Автономный инвертор напряжения Советский патент 1987 года по МПК H02M7/521 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым полупроводниковым преобразователям постоянного напряжения в переменное, выполненным на однооперационных тиристорах, и может быть использовано в качестве выходного или промежуточного звена в различного вида преобразователях параметров электрической энергии для питания нагрузок средней и большой мощности.

Целью изобретения является повышение энергетических показателей.

На фиг. 1 представлена схема мостового инвертора; на фиг. 2 - кривые токов i и напряжений на соответствующих элементах схемы для случая о,; 60° и LP 60°; на фиг. 3 - схема многофазного многоячейкового инвертора; на фиг. 4 - полумостовой вариант схемы инвертора.

Устройство содержит мост 1 с основными ключевыми элементами 2 и 3, образующими пару с включенными между ними коммутирующими дросселем 4 с полуобмотками 5 и 6 и основными ключевыми элементами 7 и 8, образующими вторую пару, с включенным между ними коммутирующим дросселем 9 с полуобмотками 10 и 1 I .

Между средними точками дросселей 4 и 9 подключена первичная обмотка 12 выходного трансформатора 13, вторичная обмотка 14 которого подключена к активно-индуктивной нагрузке 15 и 16.

К средним точкам коммутирующих дросселей 4 и 9 подключены соответственно начала первичных обмоток I7 и 18 трансформатЬров 19 или 20 возврата с вторичными обмотками 21 и 22, а концы первичных обмоток 17 и

18соединены с общими точками обрат- .ных вентилей 23, 24 и 25, 26. Концы

вторичных обмоток 21 и 22 соединены с общими точками вентилей 27, 28 и 29, 30 соответственно.

Разветвленные коммутирующие контуры образуются соответственно основными группами коммутирующих конденсаторов 31-34, подключенными первыми обкладками к средним точкам коммутирующих дросселей 4 и 9 и дополнительными группами коммутирующих конденсаторов 35-38, подключенными первыми обкладками к концам первичных обмоток 17 и 18 трансформаторов

19и 20 возврата. Вторые обкладки

10

15

127082

основных 31, 33 и дополнительных 35, 37 коммутируюЕцих конденсаторов соединены с катодом первого разделительного диода 39, включенного в прово- 5 дящем напряженин в положительную шину (+UP) источника заряда конденсаторов, а вторые обкладки основных 32, 34 и дополнительных 36, 38 коммутирующих конденсаторов соединены с анодом второго разделительного диода 40j включенного в проводящем направлении в отрицательную шину (-Uc) источника заряда конденсатора. Анод второго разделительного диода 40 и вторые обкладки групп 32, 34, 36, 38 коммутирующих конденсаторов катодной части моста соединены с катодом третьего ключа 41 и анодом первого ключа 42, а анод третьего

ключа 41 и катод первого ключа 42 подключены к отрицательному полюсу (-Е) основного источника питания. Катод первого разделительного

25 диода 39 и вторые обкладки коммутирующих конденсаторов 31, 33, 35, 37 анодной части моста 1 соединены с анодом четвертого ключа 43 и катодом второго ключа 44, а катод четвертого ключа 43 и анод второго ключа 44 соединены в общую точку с основными ключевыми элементами 2 и 7 анодной части моста 1 и катодом третьего разделительного диода 45, включенного в проводящем направлении в поло

5 жительный полюс основного источника питания и отделяющего- точку соединения катода четвертого ключа 43, анода второго ключа 44 и анодов основных ключевых элементов 2 и 7 от

40

входного вывода положительного полюса (-1-Е) основного источника питания и подключенных к нему катодов обратных вентилей 23, 25, 27, 29, 46, 47.

Аноды обратных вентилей 24, 26, 28, 30, 48, 49 соединены с отрицательным полдосом (-Е) основного источника питания.

Начала вторичных обмоток 21 ч 22

трансформаторов 19 и 20 возврата соответственно соединены с общими точками соединения обратных вентилей 46, 48 и 47, 49. Причем обратные вентили 27, 28, 46, 48 и 29, 30,.

