МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР "ПЕТРА"

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах индукционного нагрева с транзисторными преобразователями частоты.
Известна мостовая схема транзисторного последовательного резонансного инвертора напряжения [1]. Схема содержит во входной цепи конденсатор фильтра Сф, параллельно которому включена мостовая схема на четырех силовых транзисторах, шунтированных обратными диодами. В диагональ моста включен последовательный колебательный контур, образованный индуктором Li и емкостью С, которая компенсирует реактивную мощность индуктора. Сопротивление Ri - элемент параллельной схемы замещения индуктора. Выходной ток инвертора имеет синусоидальную форму, выходное напряжение и напряжение на транзисторах - прямоугольную.
Достоинством описанного инвертора является возможность работы в широком частотном диапазоне, что позволяет применять частотное управление мощностью без регулирования входного напряжения.
Недостатками описанного инвертора являются:
1. Высокие потери в транзисторах из-за коммутации их на высоком напряжении.
2. Сложность согласования с низкоомными нагрузками, что приводит к необходимости применения согласующего трансформатора с большим коэффициентом трансформации, имеющего сложную конструкцию и энергетические показатели, ухудшающие общий КПД схемы.
Наиболее близким к предлагаемой схеме по технической сущности является мостовой инвертор, входящий в состав источника питания для индукционного нагрева или плавления с использованием подстроечного конденсатора [2]. Схема инвертора содержит во входной цепи дроссель L8, последовательно с которым включена мостовая схема на четырех транзисторах S1-S4, параллельно каждому из которых включены диоды D1-D4. На вход инвертора в диагональ постоянного тока подключен подстроечный конденсатор С1. В диагональ моста переменного тока включен индуктор L9.
Достоинством данного инвертора являются низкие потери при переключении транзисторов, так как коммутация транзисторов происходит в моменты, когда напряжение на них имеет величину около ноля.
Недостатками данного инвертора является:
1. Протекание тока индуктора, имеющего реактивную составляющую, через транзисторы и включенные параллельно им обратные диоды. На практике реальные индукторы часто имеют высокую реактивную составляющую полного сопротивления, которая кратно превышает активную составляющую. Таким образом, для обеспечения протекания больших токов требуется параллельное соединение полупроводниковых приборов, а это приводит к удорожанию конструкции инвертора.
2. Невозможность применить частотное управление мощностью, что так же приводит к удорожанию конструкции инвертора.
Заявляемое техническое решение решает задачу уменьшения тока, протекающего через полупроводниковые элементы и упрощения управления выходной мощностью инвертора за счет применения частотного метода регулирования.
Уменьшение тока, протекающего через полупроводниковые приборы, позволяет применить элементы с низкими характеристиками или уменьшить их количество.
Уменьшение тока также позволяет снизить выбросы напряжения на полупроводниковых приборах, вызванные влиянием паразитной индуктивности соединительных шин.
Частотный метод регулирования позволяет упростить источник для индукционного нагрева, в котором применяется заявляемый инвертор.
Поставленная задача решается мостовым инвертором, содержащим четыре транзистора, шунтированных обратными диодами, дроссель, включенный во входную цепь, конденсатор, включенный в диагональ постоянного тока, индуктор, включенный в диагональ переменного тока, отличающимся тем, что последовательно с индуктором включена индуктивность, а параллельно индуктору включена емкость.
На фиг.1 представлена принципиальная схема мостового инвертора, на фиг.2 - диаграммы, поясняющие его работу.
Мостовой инвертор содержит подключенный последовательно к источнику питания входной дроссель 1 и транзисторы 2, 3, 4, 5 со встречно-параллельными диодами 6, 7, 8, 9, включенные по мостовой схеме. В диагональ моста включена цепь, состоящая из коммутирующего дросселя 10 и нагрузочного колебательного контура, который состоит из индуктора 11, компенсирующего конденсатора 12, активного сопротивления 13. В диагональ постоянного тока подключен коммутирующий конденсатор 14. Входной дроссель 1 выполнен с величиной индуктивности, превышающей, по крайней мере, на порядок величину индуктивности коммутирующего дросселя 10.
На фиг.2 представлены эпюры напряжений и токов в цепях инвертора:
упр.2, 5
U - сигнал напряжения управления, подаваемый на выводы затвор-эмиттер транзисторов 2 и 5;
упр.3, 4
U - сигнал напряжения управления, подаваемый на выводы затвор-эмиттер транзисторов 3 и 4;
3, 4
U - напряжение на выводах коллектор-эмиттер транзисторов 3 и 4;
3-7, 4-8
I - ток через пары: транзистор 3 - диод 7, транзистор 4 - диод 8;
2, 5
U - напряжение на выводах коллектор-эмиттер транзисторов 2 и 5;
2-6, 5-9
I - ток через пары: транзистор 2 - диод 6, транзистор 5 - диод 9;
10
I - выходной ток инвертора, проходящий через дроссель 10;
11-12-13
U - напряжение на нагрузочном колебательном контуре (индуктор 11, конденсатор 12, сопротивление 13);
14
14
U, I - соответственно напряжение и ток конденсатора 14;
В установившемся режиме инвертор работает следующим образом. На управляющие входы транзисторов 2, 5 и транзисторов 3, 4 поступают сигналы напряжения прямоугольной формы, сдвинутые на 180 градусов относительно друг друга и имеющие между собой интервал «мертвого времени». В течение «мертвого времени» транзисторы обеих диагоналей моста остаются в закрытом состоянии. Это необходимо для исключения протекания сквозных токов через транзисторы. Поскольку индуктивность входного дросселя 1 достаточно велика, входной ток инвертора практически постоянный.
