МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР И СХЕМА ЕГО УПРАВЛЕНИЯ

Мостовой инвертор и схема его управления
Полезная модель относится к электротехнике а точнее, к силовым полупроводниковым преобразователям частоты (инверторам) для питания вентильных двигателей и схемам их управления.
Известен мостовой инвертор и схема его управления (см. Патент ЕПВ (ЕР) N 0397314 Н02 Р 6/02. РЖ. Изобретения стран мира. N 20, 1991 г. , Вып. 107. с. 29. ), который предназначен для подачи питания на многофазную переключаемую реактивную электрическую машину. Фазные плечи инвертора состоят из верхнего и нижнего ключей, соединенных последовательно с фазными обмотками машины. Верхний обратный диод включен параллельно последовательной цепи, образованной верхним ключом и фазной обмоткой. Нижний обратный диод включен параллельно последовательной цепи, образованной нижним ключом и соответствующей фазной обмоткой. Последовательные цепи подсоединены к внешнему источнику постоянного тока. Схема управления состоит из нескольких токоизмерительных блоков, каждый из которых соединен с соответствующим фазным плечом инвертора и вырабатывает сигнал, пропорциональный мгновенному значению протекающего по нему фазного тока. Схема имеет блок формирования опорного тока и несколько компараторов. Каждый компаратор, соединенный с соответствующим, измерительным блоком, сравнивает измеренную величину тока с опорной и вырабатывает сигнал с первым логическим уровнем, когда измеренный ток превышает опорный на первую заданную величину, и сигнал со вторым логическим уровнем, когда измеренный ток меньше опорного на вторую заданную величину.
Недостатком данного мостового инвертора и схемы его управления является сложность схемы управления, связанная с заданием отклонения фактического тока относительно опорного на две заданные величины.
Данная полезная модель разработана с целью упрощения мостового инвертора и схемы его управления,
Н 02 М 7/48
- г
первого и второго ключей, каждый из которых имеет первые, вторые и управляющие выводы, первого и второго диодов; содержащий первый и второй зажимы для подключения положительного и отрицательного выводов внешнего источника постоянного напряжения соответственно; третий и четвертый зажимы для подключения нагрузки инвертора, причем первый вывод первого ключа соединен с первым зажимом, второй - с четвертым зажимом; первый вывод второго ключа соединен с третьим зажимом; катод первого диода соединен с первым зажимом, анод - с третьим зажимом; катод второго диода соединен с четвертым зажимом, анод - со вторым зажимом, согласно данного заявления, введены; управляющее устройство (УУ), которое имеет первый и второй входы раздельного управления ключами, третий общий вход управления, первый и второй выходы управления первым и вторь;м КЛРОЧОМ соответственно, первый и второй выводы для подключения мсточнина питания устройства, а также выводы для подключения исто -ников питания выходных каскадов УУ: пятый и шестой - первого ключа, третий и четвертый - второго ключа; первый и второй логические элементы И, каждый из которых имеет первый и второй входы и выход; инвертор, имеющий вход и выход; устройство запуска, имеющее первый и второй выводы для подключения источника питания и выход; первый и второй транзисторы; стабилитрон; третий диод; первый - четвертый резисторы; переменный резистор; первый - шестой конденсаторы; шунтовой резистор (шунт); пятый зажим для подключения внешнего управляющего элемента; шестой зажим для псдключения источника напряжения для питания схемы управления; причем второй вывод второго ключа связан со вторым зажимом через шунт; управляющие выводы первого и второго ключей связаны с первым и вторым выходами УУ соответственно; первый и третий выводы для подключения источников питания УУ соединены с шестым зажимом, второй и четвертый - со вторым зажимом, шестой - с четвертым зажимом, пятый связан с четвертым зажимом через второй конденсатор- и соединен с катодом третьего диода, анод которого соединен с яестым зажимом; первый и второй входы УУ соединены с выходами первсто и второго элементов И соответственно; второй вход второго элемента К соединен с коллектором первого транзистора, с которьш соединены
- 3 один вывод второго резистора и один вывод пятого конденсатора; эмиттер первого транзистора и другой вывод пятого конденсатора соединены со вторым зажимом, база первого транзистора связана со вторым выводом второго ключа через четвертый резистор и со вторым зажимом - через шестой конденсатор; другой вывод второго резистора соединен с шестым зажимом; к первому входу первого элемента И подключен один вывод четвертого конденсатора, этот вход также связан с коллектором второго транзистора через третий резистор и с шестым зажимом через переменный резистор; эмиттер второго транзистора и другой вывод четвертого конде нсатора соединены со вторым зажимом, база второго транзистора связана с пятым зажимом через третий конденсатор; между шестым и вторым зажимами включен первый конденсатор и стабилитрон (анодом - ко второму зажиму), к ним также подключены первый .и второй выводь.; для подклю чения источника питания устройства запуска соответственно; пятый зажим связан с шестым через первый резистор и со входом инвер.тора; выход инвертора соединен с первым входом второго элемента  выход устройства запуска связан со вторым входом первого элемента И.
