Автономный последовательный инвертор Советский патент 1980 года по МПК H02M7/515 

(54) АВТОНОМНЫЙ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ

1

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для индукционного нагрева металлов, а также в ультразвуковой технологии.

Известны последовательные инверторы, в которых сброс избыточной рективной энергии, запасенной в коммутирующем контуре, осуществляется, с коммутирующих дросселей на дополнительный конденсатор 1.

В таких схемах достигается ограничение напряжения на элементах инвертора при малых эквивалентных сопротивлениях нагрузки. Однако для достаточно эффективного ограничения указанных .напряжений необходимо всю коммутирующую индуктивность выносить из моста инвертора и охватывать контуром рекуперации. При этом к прямым вентилям инвертора на интервале времени работы противофазных вентилей прикладывается полное напряжение коммутирующего конденсатора, поэтому напряжение на прямых вентилях инвертора оказывается все же высоким.

Наиболее близким является инвертор, который содержит вентильный мост, в диагональ которого включен коммутирующий конденсатор, две цепочки, состоящие из после

довательно соединенных через половины противофазных коммутирующих дросселей, общий вывод которых служит для подключения нагрузки, двух фильтровых конденсаторов, причем первая цепочка включена между анодами вентилей моста, подключенными через фильтровые дроссели к положительному входному зажиму, а вторая - между катодами вентилей моста, подключенными через фильтровые дроссели, к отрицательному входному зажиму, а к отпайкам 10 фильтровых дросселей подключен вспомогательный конденсатор, обкладки которого подсоединены через встречные вентили к обкладкам фильтровых конденсаторов соединенным с коммутирующими дросселями 2.

15

Эта схема позволяет снизить напряжения на вентилях, поскольку к ним прикладывается геометрическая сумма напряжений на коммутирующем конденсаторе, коммутирующем дросселе, нагрузке и источни20ке питания в момент работы противофазных вентилей.

Такие инверторы целесообразно использовать в ультразвуковом диапазоне частот. J В П Г I ИНВЕРТОР ; Qit--.. V, .,(.,,,,..д

псзскбльку к прямым вентилям прикладывается значительно обратное напряжение на увеличенном интервале времени , предоставляемом для их восстановления управляемости. Однако Нагрузкой в ультразвуковой технологии обычно являются магнитострикцйонные или пьезокерамические преобразователи. В первом случае обмотка магиитостриктора хотя и компенсируется параллельной емкостью, но нагрузочный контур оказывается низкодобротным и нелинейным, а во втором случае (гагрузка носит характер, близкий к активному. В связи с этим и в первом и во втором случаях предъявляются, повышенные требования к уровню гармонических составляющих в форме выходного Tovia. Поскольку в рассматрива емых инверторах осуществляется односторонняя подпитка высокочастотным током моста инвертора (снизу вверх), в выходном токе имеются как четные, так н нечетные тармоничёские составляющие, уровень которых достигает 40%.

Недостатком рассматриваемой схемы является и то, что амплитуда напряжения на нагрузке ограничивается на уровне, равном напряжению питания и выше, в зависимостиот величины емкости вспомогательного конденсатора. Этого оказывается недостаточно для того, чтобы сохранить интервал времени, предоставляемый для восстановления управляемости прямых вентилей в широком диапазоне изменения активного и реактивного сопротивлений нагрузки.

Цель изобретения - снижение уровня гар-монических составляющих выходного тока и повышение надежности.

Для достижения поставленной цели инвертор, содержащий преобразовательную ячейку, состояш.ую из тиристорного моста с коммутируюшим конденсатором в диагонали переменного тока и двух последовательных цепочек, состоящих каждая из двух фильтровых конденсаторов, соединенных через полуобмотки противофазных коммутируюнаих дросселей, и включенных первая между анодами, а вторая - между катодами тиристоров моста, подключенных к крайним выводам полуобмоток фильтровых дросселей, соединенным через диоды, включенные в обратном направлении, с отпайками соответствующих полуобмоток коммутирующих дросселей, общие точки кбторых соединены с одним из выходных выводов, причем средние выводы фильтровых дросселей ячейки через ограничивающие дроссели и вспомогательный конденсатор связаны с вход ными выводами, а вспомогательный конденсатор через встречные диоды связан с точками соединения фильтровых конденсаторов Гб15ШЗтйруюЩИ1Йй Яросселями соответствующих последовательных цепочек ячейки и через два обратных диода по крайней мере е одни и из выходных выводов, снабжен второй идентичной преобразовательной ячейКОЙ, обн1ая точка полуобмоток коммутирующих дросселей первой последовательной цепочки которой соединены с общей точкой коммутирующих полуобмоток второй цепочки первой ячейки, общая точка коммутирующих полуобмоток первой цепочки первой ячейки соединена с общей точкой полуобмоток второй цепочки второй ячейки, а вспомогательный конденсатор соединен со средними выводами фильтровых дросселей второй ячейки и через дополнительные встречные диоды - с точками соединения конденсаторов с дросселями ее цепочек.

