Инвертор Советский патент 1981 года по МПК H02M7/515 

(54) ИНВЕРТОР

I

Устройство относится к преобразовательной технике, предназначено для преобразования постоянного напряжения в переменное и может быть использовано для питания мощных нагрузок.

Известны схемы мощных инверторов. Такие схемы подразделяются на полумостовые, мостовые, одиофазные, трехфазные с одноступенчатой коммутацией, с двухступенчатой коммутацией и др. |1 и 2.

Известно, что при работе инверторов в дросселе и конденсаторе накапливается избыточиая энергия. В большинстве разноцидиостей инверторов накопление возникает при работе устройства на нагрузку, а в некоторых инверторах накоплеиие имеет место также и в режиме холостого хода (в инверторах, у которых перезарядка коммутируют -, го конденсатора происходит через источник питания) (3).

Избыточная энергия возрастает от такта к такту работы устройства, при этом накопление увеличивается с ростом частоты так-, тов и тока нагрузки.

Накопление избыточной энергии проявляется в увеличении напряжения на конденсаторе и связанных с ним элементах. Это приводит к перенапряжениям, выходу из строя элементов н понижению КПД.

Эти недостатки отчасти ослабляются в инверторах с цепями сброса нзбыточной энергии.

Жесткое ограничение накопления может быть осуществлено с помощью простейшей цепи сброса-диода, который фиксирует напряжение на конденсаторе на уровне напряжения источника питания. Менее жесткое 0 ограничение получается при введении последовательно с диодами резистора |4.

Однако в этих случаях КПД низкий, так как избыточиая энергия pacceивaetcя иа диодах и резисторах в виде тепла.

Более эффективное ограничение иакопИ ления и повышение КПД обеспечивается в случае применения трансформаторного сбро са, когда избыточная энергия возвращается в источник питаиия. Реализация этого вида сброса может быть выполиена несколькими методами.

