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. Первичные обмотки этих трансформаторов включены в силовые цепи тиристоров, а к вторичным обмоткам с помощью системы вентилей подключаются коммутирующие конденсаторы 1. Эти инверторы имеют повыщенные массу, габариты, стоимость и пониженный КПД из-за того, что масса, габариты, стоимость коммутирующих конденсаторов значительны и существенно возрастают с ростом мощности и частоты инвертора, потери мощности в системе коммутации повыщены из-за протекания через элементы коммутации токов, существенно превыщающих рабочие токи, и приложения к этим элементам значительных напряжений в интервалах коммутации, Эти потери возрастают с ростом частоты. Известны преобразователи постоянного напряжения в переменное (ииверторы), содержащие, неполностью управляемые силовые вентили и трансформатор тока, первичная обмотка которого включена последовательно в выходную цепь переменного тока преобразователя, и снабженные полностью управляемыми вентилями по числу силовых вентилей, трансформатор тока выполнен с вторичными обмотками по числу силовых 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 повыщенные массу и габариты и пониженный КПД из-за необходимости применения полностью управляемых вентилей на протекание в импульсе всего тока нагрузки. Цель изобретения - улучщение массогабаритных показателей и повыщение КПД инвертора. Поставленная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем в каждом плече нулевой схемы последовательно соединенные основной тиристор и первичную обмотку коммутирующего трансформатора тока с отпайкой, причем параллельно вторичной обмотке включен полностью управляемый ключ, между отпайкой первичной обмотки

упомянутого трансформатора тока и выводом источника питания, соединенным с основными тиристорами, включен дополнительный полностью управляемый ключ.

В одной из модификаций инвертора дополнительный полностью управляемый ключ выполнеи общим для обоих плеч инвертора.

Во второй модификации инвертора коммутирующий трансформатор тока выполнен на общем магнитопроводе для обоих плеч инвертора, и для каждого основного тиристора включен отдельный дополнительный полностью управляемый ключ.

В третьей модификации инвертора паралельно вторичным обмоткам трансформаоров тока включен через развязывающие иоды общий полностью управляемый ключ.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема однофазного инвартора первой модификации; на фиг. 2 и 3 - его работа; на фиг. 4 и 5 - схемы инверторов других модификаций; на фиг. б - работа инвертора по схеме на фиг. 5.

Инвертор (фиг. 1) выполнен на силовых тиристорах 1 и 2 и на обратных диодах 3 и 4. Инвертор содержит трансформатор тока 5 с первичной обмоткой, состоящей из двух частей 6 и 7, и вторичной обмоткой, состоящей из двух частей 8 и 9, и трансформатор 10 тока с первичной обмоткой, состоящей из двух частей 11 и 12, и вторичной обмоткой, состоящей из двух частей 13 и 14. Первичные обмотки трансформаторов тока включены в анодные цепи тиристоров 1 и 2. Параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока через диоды 15 и 16 включен полностью управляемый ключ-транзистор 17. Между отводами от первичных обмоток трансформаторов тока (от точек соединения частей первичных обмоток) и отрицательным полюсом источника питания инвертора включен через диоды 18 и 19 дополнительный полностью управляемый ключтранзистор 20. Части вторичных обмоток 9 и 14 трансформаторов тока через диоды 21 и 22 подключены к источнику питания инвертора. Если нежелательно соединение эмиттера транзистора 17 с положительным полюсом источника питания инвертора, то вместо частей вторичных обмоток 9 и 14 к источнику питания через диоды 21 и 22 могут быть подключены отдельные дополнительные вторичные обмотки трансформаторов тока. Полярности включения обмоток трансформаторов тока показаны на фиг. 1 точками.-На выходе инвертора включен силовой трансформатор 23 с первичными обмотками 24 и 25 и вторичной обмоткой 26. К входу инвертора подключен источник напряжения, питающего инвертор, с показанной на, фиг. 1 полярностью. К. выходу инвертора подключена нагрузка непосредственно или через фильтр высших гармоник, если

необходима фильтрация высщих гармоник выходного напряжения.