5-5 47, 49 образуют обратные выпрямители, которые катодами обратных вентилей 27, 46 и 29, 47 подключены к положительной шине (+Е) основного

30

источника питания и аноду третьего диода 45, а анодами обратных вентилей 28, 48 и 30, 49 - к отрицательной шине (-Е) основного источника питания.

Устройство работает следующим образом.

Коммутация пар ключевых элементов 2 и 3, 7 и 8 может происходить либо при положительном, либо при отрицательном значении тока нагрузки, Есо1ли вьтолняется условие f + - О,

то коммутация вентильной пары 2 и 3 имеет место при положительном значении тока нагрузки i(o) 7 О, если (/

fO

2

О, то при отрицательном.

где у - угол сдвига между напряжением и током нагрузки в эл. град, (при индуктивной нагрузке - отстающий, фиг, 2, при емкостной - опережающий), oi угол регулирования инвертора значения в эл, град; i(o) - значение тока нагрузки для нулевого момента времени. Пара 7 и В коммутирует при отрицательном значении тока нагрузки, если Yu jПри индуктивной нагрузке t/, О и при любом угле регулирования d пара 2 и 3 коммутирует при отрицательном значении тока нагрузки, для которых условия коммутации получаются более тяжелыми. Поэтому рассмотрим процессы коммутации для случая, когда i(o) f О, полагая, что за время коммутации ток нагрузки не успевает заметно измениться и остается равным

1(0).

Рассмотрим процесс коммутации с ключевого элемента 3 на ключевой элемент 2. Этапы коммутации.

15

20

13127084

(+Uc)-39-43-7-10-34-40 (-U);

(+Uc)-39-43-7-10-18-38-40 (-U.).

Первый 42 и второй 44, третий 41 и четвертый 43 ключи закрыты. Обратное напряжение на обратных вентилях 23, 26 и прямое напряжение на ключевых элементах 2 н 8 равно напряжению (Е) основного источника питания,

В момент времени импульсами управления включаются ключевой элемент 2 и первый 42 и четвертый 43 ключи. Напряжение на полуобмотке 5 (Ug) коммутирующего дросселя 4 становится равным Uj.E (при Е 7 U.), Если считать коэффициент связи между полуобмотками 5 и 6 коммутирующего дросселя 4 равным единице, то такое же напряжение по величине индуктируется и на полуобмотке 6 с полярностью, указанной на фиг. 1, Поскольку напряжение на основном 32 и дополнительном 36 коммутирующих конденсаторах в первый момент после включения ключевого элемента 2 остается равным нулю, полуобмотка 6 закорачивается через основной коммутирующий конденсатор 32 и параллельно через первичную обмотку I7 трансформатора 19 возврата, дополни- 30 тельный коммутирующий конденсатор 36, первый ключ 42 и ключевой элемент 3, Ток короткого замыкания iЭ2 в контуре элементов (+6)-32-42-3-(-6) нарастает быстро, так как он ограничен только индуктивностью рассеяния коммутирующего дросселя 4, Ток i :«,

в контуре (+6)-17-36-42-3-(-6) нарастает медленнее, так как он oi- раничен индуктивностью рассеяния коммутирующего дросселя 4 и индуктивностью первичной обмотки 17 трансформатора 19 возврата.

25

35

40

Ток ij меньше по амплитуде тоВ исходном состоянии схемы ток на-. ка ijj и изменяется с круговой часгрузки 1 протекает по цепи ()-45- -7-10-12-6-3-(-Е), Ключевые элементы 2 и 8 закрыты. Основные и дополнительные группы 32, 36 и 33, 37 коммутирующих конденсаторов разряжены (они шунтированы открытыми ключевыми элементами 3 и 7), напряжение на них равно нулю, следовательно, напряжение на основных и дополнитель50

тотой в два-три раза меньшей, чем ток ijj. Ток i jg, протекая через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напряжение, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по цепи (-Е)-48-21-27- -(+Е) или по цепи (-Е)-28-21-46-(-ьЕ) при изменении направления тока i

ных группах заряда U, которые соот- в конденсатор 50 фильтра постоянно- ветственно зарядились по цепям (по- лярность показана без скобок), равно

(+Uc)-39-32-6-3-41-40 (-Uc);

(+Uc)-39-35-l 7-6-3-41-4Д (-Uc);

го тока основного источника питания и на заряд основных и дополнительных групп коммутирующих конденсаторов через ключи 44 и 42.

