Инвертор Советский патент 1982 года по МПК H02M7/515 

(54) ИНВЕРТОР

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в устройствах энергетики и электропривода. Известны инверторы с импульсными трансформаторами, используемыми для выключения тиристоров 1. Эти инверторы имеют повышенные массу, габариты, стоимость и пониженный КПД изза наличия коммутирующих конденсаторов и дросселей, что особенно существенно при больщой мощности и высокой частоте инвертора, потери мощности в системе коммутации повышены из-за протекания через элементы коммутации токов, превышающих рабочие токи, и приложения к этим элементам значительных иапржкений в интервалах вре мени, превышающих время выключения тиристоров. Известны преобразователи постоянного напряжения в переменное (инверторы), содержащие неполностью управляемые сило$ые вентили (тиристоры) и коммутирующий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена последовательно в выходную цепь переменного тока преобразователя, и снабженные полностью управляемы;ми ключами по числу основных вентилей, трансформатор тока выполнен с вторичными обмотками по числу основных вентилей, связанными через упомянутые полностью управляемые -вентили с силовыми вентилями, а параллельно одной из обмоток подключен дополнительный двуполярный полностью управляемый вентиль 2. Эти инверторы имеют повышенные массу и габариты и пониженный КПД из-за необходимости применения полностью управляемых вентилей на протекание в импульсе всего тока нагрузки инвертора. Цель изобретения - улучшение массогабаритных показатели и повышение КПД инвертора. Поставленная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем в каждом плече основной тиристор, шунтированный обратным диодом, причем в цепь переменного тока инвертора включена первичная обмотка коммутирующего трансформатора тока, а к одним из его вторичных обмоток подключены двуполярные полностью управляемые вентили, другие вторичные обмотки упомянутого коммутирующего трансформатора тока включены последовательно с коммутирующими тиристорами, подсоединенными встречно-параллельно основным тиристорам.

В другой модификации инвертора последовательно с коммутирующими тиристорами включены диоды, шунтированные конденсаторами.

В третьей модификации инвертора последовательно с коммутирующими тиристорами включены вторичные обмотки дополнительного импульсного трансформатора, первичная обмотка которого подключена к входным выводам через полностью управляемый ключ.

В четвертой модификации инвертора последовательно с коммутирующими тиристорами включен дополнительный источник питания.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема первой модификации инвертора; на фиг. 2 и 3 графически проиллюстрирована его работа; на фиг. 4-6 представлены схемы других модификаций инвертора.

Инвертор (фиг. 1) содержит основные тиристоры 1-4, обратные диоды , коммутирующий трансформатор тока 9 с первичной обмоткой 10 и вторичными обмотками 11 -14 и трансформатор тока 15 с первичной обмоткой 16 и вторичными обмотками 17-20. Параллельно тиристору 1 включены последовательно соединенные коммутирующий тиристор 21 и вторичная обмотка 11, параллельно тиристорам 2-4 соответственно коммутирующие тиристоры 22-24 и вторичные обмотки 12, 17 и 18. Первичные обмотки 10 и 16 включены в цепь переменного тока инвертора. Параллельно вторичным обмоткам 13 и 19 трансформаторов 9 и 15 включен двуполярный ключ, состоящий из транзистора 25 и диодных мостов 26-29 и 30-33. Вторичные обмотки 14 и 20 подключены через диодные мосты 34-37 и 38-41 к источнику питающего напряжения. (При наличии выводов средних точек у обмоток 13, 14, 19 и 20 вместо мостов могут быть использованы двухполупериодные выпрямители) . На выходе инвертора может быть включен дроссель 42 (для устойчивой работы инвертора на холостом ходу) и фильтр высщих гармоник 43 (если необходима фильтрация высщих гармоник). Полярности включения обмоток трансформаторов показаны на фиг. 1, точками. К входу инвертора подключен источник питающего напряжения показанной на фиг 1 полярностью, к выходу инвертора подключена-нагрузка.

Число витков обмотки 11 (12 -, 17 или 18) меньще (примерно в 1,05-1,25 раза) числа витков обмотки 10 (16), число витков обмотки 14 (20) меньше числа витков обмотки 11.