В момент t0, когда включены транзисторы 3 и 4, конденсатор 14, заряженный в момент t0 с полярностью, указанной на фиг.2, начинает разряжаться по контуру: переход коллектор-эмиттер транзистора 4, нагрузочный контур 11-12-13, дроссель 10, переход коллектор-эмиттер транзистора 3. Разряд происходит по синусоидальному закону, определенному емкостью конденсатора 14 и индуктивностью дросселя 10.
упр
упр
В момент t1, когда напряжение на транзисторах 3 и 4 равно нулю, а ток I 3-7, 4-8 проходит через максимум, снимается сигнал управления U 3, 4 и включается сигнал управления U 2, 5. При этом ток меняет направление, и конденсатор 14 начинает заряжаться через диоды 6 и 9 в противоположной диагонали моста. Заряд конденсатора происходит за счет энергии, накопленной в дросселе 10.
14
В момент t2 конденсатор 14 заряжается до максимума и при переходе тока I через ноль начинает разряжаться через открытые транзисторы 2 и 5. После чего описанный процесс повторяется.
10
Выходной ток инвертора I является суммой токов диагоналей моста и имеет синусоидальную форму.
11
11
10
Ток индуктора I определяется явлением резонанса в контуре образованном индуктором 11 и конденсатором 12. Ток индуктора I может многократно превышать выходной ток I.
Напряжение на колебательном контуре 11-12-13 и соответственно мощность, отдаваемая в нагрузку, зависят от соотношения частоты выходного тока инвертора, и собственной частоты нагрузочного контура 11-12-13.
Пример практической реализации.
По схеме заявляемого устройства была собрана экспериментальная модель мостового инвертора со следующими параметрами: напряжение источника питания 520 В, индуктивность дросселя 1-7 мГн, транзисторы 2, 3, 4, 5 и диоды 6, 7, 8, 9 - два полумостовых модуля на IGBT транзисторах с обратными диодами CM200DY-24А, индуктивность дросселя 10-50 мкГн, емкость конденсатора 14-1,0 мкФ, индуктивность индуктора 11-3,2 мкГн, емкость компенсирующего конденсатора 12-24 мкФ, сопротивление 13 - параметр индуктора, являющийся суммой активного сопротивления меди индуктора и сопротивления, внесенного в индуктор нагреваемой металлической заготовкой.
Частота импульсов управления транзисторами изменялась в пределах от 30 кГц до 17 кГц. «Мертвое время» - 2 мкс. Резонансная частота параллельного нагрузочного контура (индуктор 11, конденсатор 12) составила около 20 кГц.
При изменении частоты управления от 30 кГц до резонансной частоты 20 кГц мощность инвертора изменялась от 1,5 кВт до 70 кВт.
Амплитуда тока через транзисторы составила: на резонансной частоте 240 А, на частоте 30 кГц-130 А. Амплитуда тока через диоды составила: на резонансной частоте 20 А, на частоте 30 кГц-130 А.
Амплитуда тока через индуктор составила: на резонансной частоте 2500 А, на частоте 30 кГц-300 А.
Максимальную мощность инвертор отдает на резонансе нагрузочного контура. При повышении частоты импульсов управления, относительно резонанса нагрузки, ток через транзисторы монотонно уменьшается. Полученная зависимость «частота управления - ток транзисторов - мощность инвертора» говорит об эффективности применения частотного метода регулирования в заявляемом устройстве. При этом в качестве нагрузки инвертора в экспериментальной модели был применен низкоомный нагрузочный LC-контур (напряжение на индукторе не превышало напряжения на транзисторах).
Таким образом, испытания модели показали, что поставленная задача достигнута. Кроме того, эксперимент показал следующие преимущества последовательного мостового инвертора «Петра» перед аналогом и прототипом:
1. Токи, протекающие через транзисторы и диоды заявляемого инвертора кратно ниже токов, протекающих через транзисторы и диоды прототипа, при сопоставимых токах, протекающих через индуктор, поэтому можно применить более дешевые полупроводниковые приборы или уменьшить их количество.
2. Выбросы напряжения на транзисторах, вызванные влиянием паразитной индуктивности соединительных шин в цепи «подстроечного» конденсатора снизились до пренебрежимо малых величин.
3. Появилась возможность выносить индуктор на значительное расстояние от инвертора, соединяя их между собой высокочастотным кабелем, серийно выпускаемым промышленностью.
4. Заявляемый инвертор обеспечивает работу транзисторов при низких коммутационных потерях на частотах от резонансной до максимальной, так как коммутация происходит при нулевом напряжении на транзисторах во всем рабочем диапазоне частот.
- Аналог не обеспечивает коммутацию на транзисторах при нулевом напряжении.
- Прототип обеспечивает коммутацию на транзисторах при нулевом напряжении только на резонансе
Заявляемая совокупность признаков авторам из научно-технических источников информации не известна, обеспечивает достижение поставленной задачи и соответствует критериям охраноспособности изобретения.
Заявляемый последовательный мостовой инвертор тока может найти применение в системах индукционного нагрева с транзисторными преобразователями частоты, пригоден для промышленного производства.
Источники информации принятые во внимание при экспертизе.
1. «Автономные однофазные инверторы в составе источников питания электротермических установок». Журнал «Индукционный нагрев», №5 сентябрь 2008 г., стр.43-45.
2. Патент РФ №2363118 С2, МПК Н05В 6/04 (2006.01), 17.02.2005.