Кроме того, инвертор снабжен третьим обратным диодом и дополнительным конденсатором, одна обкладка которого подключена к одному выходному выводу, а вторая через одил обратный диод - к положительной обкладке вспомогательного конденсатора, через второй обратный диод - к другому выходному выводу, соединенному через третий обратный диод с отрицательной обкладкой вспомогательного конденсатора. Инвертор снабжен третьим и четвертым обратными диодами иидвумя дополнительными последовательными цепочками, подключенными параллельно вспомогательному конденсатору и состоящими каждая из

двух дросселей и двух конденсаторов, общие точки которых подключены к одному из выходных выводов, связанному через два обратных диода с точками соединения дросселей с конденсаторами соответствующей дополнительной цепочки.

Схемы инвертора представлены на фиг. 1 и 2.

Инвертор (фиг. 1) содержит два тиристорных моста, собранных на тиристорах 1-8 в диагонали которых включены коммутирующие конденсаторы 9, 10, коммутирующие дроссели 11 -14, фильтровые дроссели 15, фильтровые конденсаторы 16-23, встречные диоды 24-31, обратные диоды 32-34, ограничивающий дроссель 35, вспомогательный конденсатор 36, нагрузка 37, диоды

38-45, дополнительный конденсатор 46.

Инвертор работает следующим образом. Впервом такте открываются тиристоры 1, 2 и импульс тока, близкий к синусоидальному, протекает по контуру: 1-9-2 г

5 11-37-11 х 1-Во второй половине полупериода выходного тока, когда напряжение на коммутирующем дросселе 11 меняет знак и превышает напряжение питания, до которого заряжен конденсатор 36, открываются тиристоры 25, 30 и протекает

ток сброса избыточной реактивной энергии, запасенной в указанном дросселе по контуру: 11-25-36-30-11-37-11, т. е. по нагрузке в ту же сторону (снизу вверх), что и ток моста инвертора. Во втором такте открываются тиристоры 5, 6 второго моста, и ток протекает, по контуру 5-10-6 2f