На фиг. 2 и 3 приведены эпюры текущих значений напряжений и токов инвертора. Бых - выходное напряжение инвертора

(в точках а-б), - выходной ток инвертора (до дросселя 42 и фильтра 43, если таковые имеются). U|-1)4 и U2i -Ujs - управляющие напряжения (или токи) тиристоров 1-4, 21-24 и транзистора 25 (образуются системой управления инвертором, на фиг. 1 не показанной), in, J, i. и 13 (и) - токи через соответствующие обмотки. Токи через обмотки 11 и 12 при данном угле сдвига выходного тока инвертора

относительно выходного напряжения равны нулю. Положительные направления токов показаны на фиг. 1 стрелками. U и U)5 - формы напряжений на обмотках трансформаторов 9 и 15 соответственно (положительная полярность напряжений на обмотках 10 и 16

показана на фиг. 1).

Скважность выходного напряжения может меняться сдвигом управляющих напряжений. Выходной ток инвертора i зависимости от нагрузки инвертора и фильтра 43, если он есть, может иметь практически любую форму от почти прямоугольной до синусоидальной с произвольным сдвигом по фазе относительно выходного напряжения. Чтобы исключить резкие изменения выходного тока инвертора в интервалах коммутации

5 тиристоров, фильтр 43 должен начинаться с дросселя, а если фильтр 43 отсутствует, а нагрузка инвертора имеет активный или активно-емкостной характер, то последовательно с нагрузкой следует включить дроссель с небольшой индуктивностью.

На фиг. 3 проиллюстрировано выключение, например, тиристора 1. В левой колонке показано выключение тиристора 1 при положительном значении тока 1вых средней - при переходе тока ijyK через нуль, в

5 правой - при отрицательном значении то ьых

Выключение тиристора I осуществляется следующим образом.

Через первичные обмотки 10 и 16 трансформаторов тока 9 и 15 протекает ток нагрузки. Через вторичные обмотки 13 и 19, закороченные открытым транзистором 25, протекают противотоки, равные по ампервиткам и обратные по направлению токам

5 первичных обмоток. В интервале Т (фиг. 3) снимаются управляющие напряжения с тиристора 1 и с транзистора 25 и подается управляющее напряжение на тиристор 22. Поскольку в трансформаторе тока суммарные ампервитки вторичных обмоток равны по