Ток ij меньше по амплитуде тока ijj и изменяется с круговой час

тотой в два-три раза меньшей, чем ток ijj. Ток i jg, протекая через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напряжение, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по цепи (-Е)-48-21-27- -(+Е) или по цепи (-Е)-28-21-46-(-ьЕ) при изменении направления тока i

в конденсатор 50 фильтра постоянно-

в конденсатор 50 фильтра постоянно-

го тока основного источника питания и на заряд основных и дополнительных групп коммутирующих конденсаторов через ключи 44 и 42.

5

Токи и ij, накла ток нагрузки ключевого и являясь противоположнравлению, уменьшают ток нуля, включая ключевой первый ключ 42, Ток чер элемент 2 увеличивается величины - i(o).

Таким образом, ток с элемента 3 переходит на

элемент 2. Поскольку ig ij2 и ij Цд,следовательно, в момент времени суммарные токи ij, ij и 131, i 3 коммутирующих конденсаторов скачкообразно возрастают до значения, равного -1(0),

Время первого этапа, связанного с выключением ключевого элемента 3, мало, поэтому можно считать переход тока с ключевого элемента 3 на ключевой элемент 2 мгновенным.

После выключения ключевого элемента 3 и первого ключа 42 начинается второй этап коммутации, который характеризуется разрядом коммутирующих конденсаторов 31 и 35 через полуоб- мотки 5 коммутирующего дросселя 4 по цепям 31-43-2-5-31; 35-43-2-5-17-35.

Ток разряда ijj, протекая по последней цепи через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напряжение, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по цепи (-Е)-48-21-27-(+Е) при указанном на фиг. 1 стрелкой токе ° цепи (-Е)28-21-46-(+Е) при противоположном направлении тока в конденсатор 50 фильтра. Продолжительность разряда коммутирующих конденсаторов 31 и 35 определяет время приложения обратного напряжения к выключенному ключевому элементу 3, Одновременно происходит заряд коммутирующих конденсаторов 32, 36 по цепям (+Uc)-39-43-2-5-32-40-(-Uc) и (+Uc)-39-43-2-5-17-36-40-(-Uc),

Ток заряда ij, протекая через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает в ней напряжение, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по описанным цепям. Второй этап заканчивается, когда напряжение коммутирующих конденсаторов 31, 35 становится равным нулю и стремится поменять полярность. Однако цепи перезаряда коммутирующих кон

5

денсаторов 31, 35 нет, так как заперт четвертый ключ 43, Токи в конденсаторах 31 и 35 отсутствуют, поскольку они разряжены до нуля, а токи коммутирующих конденсаторов 32 и 36 отсутствуют, поскольку они заряжены до напряжения U.

Таким образом, в начале третьего этапа ток ключевого элемента 2 и ток нагрузки IH переходят на обратный вентиль 23 по контуру 5-17-23-45-2-5. Этот этап можно считать этапом разряда полуобмотки 5 коммутирующего дросселя 4 по указанной цепи. При этом разрядный ток дросселя 4, замыкаясь через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напряжение дЦ, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21, возвращает основную часть избыточной энергии по цепи (-Е)-48-21-27-(+Е) в основной источник питания.

Введение в контур разряда дополнительного напряжения ли первичной обмотки 17 трансформатора 19 существенно уменьшает время tp разряда коммутирующего дросселя 4.

На этом процесс коммутации тока с ключевого элемента 3 на ключевой

элемент 2 заканчивается и схема готова к коммутации тока с ключевого элемента 7 на ключевой элемент 8 через временный сдвиг, определяемый - углом d (эп, град.) регулирования

5 инвертора,

IT. макс- L4

0

5

зи

где 1

т. макс

0

5

Ч ли амплитудное значение тока ключевого элемента 2 в конце второго этапа;

индуктивность полуобмотки 5 дросселя 4; дополнительное напряжение первичной обмот-, ки 17 трансформатора 19, вводимое в контур для ускорения разряда. Если в течение интервала времени разряда дросселя 4 ток нагрузки не изменит знак, то в конце эт ого интервала ключевой элемент 2 отключается и ток нагрузки переходит на диод 23.

