Двухтактный самовозбуждающийся инвертор Советский патент 1982 года по МПК H02M7/537 

(54) ДВУХТАКТНЫЙ САМОВОЗБУЖДАЮЩИЙСЯ ИНВЕРТОР

1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах электропитания и электропривода для преобразования постоянного напряжения в переменное посредством двухтактных инверторов.

Известны двухтактные инверторы содержащие основные ключи, силовой магнитный элемент, шунтированный конденсатором с целью улучшения траектории процесса переключения ключей и устройства задержки импульсов в цепях управления ключами 1.

Такие устройства могут быть выполнены либо посредством дополнительных выпрямителей и конденсаторов 2 для случая схемы с внешним возбуждением, либо посредством триггер1а и диодов, подключенных к концам силового индуктивного элемента {3 для случая самовозбуждающейся схемы.

И в том и в другом случае схема содержит большое количество дополнительных элементов, что снижает надежность инвертора.

Наиболее близким к изобретению является двухтактный самовозбуждающийся иншертор, содержащий основные ключи и силовой индуктивный элемент, включенный в выходную цепь и щунтированиый конденсатором поперечной компенсации, коммутиРУЮШ.ИЙ трансформатор, в цепь питания первичной обмотки которого включен ограничительный резистор. Идва диода, первый вывод каждого из которых соединен с соответствующими крайним выводом индуктивного элемента. Недостатком данного устройства является низкая надежность 3.

Цель изобретения - повышение мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство введен дополнительный ключ, силовая цепь которого шунтирует одну из обмоток коммутирующего трансформатора, а управляющая цепь соединена с вторыми выводами указанных диодов.

Силовая цепь дополнительного ключа может быть включена между одним из входных выводов инвертора и средней точкой первичной обмотки коммутирующего трансформатора или крайними выводами этой обмотки через дополнительно введенные диоды, а также может шунтировать выход дополнительного выпрямителя, вход которого соединен с дополнительной обмоткой коммутирующего трансформатора.

На фиг. 1-8 показаны варианты выполнения схемы предлагаемого инвертора; на фиг. 9 - диаграммы напряжений.

Инвертор (фиг. 1) содержит силовой индуктивный элемент 1, шунтированный конденсатором 2, основные транзисторные ключи 3 и 4, подключающие элемент 1 к входным выводам 5 и 6. В инверторе имеется коммутирующий трансформатор 7 с резистором 8 - ограничителем тока его первичной обмотки 9, крайние выводы которой соединены с противофазными выводами 10 и 11 индуктивного элемента 1 через диоды 12 и 13. В инверторе имеются также два диода 14 и 15, подключенные своими одноименными выводами (катодами) к выводам 10 и 11 индуктивного элемента 1. Кроме того, инвертор снабжен нормально замкнутым дополнительным ключом 16, имеющим вход для управления 17, соединенным с вторыми выводами 18 и 19 диодов 14 и 15, и силовую цепь с выводами 20 и 21, один из которых

(20)соединен с первичной обмоткой 9 коммутирующего трансформатора 7, а второй

(21)- с входным -выводом 6. Вторичная обмотка 22 коммутирующего трансформатора 7 соединена через резистор 23 с входами для управления ключей 3 и 4. Входы для управления ключей 3 и 4 шунтированы диодами 24 и 25 для ограничения величины запирающего напряжения и резисторами 26 и

27 для запирания ключей 3 и 4 при отсутствии на их входах управляющего сигнала,

На фиг. 2 приведен вариант исполнения ключа 16 с транзистором 28, база которого соединена с коллектором через резистор 29, предназначенный для обеспечения отпирания транзистора 28 при отсутствии внешнего управляющего сигнала, и диодом 30, включенным в цепь эмиттера транзистора 28, предназначенным для обеспечения запирания транзистора 28 при наличии внешнего управляющего сигнала.

На фиг. 3 приведен вариант исполнения ключа 16 с транз1истором 28, фаза которого соединена с коллектором через резистор 29 и диод 31 с диодом 30 в цепи эмиттера и параметрическим стабилизатором (стабилитрон 32 и резистор 33) для стабилизации напряжения между базой и коллектором транзистора 28. В таком варианте исполнения ключ 16 в разомкнутом состоянии представляет собой стабилизатор напряжения на обмотках коммутирующего трансформатора 7.