13-37-13 С,5 5. Во второй половине полупериода тока, когда напряжение на коммутирующем дросселе 13 меняет знак и превосходит напряжение на. конденсаторе 36, открываются диоды 24, 31 и протекает ток сброса избыточной энергии, запасенной в указанном дросселе по контуру: 36-31 - 13-37-13, т. е. по нагрузке в ту же сторону, что- и ток второго моста, но теперь уже сверху вниз. За два такта работы инвертора формируется полный период выходного тока. В последующих тактах инвертор работает аналогично описанному. При этом в III такте открываются тиристоры 3, 4 ток протекает сначала по контуру: 3-9-4 г -12-37-12 X ,0 -3, а затем по контуру 12-26-36-29- 12-37-12. В четвертом такте открываются тиристоры 7, 8, и ток протекает вначале по контуру: 7-10-8 Сго -14-37-14 д -7, а затем по контуру: 14-27-36-28- 14-37-14. С ростом эквивалентного сопротивления нагрузки на ней возрастает напряжение, при этом возрастает напряжение и на конденсаторе 46, который подзаряжается до уровня, равного амплитуде выходного напряжения. С момента, когда амплитуда напряжения на нагрузке достигает, равного половине напряжения питания, к диодам 32, 34 будет приложено положительное напряжение, поскольку сумма напряжений на конденсаторе 46 и нагрузке 37 превосходит напряжение на конденсаторе 36, заряженном до напряжения питания. С .момента отпирания диодов 32, 34 протекает ток сброса избыточной реактивной энергии, запасенной в нагрузке, по контуру: 37-46-32- 36-34-37 и образуются дополнительные пути тока мостов инвертора помимо нагрузки, например, в первом такте ток вначале протекает по контуру: 17-1-9-2-22-11 37-11 -17, а затем, когда откроются диоды 32, 34 по контуру: 17-1-9-2-22-11 - -06-32-36-3 4-11 -17. При этом конденсатор 46 подразряжается. Во втором такте под действием напряжения на нагрузке откроется диод 33 и конденсатор 35 будет подзаряжен током сброса избыточной энергии, запасенной в нагрузке, и также образуется путь тока моста инвертора помимо нагрузки. Так например, во втором такте открываются тиристоры 5, 6 и ток вначале протекает по контуру: 1б-5 10-6-23-13-37-13-16, затем, когда откроется диод. 33, по контуру: -1б-5- -10-6-23-13-33-46-13-16. В следующих тактах процессы повторяются аналогично описанным. При этом среднее напряжение на конденсаторе 46 поддерживается равным половине напряжения питания. На фиг. 2 изображена схема инвертора, в которой сброс избыточной энергии, запасенной в нагрузке, осуществляется на конденсаторе 46-49 посредством диодов 31-34, 50, заряженные до половины питающего напряжения по контурам: 37-32-47-37; 3748-35-37 в первом полупериоде выходного напряжения и 37-33-46-37; 37-49-34 -37- - во втором полупериоде выходного напряжения. Так же как и в предыдущем случае образуются дополнительные конту-, ры через диоды 32-34, 50 для тока мостов инвертора помимо нагрузки, ято обеспечивает коммутационную устойчивость инвертора при возрастании сопротивления нагрузки.. Таким образом, схема обеспечивает симметричную подпитку нагрузки высокочастотным током мостов инвертора в каждый полупериод выходного напряжения, что снижает уровень гармонических составляющих в выходном токе, повышает КПД установки, позволяет ограничить амплитуду выходного напряжения на уровне, равном половине питающего напряжения и выше, в зависимости от величины емкости дополнительного конденсатора 46 (оптимальным является соотношение амплитуды выходного напряжения и напряжения питания в диапазоне 0,8- 0,9), что позволяет обеспечить устойчивую работу инвертора (без сокращения времени предоставляемого для восстановления управляемости прямых вентилей) в диапазоне изменения эквивалентного сопротивления нагрузки от О до «о. Кроме того, в схеме создаются наиболее благоприятные условия работы пря.мых вентилей, поскольку к ним прикладывается пониженное на 20-30% прямое и обратное напряжение по отношению к первой из рассматриваемых схем, а сброс избыточной реактивной энергии, запасенной в коммутирующих контурах, осуществляется как в первой, так и во второй половинах полупериода тока,что также повышает эффективность ограничения напряжения на элементах инвертора. Формула изобретения 1. Автономный последовательный инвертор, содержащий преобразовательную ячейку, состоящую из тиристорного моста с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока и двух последовательных цепочек, состоящих каждая из двух фильтровых конденсаторов, соединенных через полуобмотки противофазных коммутирующих дросселей, и включенных первая между анодами, а вторая - между катодами тиристоров моста, подключенных к крайним выводам полуобмоток фильтровых дросселей, соединенным через диоды, включенные в обратном направлении, с отпайками соответствующих полуобмоток коммутирующих дросселей, общие точки которых соединены с одним из выходны.х выводов, причем средние выводы фильтровых дросселей ячейки через ограничивающие дроссели и вспомогательный конденсатор связаны с входными

выводами, а вспомогательный конденсатор через встречные диоды свдзан с точками соединения фильтровых конденсаторов с коммутирующими дросселями соответствующих последовательных цепочек ячейки и через два обратных диода по крайней мере с одним из выходнщх выводов, отличающийся тем, чго, с целью снижения уровня гармонических составляющих выходного тока и повышения надежности, он снабжен второй идентичной преобразовательной ячейкой, общая точка полуобмоток коммутирующих дросселей первой последовательной цепочки которой соединены с общей точкой коммутирующих полуобмоток второй цепочки первой ячейки, общая точка коммутирующих полуобмоток первой цепочки первой ячейки соединена с общей точкой полуобмоток второй цепочки второй ячейки, а вспомогательный конденсатор соединен со средними выводами фильтровых дросселей второй ячейки и через дополнительные встречные диоды - с точками соединения конденсаторов с дросселями ее цепочек.

2. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что, он снабжен третьим обратным диодом и дополнительным конденсатором, одна обкладка которого подключена к одному выходному выводу, а вторая через один обратный диод - к положительной обкладке вспомогательного конденсатора, через второй обратный диод - к другому выходному выводу, соединенному через третий обратный диод с отрицательной обкладкой вспомогательного конденсатора.

3. Инвертор по п, 1, отличающийся тем, что он снабжен третьим и четвертым обратными диодами и двумя дополнительными

последовательныл4и цепочками, подключенными параллельно вспомогательному конденсатору и состоящими каждая из двух дросселей и двух конденсаторов, общие точки которых подключены к одному из выходных выводов, связанному через два обратных диода с точками соединения дросселей с конденсаторами соответствующей дополнительной цепочки.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1- Авторское свидетельство СССР по заявке № 2512556/07, кл. Н 02 М 7/515, 1977.

2. Авторское свидетельство СССР по заявке - 2588185/07, кл. Н 02 М 7/515, 09.03.78.