0 величине и обратны по знаку ампервиткам первичной обмотки (с точностью 0,5-3 % в зависимости от исполнения трансформатора), а напряжения на его обмотках определяются внещними нагрузками, то при обрыве тока в обмотке 13 размыканием транзистора 25 в данном интервале Т протекает уравнивающий ток либо через обмотку 12 при положительном направлении тока обмотки 10 (фиг. 3, левая колонка), либо через обмотку 14 при отрицательном направлении тока через обмотку 10 (фиг. 3, правая колонка). Ток через обмотку 11 в данном интервале протекать не может, так как на тиристор 21 не подается отпирающее напряжение. При положительном значении тока через обмотку 10 уравнивающий противоток через обмотку 12 замыкается через открытые диод 5 и тиристор 22 на источник входного напряжения инвертора и напряжение на этой обмотке при любом токе через нее практически равно напряжению этого источника (плюс падение напряжения на открытых тиристорах 22 и диоде 5) - работа обмотки трансформатора тока на противо-ЭДС. Ток через обмотку 14 при этом протекать не может, так как число ее витков меньше числа витков обмотки 12 и напряжение на ней меньще напряжения на обмотке 12, т.е. меньше входного напряжения инвертора, и ток через обмотку 14 и диодный мост 34-37 может протекать только в том случае, если напряжение на ней больше входного напряжения. При отрицательном направлении тока через обмотку 10 ток через обмотку 12 и тиристор 22 в обратном направлении протекать не может, и уравнивающий противоток замыкается через обмотку 14 и диодный мост 34-37 на источник входного напряжения инвертора. При положительном направлении тока через обмотку 10 при любом значении этого тока ток обмотки 12 больше тока обмотки 10, так как ампервитки этих обмоток, равны, а число витков обмотки 12 меньше числа витков обмотки 10. Ток через левый верхний вентиль (тиристор 1 и диод 5), равный в интервале f разности токов обмоток 12 и 10, протекает через диод 5, и тиристор 1 выключается обратным напряжением, снимаемым с открытого диода 5 в этом интервале. После окончания интервала т (фиг. 3) снимается управляющее напряжение с тиристора 22 и подаются управляющие напряжения на транзистор 25 и на тиристор 2. В этот момент времени выходной ток инвертора переходит с верхнего левого вентиля (тиристор 1 и диод 5) на нижний левый вентиль (тиристор 2 и диод 6), а напряжение йа выходе моста изменяется скачком. Аналогично происходит выключение других тиристоров инвертора. В инверторе на фиг. 4 в контуры выключения тиристоров 44 и 45 включены один или несколько последовательно соединенных диодов 46 и 47, параллельно которым включен конденсатор небольшой емкости 48, а в контуры выключения тиристоров 49 и 50 включены диоды 51 и 52 и конденсатор 53. В интервале времени выключения Т конденсатор 48 (53) заряжается током выключения показанной на фиг. 4 полярностью до напряжеиия, равного прямому падению напряжения на диодах 46, 47 и 51, 52. Количество последовательно соединенных диодов выбирается таким, чтобы суммарное напряжение на диодах (на конденсаторе 48 или 53) было бы больше, чем остаточное напряжение на обмотках 54-57 трансформатора тока 58. При этом после окончания времени X , при котором через дополнительный тиристор и обмотку трансформатора тока протекает ток выключения, дополнительный тиристор выключается обратным напряжением, снимаемым с конденсатора 48 или 53. Например, после протекания тока выключения тиристора 44 по контуру выключения: обмотка 54, тиристор59, конденсатор 48 и параллельно ему диоды 46 и 47, источник напряжения, питающего инвертор, и диод 60 - тиристор 59 выключается напряжением, приложенным к нему от конденсатора 48 через диод 61 и обмотку 54, остаточное напряжение на которой меньше напряжения на конденсаторе 48. Так как конденсатор 48 перезаряжается только обратным током тиристоров 59 и 62, емкость его может быть небольшой. Аналогичным образом выключаются тиристоры 62, 63 и 64 после окончания интервалов времени выключения тиристоров 45, 49 и 50. Резисторы 65 и 66 служат для предотвращения перезаряда конденсаторов 48 и 53 до обратной полярности токами утечки выключенных тиристоров 59, 62-64. Аналогичный результат может быть достигнут включением в контуры выключения тиристоров вторичных обмоток маломощного импульсного трансформатора, первичная обмотка которого через дополнительный полностью управляемый ключ и диод подключена к источнику напряжения, питающего инвертор (фиг. 5). Инвертор по схеме на фиг. 5 содержит импульсный трансформатор 67 с первичной обмоткой 68 и вторичными обмотками 69 и 70. Первичная обмотка 68 через транзистор 71 подключена к источнику напряжения, питающего инвертор. Транзистор 71 работает в импульсном режиме и системой управления инвертором открыт в течение коротких интервалов времени, следующих сразу же после основных интервалов t , в течение которых выключаются основные тиристоры 72-75. В течение остального времени периода транзистор 71 выключен. Инвертор (фиг. 5) работает следующим образом. Когда импульс тока проходит в течение основных интервалов Т через один из коммутирующих тиристоров 76-79 и обмотку 69 или 70, то через диод 80, обмотку 68 и источник питающего напряжения проходит импульс противотока, уравнивающего ток оСмотки 69i или 70. При этом на обмотке 68 напряжение практически равно напряжению источника питающего напряжения. Полярности напряжения на обмотках 68-70 цри этом показаны на фиг. 5. Число витков обмотки 69 или 70 значительно меньше числа витков обмотки 68 и противоток через обмотку 68 и диод 80 значительно меньше тока через обмотки 81-84 трансформатора тока 85 и тиристоры 76-79 в интервалах Т.