На фиг. 4 приведен вариант соединения ключа 16 с первичной обмоткой 9 коммутирующего трансформатора 7 через диоды 34 и 35, а на фиг. 5 - вариант соединения первичной обмотки 9 коммутирующего трансформатора 7 с индуктивным элементом 1 через два резистора 8 и через параллельные резисторно-диодные цепи 8-12 и 8-13.

На фиг. 6 представлен вариант соединения первичной обмотки 9 коммутирующего

трансформатора 7 с индуктивным элементом 1 через резистор 8, при этом ключ 16 соединен с дополнительной обмоткой 36 коммутирующего, транс рорматора 7 через выпрямитель 37, который в этом случае выполняет функцию источника питания для ключа 16. В таком варианте обеспечена гальваническая развязка ключа 16 с входом и выходом инвертора.

На фиг. 7 приведен вариант исполнения источника питания для ключа 16 в виде выпрямителя 38, соединенного с тремя выводами индуктивного элемента 1 и с выводом 21 ключа 16. Это позволяет выполнить инвертор стабилизированным с неполностью открывающимися ключами 3 и 4.

На фиг. 8 представлен второй вариант исполнения инвертора - полумостовой. В нем в качестве источника питания для цепей обмотки индуктивного элемента 1 и ключей 3 и 4 использованы конденсаторы 39 и 40.

В общем случае индуктивный элемент 1 -это произвольная цепь индуктивного характера, например, обмотка электродвигателя, выходной трансформатор с произвольным числом обмоток, одна из которых соединена с ключами 3 и 4, вторая с коммутирующими трансформатором 7, третья - с конденсатором 2.

Диаграммы (фиг. 9) включают диаграмму напряжения на ключе 3(а), диаграмму напряжения на ключе 4(6), диаграмму напряжений на обмотках коммутирующего трансформатора 7(8).

Инвертор работает следующим образом.

В момент времени, соответствующий началу отсчета, ключ 3 (фиг. 1) открыт (фиг. 9а) и обеспечивает соединение вывода 10 индуктивного элемента 1 и катодов диодов 12 и 14 ,с отрицательным выводом цепи питания 6 инвертора. Ключ 4 закрыт.

При этом к полуобмотке индуктивного элемента 1 приложено напряжение, и через нее проходит ток. Диод 12 открыт и через него и резистор 8 первичная полуобмотка коммутирующего трансформатора 7 подключена к выводам 5 и 6 и к ней приложено напряжение (фиг. 9в). На вторичной обмотке 21 коммутирующего трансформатора 7 имеется напряжение, удерживающее ключи 3 и 4 и в том же состоянии - ключ 3 открыт, а ключ 4 закрыт.

Диод 14 открыт и обеспечивает запирание ключа 16. Потенциал вывода И индуктивного элемента 1, катодов диодов 13 и 15, а также напряжение на ключе 4 равны удвоенному значению напряжения пнтаиня инвертора, (фиг. 96). Тем самым обеспечено запирание диодов 13 и 15.