На фиг. 2 приведены, эпюры текущих значений напряжений и токов инвертора. Uj, и2., Ujy, - управляющие напряжения (или токи) тиристоров 1, 2 н транзисторов 17 и 20 соответственно (образуются системой управления инвертором, на фиг. 1 не показанной); УВЫХ - выходное напряжение инвертора, - выходной ток инвертора;

г4 б 7 j 8 s-iy 20 - токи соответственно через обмотки 24, 6, 7 и тиристор 1, диод 3, обмотки 8 и 9, транзисторы 17 и 20, Uj - напряжение на обмотках трансформатора 5, Ф5 - магнитный поток в магнитопроводе трансформатора 5, Ua, UKIT

5 и UKJO - напряжение на тиристоре 1, транзисторах 17 и 20 соответственно.

Выходной ток инвертора igbix в зависимости от нагрузки инвертора и фильтра высщих гармоник, если он есть, может иметь

практически любую форму от почти прямоугольной до синусоидальной с произвольным сдвигом по фазе относительно выходного напряжения Ugbix- Чтобы исключить резкие изменения выходного тока инвертора в интервале коммутации тиристоров, последовательно с нагрузкой следует включить дроссель небольшой индуктивности.

Инвертор работает следующим образом.

В интервале Tj (фиг. 2) положительный

ток обмотки 24 протекает от источника входQ ного напряжения через обмотки 6 н 7 и тиристор 1, отрицательный ток - через диодЗ. Положительный ток, протекая через первичные обмотки 6 и 7 трансформатора 5 тока, урарновещивается равным по ампервиткам током вторичных обмоток 8 и 9, закорочен5 ных через диод 15 транзистором 17.

В интервале Ij транзистор 17 выключен системой управления инвертором. Размыкание тока во вторичной обмотке в интервале t2 приводит к исчезновению уравнивающей составляющей тока в первичной обмотке, и

° уменьщению тока в этой обмотке до величины тока холостого хода (ток ig на фиг. 2). К первичной обмотке в интервале Т2 приложено удвоенное напряжение питания.

Размыкание вторичной обмотки трансформатора 5 само по себе не вызывает выключения тиристора 1, так как ток через него уменьщается не до нуля, а до величины тока холостого хода первичной обмотки. Включение транзистора 20 в интервале 2 приводит к тому, что этот ток протекает помимо

° тиристора 1 через обмотку 6, 18 и включенный транзистор 20, к тиристору 1 в этом интервале прикладывается отрицательное напряжение от обмотки 7 через диод 18 и вклк ченный транзистор 20.

