Последовательный инвертор Советский патент 1981 года по МПК H02M7/515 

(54). ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР

I

Изобретение относится к преобразовательной технике с применением полупроводниковых вентилей и предназначено для необратимого преобразования энергии постоянного тока на входе в энергию переменного тэка высокой частоты на выходе. Устройство может найти применение для питания током высокой частоты однофазной переменной нагрузки, например, индукционной нагревательной .установки или магнитострикционных преобразователей.

Известны схемы последовательных инверторов, содержащие два или .более тиристорых моста с компенсирующим конденсатором и дросселем и диагоналях переменного тока, подключенные через дроссели фильтра к источнику питания, причем в вентильных мостах параллельно тиристорам подключены обратные диоды Cl Ц-С5}.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является

последовательный инвертор, содержащий два вентильных инвертируюпщх моста с коммутирующим конденсатором и дросселями. Тиристоры мостов зашуятированы встречно-параллельными вентилями. Аноды тиристоров каждого моста связаны через дроссели с выводом фильтрового конденсатора и с положительным зажимом источника питания, а катоды тиристоров мостов

10 соединены с крайними выводами двух последовательно соединенных компенсирующих конденсатора, общая точка которых соединена с противоположным выводом фильтрового конденсатора. Инtsвертор, содержит также активно-индуктивную нагрузку (индуктор), подключенную к выходным зажимам (к крайним выводам компенсирующих конденсаторов). Нагрузка (индуктор) связана