В частных случаях выполнения, описанных ниже, полезная модель может дополнительно характеризоваться одним или несколькими из следующих признаков:
-первый элемент И снабжен дополнительным третьим входом, связанным с выходом инвертора;
-второй элемент И снабжен дополнительным третьим входом, связанным с первым входом первого элемента
-схема снабжена пятым резистором, включенным между управляющим и вторым выводом первого ключа, и шестым резистором, включенным между управляющим выводом второго ключа и вторым зажимом:
-схема снабжена седьмым резистором, включенным между третьим входом УУ и вторым зажимом, и терморезистором, включенным между третьим входом УУ и шестым зажимом, причем терморезистор прикреплен к одной из на-гревающихся поверхнс стей в составе изделия;/
4 -схема снабжена девятым резистором, включенным между вым и шестым зажимами;
-схема снабжена седьмым и восьмым зажимами для подключения к внешнему источнику переменного напряжения, выпрямителем, имеьощим два входа, соединенных с седьмым и восьмым г-ажимами, и два выхода, с-.оединенных с первым и вторым зажимами соответственнее, седьмым конденсатором, включенным между первым и вторым зажимами; а также десятым и одиннадцатым резисторами, включенными между шестым зажимом и седьмом и восьмым зажимами соотБетственнг,.
В дальнейшем полезная модель поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны:
-фиг. 1 - схема мостового инвертора и схемы его управления;
-фиг. 2 - то же, с добавленными злементами для частных случаев реализации.
Для облегчения пояснения работы установим соответствие между наименованиями элементов в формуле и описании поле;5ной модели и их позиционными обозиачениями на чертежах; первый (верхний) ключ - 1, второй (нижний) - 2; первый диод - 3, второй - 4,, третий - 17; первый зажим - 5, второй - 6, третий - 7, четвертый 8, пятый - 30, шестой - 31, седьмой - 38, восьмой - 39: управляю щее устройство - 9; устройство запуска - 13; первый элемент И 10, второй - 11; инвертор - 12; первый транзистор - 14, второй 15; стабилитрон - 16; первый резистор - 18, второй - 18, третий 20, четвертый - 21, пятый - 32, шестой - 33, седьмой - 34, восьмой - 36, девятый - 37, десятый - 42, одиннадцатый - 43; переменный резистор - 22; первый конденсатор - 23, второй - 24, третий - 25, четвертый - 26. пятый - 27, шестой - 28, седьмой 41; шунт - 29; терморезисто -- 35; выпрямитель - 40.
Управляющее устройство §-представляет собой микросхему, для которой соответствие между риенованиями.выводов согласно формуле и описанию и нумерацией | родов на чертежах следующее; первый вход - 10, второй - 12, трефй - 11; первый выход - 7, второй 1; первый вывод для подключайся источников питания - я, второй
5 пуска согласно формуле и описанию и нумерацией БЫВОДОВ на чертежах следующее: первый вывод для подключения источника питания 3, второй - 1; выход - 2.
Мостовой инвертор и схема его управления питаются от внешнего силового источника постоянного напряжения,, имеющего положительный зажим 5 и отрицательный 6. К зажимам инвертора 7 и 8 подключена нагрузка, например, фазная обмотка реактивного, ир дукторного двигателя. Таким образом, силовой ток нагрузки течет от зажима 5 к зажиму 6 при условии одновременного открытия ключей 1 и 2, медленно спадает (при индуктивном характере нагрузки) через обратный диод 3 при закрытии нижнего ключа и быстро с.чадает через оба обратных диода при закрытии обоих ключей под действием приложенного к нагрузке напряжения обратной полярности.
Ключи 1 и 2 управляются с помощью устройства 9, которое состоит из трех блоков: входных цепей и выходных драйверов управления верхним и нижним ключами. Все эти блоки имеют псевдогальваническую развязку друг от друга и, соответственно, независимые выводы для подключения источников питания. Входные цепи имеют входы раздельного управле«ия верхним и нижним ключами 10 и 12 соответственно, при подаче.на которые напряжения высокого уровня подается команда на открытие соответствующего ключа и низкого - на заргрытие, и общий вход управления 11, при подаче на который напряжения высокого уровня запрещается открытие обоих ключей. Напряжение питания входных цепей подается на выводы 9 и 13. Выходные драйверы имеют выходы 7 и 1 для подключения к управляющим выводам верхнего и нижнего ключей соответственно, а также выводы для подключения источников питания: 6 и 5 - драйвера верхнего ключа, 3 и 2 драйвера нижнего .