5 В интервалах 1 ч 2 в магнитопроводе трансформатора 5 накапливается положительный поток Ф (фиг. 2) под действием приложенного к обмоткам положительного напряжения (небольшого в длительном интервале LI и значительного в коротком интервале Тз) . Этот поток линейно спадает до нуля в интервале з под действием приложенного к обмотке 9 отрицательного напряжения, равного входному напряжению инвертора. Ток холостого хода, соответствующий этому потоку, протекает в интервале TJ через обмотку 9 в обратном направлении и через диод 21 в источник входного напряжения инвертора. Выключение тиристора 2 происходит аналогично выключению тиристора 1. При этом вместо трансформатора 5 тока работает трансформатор 10 тока. Коэффициент трансформации трансформатора 5(10) (отношение суммы числа витков обмоток 8 и 9 к числу витков обмотки 6) соответствует допустимому напряжению выключенного транзистора 17 в коротком импульсе 2, деленному на удвоенное входное напряжение инвертора. В низковольтных инверторах этот коэффициент в несколько раз больше единицы. При этом. уравниваюш,ий противоток, протекающий через включенный транзистор 17, в несколько раз меньше рабочего тока тиристора 1, поэтому уменьшены потери мощности в транзисторе 17, масса и габариты его охладителя. В высоковольтных инверторах этот коэффициент меньше единицы, что создает возможность коммутировать высоковольтные тиристоры 1 и 2 низковольтным транзистором 17, при этом потери мощности в транзисторе возрастают, но в высоковольтных инверторах потери в ключах составляют незначительную часть мощности и практически не влияют на КПД инвертора. К выключенному транзистору 20 приложено удвоенное напряжение питания, поэтому в высоковольтных инверторах он представляет собой цепочку последовательно соединенных транзисторов с уравнивающими цепями. Однако через включенный транзистор 20 протекает весьма небольшой ток холостого хода и по мощности транзистор 20 существенно меньше транзистора 17. (Во избежание выбросов тока через открытый транзистор 20 управляющее напряжение в интервале Тг подается на 5-10 мкс позже снятия управляющего напряжения с транзистора 17). Если в инверторе (фиг. 1) выходной ток вых переходит через нуль в интервале Т (при cos f, близком к единице) то имеет место некоторое искажение формы выходного напряжения инвертора в этом интервале (фиг. 3), связанное с переходом тока нагрузки с одного силового диода на другой при выключенных тиристорах. Эти дополнительные коммутации при малом токе, близком к нулю, практически не вызывают дополнительных потерь мощности и не снижают КПД инвертора. В инверторе (фиг. 4) эти искажения отсутствуют при любом cos р. В этом инверторе параллельно вторичной обмотке 27 и 28 трансформатора 29 тока включен через диод 30 транзистор 31, а параллельно вторичной обмотке 32 и 33 трансформатора 34 тока включен через диод 35 транзистор 36. Управляющие напряжения, подаваемые на тиристоры и транзисторы инвертора, такие же, как и для инвертора на фиг. 1, за исключением транзисторов 31 и 36. На транзистор 31 подается то же управляющее напряжение, что и на тиристор 37, на транзистор 36 то же, что и на тиристор 38. Достоинства этого инвертора - отсутствие упомянутых искажений и более простая система управления. С целью использования вместо двух трансформаторов тока одного уменьщенных габаритов инвертор может быть выполнен по схеме на фиг. 5. Этот инвертор содержит один трансформатор 39 тока, полностью управляемый ключ - транзистор 40 и два дополнительных полностью управляемых ключа - транзисторы 41 и 42. Работа инвертора проиллюстрирована на фиг. 6. , и, , 1/41, 42 - управляющие напряжения соответственно тиристоров 43 и 44, транзисторов 40-42. Uj(j и Ojg - форма напряжений на обмотках и магнитный поток в магнитопроводе трансформатора 39, , UK4o и UK4i - напряжения соответственно на тиристоре 43 и транзисторах 40 и 41. За счет изменения потока в магнитопроводе трансформатора 39 в обе стороны от нуля размеры этого трансформатора уменьщены. Однако этот инвертор содержит два дополнительных полностью управляемых ключа вместо одного. Поэтому применение инвертора по схеме на фиг. 5 целесообразно при пониженных входных напряжениях и повышенных мощностях. Аналогичным образом могут быть выполнены однофазные мостовые, многофазные, в частности, трехфазные инверторы, а также инверторы со ступенчато - синусоидальной формой выходного напряжения, полученной путем сложения выходных напряжений отдельных однофазных инверторов. В инверсторах 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 уменьщении массы, габаритов, стоимости инверторов и повышении их КПД за счет уменьшения массы, габаритов, стоимости системы коммутации тиристоров, уменьщения потерь мощности в ней за счет уменьщения величины токов коммутации. Формула изобретения 1. Инвертор, содержащий в | аждом плече нулевой схемы последовательно, соединенные основной тиристор и первичную обмотку коммутирующего трансформатора тока с отпайкой, причем параллельно вторичной обмотке включен полностью управляемый ключ, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных и энергетических показателей, между отпайкой первичной обмотки упомянутого трансформатора тока и выводом источника питания, соединенным с основными тиристорами, включен, дополнительный полностью управляемый ключ. 2. Инвертор по п. 1, отличающийся тем, что дополнительный полностью управляемый ключ выполнен общим для обоих плеч инвертора. 3.Инвертор по п. I, отличающийся тем, что указанный коммутирующий трансформатор тока выполнен на общем магнитопроводе для обоих плеч инвертора, и для каждого основного тиристора включен отдельный дополнительный полностью управляемый ключ. 4.Инвертор по п. 2, отличающийся тем, что параллельно вторичным обмоткам трансформаторов тока включен через развязывающие диоды общий полностью управляемый ключ. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Забродин Ю. С. Узлы принудительной конденсаторной коммутации тиристоров. М., «Энергия, 1974, с. 44. рис. 1-28, ис.89, рис. 2-20. 2.Авторское свидетельство СССР № 838967, кл. Н 02 М 7/515, 1979.

.23

гь

Г,

Ui

г

П

фиг.г +

+ 0-TVVYVW

-т-Kh

fU +

сриг.5 J0

% U,i,

UHO

u

ичг

:iL

Г

U:

33