Расмотреиные режимы элементов устройства сохраняются в течение интервала времени O...ti. Момент времени t| соответствует насыщению сердечника коммутирующего трансформатора 7. При этом исчезает напряжение на вторичной обмотке 22. Соответственно ключ 3 закрывается благодаря резистору 26, а ключ 4 остался закрытым благодаря резистору 27. Однако потенциалы выводов 10 и 11 индуктивного элемента 1 остаются неизменными вследствие сохранения напряжения на конденсаторе 2. Таким образом, процесс запирания ключа 3 осуществлен в наиболее блигоприятных для. него условиях, т.е. при очень малом значении напряжения на ключе 3. После запирания ключа 3 ток индуктивного элемента 1 не прерывается, и происходит колебательный процесс в контуре, образованном индуктивностью индуктивного элемента 1 и емкостью конденсатора 2. Этот процесс продолжается в течение интервала времени ti...t4 без участия ключей 3 и 4 и заключается в следующем: конденсатор 2 разряжается, а затем перезаряжается, в результате чего напряжение на закрывшемся ключе 3 достигает примерно удвоенного значения напряжения питания инвертора, а напряжение на закрытом ключе 4 уменьшается, стремясь к нулю. В интервале времени i,...t2 ключи 3, 4 и 16 закрыты, напряжения на обмотках коммутирующего трансформатора 7 равны нулю, а ток его первичной обмотки ограничен резистором 5; напряжение на ключе 3, выводе 10 индуктивного элемента 1 и катодах диодов 12 и 14 повышается до значения, примерно равного +2В. В момент времени t .потенциал катода диода 14 достигает уровня +2Вм (потенциала вывода 17 ключа 16, соответствующего его открытому состоянию). С этого момента диод 14 закрыт, а ключ 16 открыт, и через него первичная обмотка коммутирующего трансформатора 7 соединена с выводом 6. Этим самым исключена возможкость переключения коммутирующего трансформатора 7 и воздействия его на ключи 3 и 4 на интервале времени l2...lj. С момента времени tj происходит убывание тока первичной полуобмотки коммутирующего трансформатора 7. Убывание этого тока до нуля происходит в течение пренебрежимо малого интервала времени, т.е. в момент времени tj практически ток первичной полуобмотки коммутирующего трансформатора уже равен нулю. В интервале времени ta-.-tj напряжение на ключе 3 и потенциал катодов диодов 12 и 14 вывода 10 индуктивного элемента 1 продолжает повышаться. Ключи 3 и 4 и диоды 12, 14, 13 и 15 закрыты. Ключ 16 открыт. Напряжение на ключе 4 и потенциал вывода 11 индуктивного элемента 1 и катодов диодов 13 и 15 понижается и достигает в момент времени tj значения, примерно равного Ч-1В. В этот момент времени диод 15 отпирается, обеспечивая запирание ключа 16. Соответственно средний вывод первичной обмотки 9 коммутирующего трансформатора 7оказывается соединенным уже не с выводом 6, а с выводом 5 через резистор 8. 8результате этого диод 13 смещенный в прямом направлении, открывается и соединяет второй вывод первичной обмотки коммутирующего трансформатора 7 с выводом 11 индуктивного элемента 1, потенциал которого равен +1В. Это приводит к появлению напряжения на обмотках коммутирующего трансформатора 7 с полярностью, обратной по отношению к имеющейся в интервале времени O...ti (фиг. 9в). Тем самым обеспечивается отпирание ключа 4 и более надежное запирание ключа 3. Поскольку к моменту времени ta напряжение на ключе 4 не превысило -ИВ, то при его отпирании практически полностью исключены динамические потери. В интервале времени tj...t5 ключ 16 закрыт: сигналом коммутирующего трансформатора 7 ключ удерживается закрытым, а ключ 4 открыт. Интервал времени 0...14 соответствует первому полупериоду работы инвертора. В интервале времени t4...t6, который соответствует второму полупериоду работы инвертора, в последнем происходят процессы, аналогичные рассмотренным. Далее процессы повторяются. Таким образом, в предлагаемом устройстве, как и в прототипе, исключены динамические потери в ключах. Однако этот эффект достигнут более простыми средствами, т.е. при помощи нормально замкнутого ключа. Варианты исполнения элементов устройства, приведенные на фиг. 2-7 позволяют дополнительно расширить область его применения, обеспечивая стабилизацию частоты и амплитуды выходного напряжения, а также возможность дистанционного отключения инвертора. Вариант, приведенный на фиг. 4, позволяет повысить надежность работы инвертора в случае медленного убывания тока коммутирующего трансформатора. Варианты, приведенные на фиг. 5 и 6 позволяют применить в инверторе коммутирующие трансформаторы с произвольным исполнением обмоток. Формула изобретения 1. Двухтактный самовозбуждающийся инвертор, содержащий основные ключи, силовой индуктивный элемент, включенный в выходную цепь, шунтированный конденсатором поперечной компенсации, коммутирующий трансформатор, в цепь питания первичной обмотки которого включен ограничительный резистор, и два диода, каждый из которых подключен первым выводом к соответствующему крайнему выводу индуктивного элемента, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности, в него введен дополнительный ключ, силовая цепь которого шунтирует одну из обмоток коммутируюшего трансформатора, а управляющая цепь соединена с вторыми выводами указанных диодов.

введенных диода с крайними выводами первичной обмотки коммутирующего трансформатора, а другой силовой вывод - с одним из входных выводов инвертора.

принятые во внимание при экспертизе

ь

f

8

ijizi3 i

is is

(риг. 9