В этом случае для обеспечения нормальной работы схемы управляющий импульс, подаваемый на ключевой эле0

мент 2 (также и 3), должен быть достаточно длительным по времени, чтобы ключевой элемент 2 находился в проводящем состоянии к моменту изменения полярности тока нагрузки. Если в течение интервала времени разряда дросселя 4 ток нагрузки изменяет знак и возрастает в сторону положительных значений, то ключевой элемент 2 проводит ток Непрерывно.

Время tp должно быть меньше половины периода выходного напряжения инвертора. По заданному времени tp можно определить необходимое напряжение jU и рассчитать коэффициент трансформации трансформаторов 19 и 20 возврата.

Максимальное значение тока i в ключевом элементе де суммарного разряда тока ic.wdKc конденсатора с. м«кс . где ip ««кг амплитудное значение сум1 waikt

марного разрядного тока основной и дополнительной групп коммутирующих конденсаторов

т, «а К 2 равно амплиту

Uc

--- sinwc

t+

Ur . ,

- sinuj;, t,

po

Uj. - напряжение разряда коммутирующих конденсаторов 31 и 35;

Wp - круговая частота собственных колебаний контура включающего основного конденсатора 31,

LO

1

N2L

tojj- круговая частота собственных колебаний контура включающего дополнительного конденсатора 35

2

3 7

О

180

180+dL

со:

(при L,

этом

f 2а,Ц)С/ ,/ u)L 7, 2

5

31

Cjs

Uc Po

0

Wo/ bo; 7, 2-3); индуктивность полуобмотки 5 коммутирующего дросселя 4;

индуктивность первичной обмотки 17 трансформатора 19 возврата; емкость коммутирующего конденсатора 31; емкость коммутирующего конденсатора 35; напряжение источника под- заряда коммутирующих кон- ден аторов;

волновое сопротивление коммутирующим конденсатором 31 ,

Ра

LO

о 5

о

волновое сопротивление контура с дополнительным коммутирующим конденсатором 35,

я;,

и);,(ь,.+ц,).

Энергия WL, записываемая в коммутирующем дросселе 4 в процессе коммутации (без учета потерь), равна

2

W,

т -2 .MOIKC

yliCj,.iC35.1j

Частота переключений пар ключевых элементов 2 и 3, 7 и 8 задается частотой управляющих импульсов системы управления.

Алгоритм и частота переключений ключевых элементов и диодов приведены в таблице.

42 44 42

13

Примечание: f- частота напряжения на

первичной обмотке I2 трансформатора 13 нагрузки.

Коммутация с ключевого элемента 7 на ключевой элемент 8 происходит аналогично описанному процессу.

Однофазный мостовой инвертор напряжения (фиг. I) выполнен с широтным регулированием выходного напряжения. При этом система регулирования инвертором допускает временной сдвиг на электрический угол d моментов отпирания ключевых элементов 7 и 8 относительно моментов отпирания ключевых элементов 3 и 2, причем моменты отпирания ключевых элементов 2 и 3, 7 и 8 всегда сдвинуты на угол Т. При оС.0 ключевые элементы 2 и 8, а также 3 и 7 отпираются одновременно и на выходе трансформатора 13 нагрузки формируется напряжение прямоугольной формы, а в многофазных многоячейковых инверторах напряжения

131270810

П родолжение таблицы

f

(фиг. 3), состоящих из однофазных мостов (фиг. I), формируется напряжение многоступенчатой (квазнсинусо- идальной) формы.

Пусть фаза интервалов проводимости ключевых элементов 8 и 7 изменяется относительно фазы интервгшов проводимости тиристоров 2 и 3 в сторону отставания на эл. угол. На фиг. 2 представлены кривые токов и напряжений на элементах схемы для случая oi 60° и 60°. В те интервалы времени, когда одновременно включены ключевые элементы, подсоединенные к одному полюсу основного источника питания (2 и 7, 3 и 8) напряжение на первичной обмотке 12 трансформатора 13 нагрузки равно нулю, поскольку соответствующие пары 2, 7 или 3, 8 закорачивают первичную

It1

обмотку 12 трансформатора 13 нагрузки. В кривой выходного напряжения по появляются нулевые участки длительностью oL. Кривая выходного напряжения Е„ (фиг. 2) в этом случае может быть представлена как сумма двух кривых такой же формы, как и при , но сдвинутых по времени на эл. угол ci и уменьшенных вдвое rfo амплитуде. Изменяя угол е от нуля до Т , принципиально можно регулировать выходное напряженне от максимального значения, определяемого величиной Е, до нуля.