20

Например, ес-ин нагрузка подключается к инвертору с помощью силового трансформатора, то трансформаторный (автотрансформаторный) сброс получается при подсоединении веитилей (диодов) к части его первичной обмотки 3. Если силовой трансформатор отсутствует, то сброс может быть осуществлен за счет дополнительной обмотки в дросселе |5|. Совмещение цепей сброса и цепей, выполняющих другие функции, в одном элементе вызывает существенное усложнение этого элемента и, кроме того, не всегда можно удовлетворить противоречивым требованиям по электрическим параметрам к цепям. Наиболее близким к предлагаемому является инвертор, содержащий силовые тиристоры, конденсатор (конденсаторы) и дроссель. Цепь сброса выполнена с применениём трансформатора, первичная обмотка которого подсоединена через вентиль к дросселю, а вторичная обмотка через двухполупериодный выпрямитель - к источнику напряжения (6. Известное устройство имеет повыщениое значение напряжения на конденсаторе и относительно низкий КПД. Цель изобретения - ограничение перенапряжений и повышение КПД. Указанная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем подключенную ко входным выводам преобразовательную ячейку на тиристорах с последовательным коммутирующим LC-контуром, соединенным с первичной обмоткой трансформатора сброса, подключенной ко входным выводам через обратные вентили, причем вторичная обмотка указанного трансформатора соединена со входными Выводами через выпрямитель, первичная обмотка трансформатора сброса включена между дросселем и конденсатором последовательного LC-контура. На фиг. 1-4 изображены варианты схем устройства. Схемы содержат силовые тиристоры I и 2, коммутирующий ЬС контур, состоящий из конденсатора 3 и дросселя 4, нагрузку 5, трансформатор 6 сброса, с первичной 7 и вторичной 8 обмотками, причем первична обмотка 7 присоединена через обратные вентили 9 и 10 и тиристоры 1 и 2 к дросселю, а вторичная обмотка 8 через выпрямитель (вентили 11 -14) - к источнику питания. Первичная обмотка 7 включена между конденсатором 3 и дросселем 4 и последовательно с ними. Некоторые разновидности инверторов содержат также и другие -элементы. Для индивидуальной коммутации силовых тиристоров служат дополнительные тиристоры 15 и 16 (фиг. 3 и 4), а с целью уменьшения обратных напряжений параллельно силовым тиристорам подсоединеиы обратные диоды 17 и 18. Вместо одного коиденсатора 3 и тогда применяют равноценную схему с двумя конденсаторами, как это показано штриховой линией на фиг. 1-3. За исключением процесса сброса избыточной энергии устройство работает аналогично известным. Рассмотрим работу инвертора на примере варианта по схеме на фиг. 1. Допустим, вначале открыт тиристор 1. Напряжение источника питания -f ЕП прикладывается к нагрузке 5 через дроссель 4. Конденсатор 3 заряжен в предыдущем такте до напряжения -t-EpC полярностью, показанной на фиг. 1 без скобок. В следующий такт импульс управлеиия открывает тиристор 2. При этом напряжение конденсатора 3 через обмотку 7 трансформатора прикладывается к нижней полуобмотке дросселя 4. В силу электромагнитной связи между полуобмотками на .верх-, ней полуобмотке возникает напряжение, равное ЕП, которое, складываясь с напряжением на конденсаторе 3, запирает тиристор 1. Нагрузка через тиристор 2 подключается к отрицательному выводу источника питания. Конденсатор 3 разряжается по цепи 3-7-4 -2 (-ЕП)-3. Ток разрядки имеет колебательиый характер (колебательный контур образован элементами 3 и 4). Поэтому конденсатор, разрядившись до нуля, перезаряжается до иапряжения ЕП с противоположной полярностью (на фиг. 1 показана в скобках) и далее стремится перезарядиться до более высокого напряжения. Последнее вызвано тем, что в контуре с конденсатором уже имелась энергия дросселя, запасенная при протекании через него тока нагрузки, и, кроме того, при перезарядке конденсатора через источник питания Е в контуре накопилась дополнительная энергия. Дальнейшему росту напряжения на конденсаторе 3 начинает препятствовать вентиль 10, открывающийся при .достижении УС -ЕП. В этот момент образуется контур сброса 4-Ч-10-б-4, в котором дроссель 4 подключен через вентили 2 и 10 параллельно первичной обмотке. 7 трансформатора 6. Поскольку вторичная обмотка трансформатора подсоединена через выпрямитель к источнику питания, то вся избыточная энергия возвращается b этот источиик. В следующем такте процессы в схеме протекают аналогично. Частота тактов задается управляющими импульсами, поступающими поочередно на тиристоры I и 2. El схеме первичная обмотка 7 трансформатора включена последовательна в цепь разрядки и зарядки (перезарядки) конден-. сатора 3, т.е. в цепь переменного тока. Поэтому вторичная обмотка 8 подсоединена к двухполупериодному выпрямителю 11 -14. При рассмотрении взаимодействия элементов в схеме можно видеть, что в течение сброса открыты одновременно вентили 9 и 13 (или 11) либо вентили 10 и 14 (или 12). Отсюда следует, что функции этих пар вентилей можио совместить. На фиг. 2 показан такой вариант: вместо вентилей 9 и 13

установлен вентиль 9, а вместо вентилей 10 и 14 - вентиль 10. Схема инвертора в этом случае более проста. В схеме (фиг. 2) у обмоток 7 и 8 имеется общая точка, поэтому вместо трансформатора возможно применение автотрансформатора, что, как известно, позволяет уменьшить габариты и массу этого элемента.

На фиг. 3 показан еще один вариант схемы инвертора. В схеме дроссель выполнен однообмоторным и вынесен из цепи силовых тиристоров и нагрузки (в отличие от схем на фиг. 1 и 2).