20 через фильтровой дроссель с отрицательным зажимом источника питания 51

Недостатком известных схем является ограниченньш диапазон выход3ной частоты и напряжения параллельных вентилей. Цель изобретения - увеличение частоты и выходного напряжения инвер тора. . Для достижения поставленной цели инвертор снабжен двумя дополнительными идентичными тиристорными мостами, двумя дополнительными компенсирующими и 4«льтровыми конденсатора ми, и дросселями, и также двумя нелинейнь1ми дросселями и дополнительнымивентилями, причем анодные группы тиристоров дополнительных мостов сое динены с выводами соответствуншшх до полнительных фильтровых кондетгсаторов и черея дополнительные фильтровые дроссели подключены к положитель ному входному выводу, а противополож ные вьгаоды дополнительных фильтровых конденсаторов соединены с катодами тиристоров основных мостов и через д полнительные компенсирующие конденса торы - с катодами тиристоров соответ ствукшщх дополнительных мостов, обра зуя выходные выводы инвертора,, связанные через цепи из упомянутых нели нейного дросселя и вентиля с .выводами фильтрового конденсатора и через дроссели фильтра г- с п.оложительнь1м входным выводом, а крайние и промежу точные выводы компенсирующих конденс торов через фильтровые дроссели соединены с отри1д;ательным входным выводом, при этом вторичные обмотки дополнительных коммутирующих дросселей в двух парах основных и дополнительных тиристорных мостов соединены в две последовательные цепи и через вентили подключены к выходным выводам. На фиг. I приведена схема последо вательного инвертора; нафиг. 2 то же, вариант. Схема включает тиристорные инверт рующие мосты 1-4, тиристоры 5-20, коммутирующие конденсаторы 21-24, коммутирующие дроссели (первичные обмотки) 25-40, вторичные обмотки 41-56 коммутирующих дросселей, фильт ровые конденсаторы 57-59, компенсирующие конденсаторы 60-63, вентили 64-69, нелинейные дроссели 70 и 71 активно-индуктивную нагрузку (индуктор) 72, фильтровые дроссели 73-80. Инвертор состоит из четырех тирис торных инвертирующих мостов 1-4, выполненных на тиристорах 3-20, содержащих коммутирующие конденсаторы 2. . 4 (21-24 в диагоналях переменного тока. В мостах последовательно с тнристорами включены коммутирующие дроссели 25-40, имеющие вторнчные обмотки 4156. Аноды тиристоров 9 и 10, 13 и 14 мостов 2 и 3 соединены с выводом фильтрового конденсатора 58 и через дроссель 74 с положительным зажимом источника питания. Катоды тиристоров 11 и 12 моста 2 и катоды тиристоров I5 и 16 моста 3 соединень с выводами последовательно соединенных компенсирующих конденсаторов 61 и 62, общая точка которых соединена с противоположным выводом конденсатора 58. Аноды тиристоров 5 и 6 моста I, 17 и 18 моста 4 соединены соответственно с выводами дополнительных фильтровых конденсаторов 57 и 59, и через фильтровые дроссели 73 и 75 с положительным выводом источника питания. ПротивоположНь1е выводы конденсаторов 57 и 59 связаны соответственно с катодаьш тиристоров П и 12 моста 2, 15 и 16 моста 3, и через соответствующие дополнительные компенсирзпшще конденсаторы 60 и 63 соединены с катодами тиристоров 7 и 8 моста 1, 19 и 20 моста 4, образуя выходные выводы инвертора, к которым подключены активно-индуктивная нагрузка 72. Выходные выводы через цепи соответственно из вентиля 64 и нелинейногЬ дросселя 70, из вентиля 69 и нелинейного дросселя 71 соединены с выводом конденсатора 58,и через дроссель 74 с положительным выводом источника питания. Все вьюоды компенснруюпщх кон.Денсаторов 60-63 через фильтровые дроссели 76-80 соединены с отрицательным источником питания. Вторичные обмотки 41-56 индуктивно связаны с соответствующими коммутирующими дросселями 25-40. В мостах 1 и 2 вторичные обмотки включены накрест, соединены последовательно, образуя цепи 41-44-45-48 и 42-43-Л6-47, которые через вентили 65 и 66 подключены к выходному выводу мостов 3 и 4. В мостах 3 и 4 вторичные обмотки также включены накрест и соединены последовательно, образуя две цепи 53-56-49-52 и 54-55-50751, которые через вентили 67 и 68 подключены к выходному, выводу мостов 1 и 2. Другие концы всех цепей вторичных обмоток подключены к выводу фильтрового конденсаора 58, связанного через дрос. , 5 сель 74 с положительным выводом исто ника питания. Элементы 2,3,9 - 16,22,23,58,61, 62,72,74, а также коммутирующие дрос сели имеются в известном последовательном инверторе. Предлагаемый инвертор работает следующим образом. Фильтровые конденсаторы заряжаются от источника питания через фильтровые дроссели 73-80. Тиристоры мостов 1 и 2 и мостов 3 и 4 включа.ются группами поочередно, при этом в контурах инвертора и через нагрузку протекают импульсы высокочастоткого тока. Так, при включении, напри мер, тиристоров 5,8,9 и 12 импульсы высокочастотного тока протекают по цепям 57-5-25-21-28-8-60-57 и 58-9-29-22-32-12-61-58.При этом на компен сирующих конденсаторах. 60 и 61 появляется напряжение, и в колебательном контуре протекает ток по цепи 60-72-63-62-61-60.Режим тока в контуре инвертора колебательный. Через нагрузку 72 импульс тока протекает слева направо. После окончания импульса тока включаются очередные тиристоры 13,16,17 и 20 противофазных мостов. При этом импульсы тока проте кают по цепям 58-13-33-23-36-16-6238 и 59-17-37-24-40-20-63-59. Колебательный нагрузочный контур вновь п лучает подпитку импульсом тока мосто через компенсирующие конденсаторы 63 и 62. При этом ток Б контуре нагр зки протекает по цепи 63-72-60-61-62 63. Через нагрузку 72 импульс тока протекает справа налево, т.е. в противоположную сторону. Затем включаются очередные тирйс.торы 6,7,10 и 11 мостов I и 2, и токи в контурах протекают по цепям 37-6-26-21-27-760-57 и 58-10-30-22-31-31-11-61-38. При этом в контуре нагрузки ток протекает по цепи 63-72-60-61-62-63. Через нагрузку 72 ток протекает спра ва налево, т.е. снова в обратную сто рону. Затем включаются очередные ти ристоры 3,8,9 и 12 мостов 1 и 2, и процессе повторяется аналогично опи санному выше. Таким образом, при поо чередном включении тиристоров мостов 1 и 2 или 3 и 4 через контур нагрузки протекают импульсы высокочастотно го тока мостов, а в контуре нагрузки протекает переменный высокочастотный ток. Описанные выше процессы про текают в инверторе при номинальной 726 нагрузке (при номинальном сопротивлении нагрузки). При снижении сопротивления нагруз ки ниже номинальной величины в вентильных инвертирующих мостах возникают опасные перенапряжения. Ограничение возможных перенапряжений дос- тигается с помощью цепей с вторичны ми обмотками для возврата избыточной реактивной энергии из коммутирующих дросселей в источнике питания, на фильтровой конденсатор 58. Как только суммарное напряжение на вторичных обмотках, например 41, 44, 43 и 48 превысит величину напряжения на конденсаторе 58, сразу включается вен-тиль этой цепи (в данном случае вентиль 66), и через него потечет импульс тока по элементам 41-58-62-63-66 48-45-44-41. Через компенсирующие конденсаторы 62 и 63 этот импульс тока совпадает по направлению с основным током через конденсаторы 60 и 61от мостов 1 и 2, выделяя в контуре нагрузки дополнительную полезную мощность, что ув-еличивает КПД инвертора. Благодаря ограничению напряжения на коммутирующих дросселях (на первичной и вторичной обмотках) в вентильных мостах нет перенапряжений. Инвертор может устойчиво работать при коротком замыкании нагрузки. В зависимости от очередности работы групп тиристоров в инверторе поочередно работают 4 группы цепей обратного тока. При этом поочередно пропускают ток вентили 66-68-65-67-66 и т.д. Дополнительная полезная мощность поочередно вьщеляется то в конденсаторах 62 и 63, то в конденсаторах 60 и 61, в зависимости от работающих мостов. Чтобы исключить резкое снижение времени для восстановления управляемости тиристоров и предотвратить срыв процесса инвертирования при возрастании сопротивления нагрузки сверх номинальной величины, в инверторе имеются цепи для ограниче- . ния амплитуды выходного напряжения на рекомендуемом уровне, что составляет в расчете на один компенсирующий конденсатор (выходное напряжение в цепи одного контура тока) величину примерно 0,6-0,7 от напряжения источника питания. Как только суммарное амплитудное напряжение на конденсаторах 60 и 61, или «а конденсаторах 62и 63 достигает величины напряже78861

ния на фильтровом конденсаторе 58, включаются соответственно вентили 64 или 69 цепей ограничения выходного напряжения.