Иногда с целью сохранения неизменной фазы выходного напряжения ключевые элементы 2 и 3- открывают раньше некоторого опорного момента времени на эл, угол , а

ключевые элементы 8 и 7 открывают позже некоторого опорного момента

ot времени также на эл. угол -.

Формула изобретения

Автономный инвертор напряжения, содержащий однофазный мост, катодная группа основных ключевых элементов которого подключена, к отрицательному входному выводу, и параллельные разветвленные коммутирующие LC-контуры с включенными между парами основных ключевых элементов моста коммутирующими дросселями, к средним точкам которых подключены первичная обмотка трансформатора нагрузки и начала первой и второй трансформаторных обмоток возврата, соединенных концами через обратные вентили с положительными неотрицательными входными выводами, а третья трансформаторная обмотка возврата подключена к входным выводам через вентили обратного выпрямителя, а также основные коммутирующие конденсаторы, соединенные попарно последовательно и подключенные общими точками к соответствующим общим точкам соединения средней точки соответствующих коммутирующего дросселя и начала трансформаторной обмотки возврата, отличающийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей, он снабжен тремя разделительными диодами, четырьмя ключами, источником подэаряда и четырьмя дополнительны8 ми.

12

попарно последовательно соединенными конденсаторами, включенными между катодом первого разделительного диода, соединенного анодом с поло- жительной шиной источника подзаряда и анодом второго разделительного диода, соединенного катодом с отрицательной щиной источника подзаряда, а общая точка каждой пары дополнительных конденсаторов подключена к концу соответствующей первой или второй трансформаторной обмотки возврата, в качестве которых использованы первичные обмотки двух введенных трансформаторов возврата, причем в качестве третьей обмотки использована вторичная обмотка одного из введенных трансформаторов возврата, вторичная обмотка другого из которых

подключена к входным выводам через вентили введенного дополнительного обратного выпрямителя, а положительный входной вывод соединен с анодньй группой основных ключевых элементов

моста через третий разделительный диод, включенный в прямом направлении, соединенный катодом через два встречно параллельно включенных указанных ключа с катодом первого разделительного диода, а катодная группа моста через два других встречно параллельно включенных ключа соединена с анодом второго разделительного диода, причем

35

Шо

U)o

7/ 2-3,

40

Где ujg - собственная круговая часгРад

тота (---) коммутирующего

5

5

контура, образованного емкостью с дополнительных коммутируюошх конденсаторов, индуктивностью L первичной обмоткн трансформатора возврата и индуктивностью L полуобмотки коммутирующего дросселя; Ыд- собственная круговая час- рад тота () коммутирующего

контура, образованного емкостью С основных коммутирующих конденсаторов и индуктивностью L полуобмотки коммутирующего дросселя.

2Л t

JflJ

,fm

гя 9

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б.использовано в различного вида преобразователях параметров электрической энергии для питания нагрузок средней и большой мощности. Целью изобретения является повышение энергетических показателей. Устр-во содержит мост основных ключевых элементов 2, 3, 7, 8 с выходным тр-ром 5 и тр-ра- ми возврата 19, 20. Основные 31-34 и дополнительные 35-38 коммутирующие конденсаторы подключены к источнику подзаряда через разделительные диоды 39, 40. Мост подключен к входным выводам через разделительный диод 45, а к разделительным диодам 39,40 - через ключи 41-44. Продолжительность разряда коммутирующих конденсаторов, например, 31,35 определяет время приложения обратного напряжения к выключенному ключевому элементу 3. Одновременно при этом происходит заряд коммутирующих конденсаторов 32, 36. Ток заряда конденсатора 36, протекая через первичную обмотку 17 тр-ра 19, создает на ней напряжение, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию в источник. 4 ил., 1 табл. ш (Л со to « о 00

v W

JV

iff ijr

2JT

ФигЗ

Wc

3d

ФигЛ