |4ежду электродами выходной цепи. Отпирйние силового управляемого ключа 8 обусловлено действием напря,кение на обмотке 13 цепи ПОС, полярность кото|эого во втором такте обрат на полярности в первомтакте: теперь отпирающее для силового управляемого ключа 8 и запирающее для силового уп равляемого ключа 7. Если за время перезаряда конденсаторов конденсаторной- цепи индуктивная энергия выведена не полностью отпирается возвратный 10 и чере обмотку k и источник питания протека 1 21 ёт инверсный ток. Это явление полезно, если в качестве силовых управляемых ключей применяются биполярные транзисторы: за время протекания инверсного тока в ёазе биполярного транзистора током цепи ПОС будет создан заряд достаточный, чтобы при перемене полярности тока обмотки 4 после вывода индуктивной энергии транзистор 8 сразу стал работать в режиме глубокого насыщения, при котором падение напряжения между электродами выходной цепи мало. Переход от второго такта к третьему, от третьего к четвертому и т.д. происходит подобно рассмотренному процессу перехода от первого такта к втооому. Принцип управления не изменяется, если двухтактный инвертор построить по схеме с внешним управлением и на время действия переключающего синхроимпульса обеспечивать запирание силовых управляемых ключей. В качестве управляющей обмотки 17 может быть использована в автогенераторном двухтактном инверторе обмотка ПОС. Однако в этом случае ее выводы следует подключить к управляющим электродам силовых управляемых ключей через одинаковые токоограничивающие двухполюсники для симметрии работы схемы .по тактам. Сущность способа не изменяется, если в качестве управляемого порогового элемента использовать оперативный усилитель, позволяющий более точно сравнивать мгновенное напряжение на обмотке с управляющим напряжением, характеризующим амплитудное значение напряжения на этой же обмотке в предыдущем такте. Сущность способа управления не изменяется, если для достижения большей точности использовать преобразование напряжения на обмотке в цифровую форму, хранить информацию до следующего такта, осуществлять обратное преобразование из цифровой формы в управляющее напряжение, с которым в следующем такте сравнивать мгновенное значение модуля напряжени;| на обмотке. Предлагаемый способ управления двухтактным инвертором позволяет в сравнении с известным упростить схемную реализацию и применять бо- . лее дешевые элементы в схеме управления, реализующей способ.

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДВУХТАКТНШ ИНВЕРТОРОМ, содержащим силовые управляемые ключи, конденсатор, подключенный параллельно первичной обмотке силового трансформатора, состоящий в том, что периодически и nor очередно коммутируют силовые управляемые ключи,, принадлежащие разным плечам инвертора, и ({юрмируют сигнал запрета проводящего состояния силовых управляемых ключей на воемя переза. ряда конаенсатооа .отл1 чаюш и и с я тем, что, с иелью упрощения и уменьшения потерь энергии, опре деляют мгновенное значение напряже;ния на обмотке силового трансфорйатора, запоминают это значение в каждом такте, формируют в каждом такте управляющее напряжение, меньшее по величине мгновенного значения напряжения на обмотке силового трансформатора в предыдущем такте, определяют в каждом такте разность между управляющим напряжением и мгновенным значением напряжения на обмотке силового .трансформатора в данном такте,сравнивают полученную разность с пороговым значением напряжения и формируют ука(Л занный сигнал запрета, если разность .по модулю больше порогового значения, и прекращают формирование сигнала запрета, если разность меньше порогово-2 го значения.