Ток ограничения выходного напряже- j ния, в зависимости от работающих вентильных мостов I и 2 или 3 и 4, протекает по цепям 60-64-70-58-61-60 или 63-69-71-58-62-63. Нелинейные . дроссели 70 и 71 в цепях необходимы ю для увеличения уровйя ограничения амплитуды выходного напряжения до 0,6-0,7 от напряжения источника питания. Без таких дросселей уровень ограничения напряжения равен 0,5 о (на один контур тока).

Таким образом, в предлагаемом инверторе достигается увеличение выходного напряжения в два раза по сравнению с известной схемой, которое jg определяется суммой напряжения на четырех последовательно соединенных компенсирзпощих конденсаторах 60-63 (в известной схеме лишь на двух

конденсаторах). В инверторе улуч- и шены условия для восстановления управляемости тиристоров, что позволяет использовать его на более высокой частоте. Инвертор может питать

переменную нагрузку сопротивление которой может меняться от нуля (ко1) замыкание) до бесконечности.

Предлагаемый последовательный инв ертор без изменения сущности изобретения может иметь другое исполнение. Схема такого инвертора приведена на фиг. 2. В ней-вместо трех примерно Четьфе фильтровых конденсатора, средняя фильтровая емкость выполнена разеленной на две части.

Улучшенные технические характерис тики расширяют область применения ИИЕвертора. Благодаря увеличенному выходному напряжению отпадает необходимость применять специальныеповьш1аюие выходные трансформаторы, что снижает капитальные затраты при использовании преобразователя. Например, выпускаемые промьшшениостью ин,-г, укторы становится возможным непосредственно подключать к выходным клем- 5в ам инвертора. Благодаря применению цепей для ограничения выходного напряжения на оптимальном уровне сохраняется работоспособность инвертора при перегрузках, что позволяет уве- 5 ичйть среднюю за цикл нагрева мощность инвертора и повысить произвоительность установки. Повьш1ение про

728

зводительности, возможности снижения капитальных затрат при .введении в эксплуатацию, а также упрощение эксплуатации создают экономический эффект.

Формула изобретения

Последовательный инвертор, состоящий из двух тиристорш 1Х мостов с Коммутирующим конденсатором и дросселем в диагоналях переменного тока, анодные группы которых подключеш 1 к одному из выводов конденсатора фильтра и источника питания, а катодные группы - к крайним выводам двух последовательно соединенных компенсирующих конденсаторов, общая точка которых соединена с противоположным выводом конденсатора фильтра, причем последовательно с каждым из тиристоров в мостах включены первичные обмотки дополнительных коммутирующих дросселей, причем вторичные обмотки дросселей, включенных в синфазные плечи мосТов соединены попарно последовательно и подключены через вентили к одному из выводов конденсаторов фильтра, связанного с положительным входным выводом, отличающийс я тем, что, с целью повышения выходного напряжения и частоты, он снабжен двумя дополнительными иден тичнымн тиристорными мостами , двумя дополнительными компёнсируюпщми и 4вшьтровыми конденсаторами, и дросселяют, а также двумя нелинейными дросселями и дополнительными вентилями, причем анодные группы тиристоров дополнительных мостов соединены с выводами соответствующих дополнительных фильтровых конденсаторов и через.дополнительные фильтровые дроссели подключены к положительному входному выводу, а противоположные выводы дополнительных фильтровых конденсаторов соединены с катодами тиристоров основных мостов и через дополнительные компенсирующие конденсаторы - с катодами тиристоров соответствукщих дополнительных мостов, образуя выходные, выводы, связанные через цепи из упомянутых нелинейного дросселя и вентиля с. выводами фильтрового конденсатора и через дроссель фильтра - с положительным входным выводом, а крайние и промежуточные выводы компенсирующих кон9 886 денсаторов через фильтровые дроссели соединены с отрицательным входным выводом, при этом упомянутые вторичш71е обмотки в двух парах основных- и. до-. полнительных тиристорпых мостов сое- 5 динены в две последовательные цепи и через вентили.подключены к выходным выводам,. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе to 1.Авторское свидетельство СССР № 535695, кл. Н 02 М 7/515, 31.08.73. 17 i 10 2.Авторское свидетельство СССР 613466, кл. Н 02 М 7/51..07.08,72. 3.Авторское свидетельство СССР по заявке № 2764820, кл. Н 02 М 7/515, 1979. 4.Авторское свидетельство СССР по заявка № 2730532 кл. Н 02 М 7/515, 1979. 5.Авторское свидетельство СССР № 425283, кл. Н 02 М 7/515, 27.12.71