За исключением процесса сброса (возврата) избыточной энергии схема этого ват рианта работает аналогично известным. Первый управляющий импульс открывает тиристор I. Напряжение источника питания -fEn прикладывается к нагрузке 5. Второй управляющий импульс открывает тиристор 15 и с помощью предварительно заряжённого в предыдущем такте конденсатора 3 (полярность показана без скобок) запирает тиристор 1. Напряженне на .конденсаторе перёполюсовывается (полярность в скобках), но вследствие потерь не достигает первоначального значения, равного 2Е|. В момент открывания тиристора 2 третьим управляющнм импульсом к нагрузке прикладывается напряжение , а конденсатор 3 восполняет недостаток энергии по цепи 3-7-4- 2- (-ЕП)-( + ЕП)-3. При этом конденсатор 3 стремится зарядиться до более высокого напряжения, чем в предыдущем такте. Но при достижении напряжения на конденсаторе

Uc 2En открывается вентиль 10. Напряженне Uc фиксируется на этом уровне, а избыточная энергия возвращается в источник питания с помощью цепи сброса. Цепь сброса образуют элементы 4-6-10-2-4.

Четвертый управляющий импульс отпирает тиристор 16, напряжение конденсатора прикладывается к тиристору 2 и запирает его. Напряжение на конденсаторе переполюсовывается (полярность показана без скобок). С приходом следующего отпирающего импульса на тиристор 1 процессы в слеме повторяются..I

В случае индуктивной нагрузки поступление энергии в конденсатор становится еще больщим, напряжение на конденсаторе может достигать высоких значений. Однако включение первичной обмотки трансформатора указанным образом исключает увеличенне напряжения, а тем самым и перенапряжений на элементах устройства.

По аналогии со схемой на фиг. 2 схема на фиг. 3 может быть упрощена. В схеме на фиг. 4 функции вентилей 9 и 13 (фиг. 3) выполняет вентиль 9, а функции вентилей 10 и 14 - вентиль 10. Так как обмотки 7 и 8 трансформатора имеют общую точку, то вместо трансформатора возможно применение автотрансформатора.

Возможные варианты устройства не ис- черпываются рассмотренными схемами. Фиг. i и 2 иллюстрируют практические при меры выполнения инвертора по однофазной полумостовой схеме с одноступенчатой коммутацией, а фиг. 3 и 4 - по однофазной полумостовой схеме с двухступенчатой коммутацией. Данное устройство может быть выполнено также по мостовым н многофазным (в частности, трехфазным) схемам.

Во всех вариантах устройства включение первичной обмотки трансформатора сброса между и последовательно с конденсатором н дросселем по току коммутации предопределяет жесткое ограничение напряжения на конденсаторе и элементах на минимально допустимом уровне при повышенном КПД.

Ограничение напряження в схемах осуществляется фиксацией возрастающего напряжения на конденсаторе вентилями. В момент открывания вентилей ток дросселя переходит из конденсатора н замыкается в контуре (цепи) сброса; Контур образуется на момент сброса избыточной энергии и представляет собой параллельное соединение дросселя н трансформатора (через вентили).

Поскольку вторичная обмотка через двухполупернодный выпрямитель подсоединена к источнику питания, то в последний возвращается вся избыточная энергия н используется в последующей работе.

В данном устройстве уровень ограничения напряжения на конденсаторе не зависит от коэффициента трансформации Кгр трансформатора, поэтому Кто может быть выбран таким, чтобы обеспечить наиболее высокий КПД процесса сброса избыточной энергни.

В предлагаемом устройстве по сравнению с известными устройствами уровень перенапряжений снижается на 20-60% (в зависимости от тока нагрузки), а КПД составля-. ет 70-80%.

Формула изобретения

40

Инвертор, содержащий подключенную ко входным выводам преобразовательную ячейку на тиристорах с Последовательным коммутирующим LC-контуром, соединенным с первичной обмоткой трансформатора сброса, подключенной ко входным выводам через обратные вентили, причем вторичная обмотка указанного трансформатора соединена со входными выводами через выпрямитель, отличающийся тем, что, с целью ограничения перенапряжений и повышения КПД, первичная обмотка трансформато|5а сброса включена между дросселем и конденсатором последовательного LC-контура.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1. Справочник по преобразовательной технике. Под ред. И. М. Чиженко. Киев, «Техника, 1978.

(риг, i

6.Заявка ФРГ № 1513736, кл. Н 02 М 7/505, 1975.