После окончан.ия интервалов t транзистор 71 включается системой управления в течение отмеченных выше интервалов времени. В течение этих интервалов напряжения на обмотках трансформатора 67 имеют тот же знак и практически ту же величину, что и в интервалах Т , но обмотка 68 оказывается подключенной к источнику питающего напряжения не через диод 80, а через включенный транзистор 71. Напряжения на обмотках 68 и 69 в этих интервалах превышают остаточные напряжения на обмотках 81-84 трансформатора тока 85, закороченного транзистором 86. Разностью этих напряжений выключаются коммутирующие тиристоры 76- 79. Рабочий ток транзистора 71 равен сумме обратного тока выключаемого тиристора 7679, уменьшенного в коэффициент трансформации трансформатора 67, и тока холостого хода обмотки 68 этого трансформатора. После выключения транзистора 71 ток холостого хода обмотки 68 зам 1кается через диод 87 и стабилитрон 88, линейно спадая до нуля.

С точки зрения получения максимального КПД инвертора и наилучших массогабаритных показателей инвертор по схеме на фиг. 1 целесообразно применять при входных напряжениях инвертора до 24-27 В, инвертор по схеме на фиг. 5 - от 24-27 В до нескольких сотен вольт, инвертор по схеме на фиг. 4- свыше нескольких сотен вольт.

Если в системе электропитания используется дополнительный источник питающего напряжения (например, инвертор питается от аккумуляторной батареи и имеется резервная аккумуляторная батарея), то этот источник может быть использован в качестве источника, включенного в контуры выключения тиристоров. Схема такого инвертора приведена на фиг. 6. Выключение, например, тиристора 89 в этом инверторе происходит следующим образом. В интервале выключения этого тиристора ток выключения проходит по контуру выключающая обмотка 90 трансформатора тока 91, тиристор 92, дополнительный источник питающего напряжения - резервная аккумуляторная батарея 93, диод 94 и включенный параллельно ему конденсатор 95 небольшой емкости, диод 96. В течение интервала Т тиристор 89 выключается обратным напряжением диода 96. При этом конденсатор 95 заряжается до напряжения 0,9-1,5 В показанной на фиг. 6 полярностью, конденсатор 97 заряжается показанной на фиг. 6 полярностью до напряжения, равного разности напряжения резервной и работающей аккумуляторных батарей, плюс напряжение на конденсаторе 95 (еледует учесть, что напряжение ненагруженной резервной аккумуляторной батареи, подзаряжаемой током выключения тиристоров, на больше напряжения нагруженной

аккумуляторной батареи). После окончания интервала I и включения тиристора 98 или диода 99 тиристор 92 выключается по контуру: .тиристор 92, конденсатор 97, тиристор 98 или диод 99, обмотка 90. В этом контуре напряжение на конденсаторе 97 больше суммы остаточного напряжения на обмотке 90 и на диод 99. Емкось конденсатора 97 (95) невелика, так как он разря ается только обратным током выключаемого тиристора 92 и обратным током утечки тиристора 100. Вместо конденсаторов 95 и 97 могут быть включены резисторы. При этом выключение тиристора 92 производится через оба этих резистора разностью напряжений резервной и рабочей аккумуляторных батарей минус напряжение на открытом диоде 99 и остаточное напряжение на обмотке 90. Если резервная батарея 93 находится на значительном расстоянии от инвертора, то параллельно точкам ее подключения к инвертору необходимо включить конденсатор небольщой емкости.

Аналогично однофазным инверторам могут быть выполнены многофазные, в частности, трехфазные инверторы с бестрансформаторным и трансформаторным выходом, а также инверторы ступенчато-синусоидального напряжения, состоящие из ряда однофазных инверторов. Трансформатор тока и двуполярный ключ выполняются общими для всех силовых тиристоров таких инверторов.

В инверторах на большие мощности для питания, например, радиопередающих устройств вместо тиристоров могут быть использованы другие неполностью управляемые вентили, например, тиратроны или ртутные вентили, а вместо ключевых транзисторов - электровакуумные лампы.

Технико-экономическая эффективность предлагаемого изобретения заключается в уменьшении массы, габаритов, стоимости инверторов и повышении их КПД за счет уменьшения массы, габаритов, стоимости системы коммутации тиристоров, уменьшения потерь мощности.

Формула изобретения

9

подсоединенными встречно-параллельно основным тиристорам.

10

Источники информации,

принятые во внимание при экспертизе

№ 838967, кл. Н 02 М 7/515, 20.09.79 (прототип) .

Г

Г

г

Г ГП

Г

г

Г

72

15

U.

25

iJuiiUs

фиг.З