На зажим 31 относительно зажима 6 подается напряжение, питающее схему управления, на1{ример, от внешнего источника г-итания, или, в частных случаях реал1|тции, от зажима 5 черс-з резистор , и, в случае питания инвертор от сети переменного напряжения (зажимы 38,39) с помощью выпря1риеля 40 и фильтрового кояденсатсра 41, от зажимов 38,39 через рэзисторы 42, 43 соответственно.
Элементы 16 и 23 предназначены для стабилизации напряжения, питающего схему управления. При этом схема управления, входные цепи и драйвер управления нижнего ключа питаются непосредственно, а драйвер управления верхнего ключа - от заряженного конденсатора 24, который заряжается только в моменты, когда открыт диод 17, что имеет место при подключенной к зажимам 7, 8 нагрузке инвертора при закрытом ключе 1 и открытом диоде 4 (в течение быстрого спадания тока нагрузки), либо при закрытом ключе 1 и открытом ключе 2.
Последняя ситуация используется для первоначального заряда конденсатора 24 при включении питания. Для первоначального закрытия верхнего ключа 2 введено устройство запуска 13, связанное через элемент И со входом управления верхнего ключа. Устройство 13 представляет собой датчик напряжения на конденсаторе 23 (питания схемы управления) или устройство ручного запуска от кнопки или выключателя. В первом случае на выходе устройства 13 поддерживается напряжение низкого уровня, пока не установится определенное напряжение на заряжающемся конденсаторе 23. В это время заряжается и конденсатор 24. Датчик напряжения может быть, например, интегральнмм или состоять из включенных последовательно стабилитрона и резистора. Во втором случае напряжение низкого уровня на выходе 13 появляется при воздействии на ручной орган управления (например, кнопка Пуск). Запуск возможен и без применения устройства 13, для чего необходимо первоначально вывести движок переменного резистора 22 в положение максимального сопротивления или, пр имение переменный резистор с встроенным выключателем, перед пуском разорвать цепь через резистор 22, что приведет к затяжке или запрещению первоначального заряда конденсатора 26 и, следовательно-, установит низкий логический уровень на выходе элемента 10.
Первоначальное открытие ключа 2 обеспечивается внешними условиями, например, стартовнм положением ротора реактивного, индукторного двигателя, при котором сигнал от датчика положения ротора двигателя (зажим.30 шрдает сигнал на открытие нижнего ключа.
Сигнал от зажима 30 в еонего управляющего элемента, имеющего цифровой выход, напркм л датчика положения ротора реактивно./ - б го, индукторного двигателя, воздействует на вход 12 устройства 9 посредством инвертора 12 и элемента И 11. При появлении на зажиме 30 напряжения высокого уровня на выводе 12 9 появляется напряжение низкого уровня, закрывающее нижний ключ. В противном случае этот сигнал не запрещает открытие нижнего ключа.
На элементах 18, 25, 15, 20, 22 и 26 собран одновибратор, который после запуска в течение интервала времени, определяемого времязадающей цепью, состоящей из переменного резистора 22 и конденсатора 26, вырабатывает на выходе импульс напряжения низкого уровня, который поступает на первый вход элемента И 10 и закрывает верхний ключ 1. Запуск одновибратора осуществляется от сигнала управляющего элемента (зажим 30) высокого уровня через 25. При этом на короткое время открывается транзистор 15 и через него и резистор 20 быстро разряжается конденсатор 26. При закрытии транзистора 15 конденсатор 26 заряжается через переменный резистор 22 в течение определенного времени, регулируемого с помощью резистора 22. Время этого заряда и определяет длительность импульса одновибратора.
На элементах 29, 14, 21, 28, 27 и 19 собрана цепь токовой защиты инвертора. При достижении Током нагрузки, протекающим через шунт 29, определенного значения падение напряжения на 29 становится достаточным для открытия транзистора 14 через резистор 21, и на его коллекторе, связанном через элемент И 11 с выводом 12 устройства 9, появляется напряжение низкого уровня, закрывающее ключ 2. При этом через открытый транзистор 14 разряжается конденсатор 27. После закрытия ключа 2 падение напряжения на шунте 29 уменьшается, и закрывается транзистор 14, после чего конденсатор 27 заряжается через резистор 19, и в течение времени, зависящего от времени заряда, сохраняется запрет на открытие ключа 2. Конденсатор 28 служит для повышения помехозащищенности.
Таким образом, при низком разрешающем уровне напряжения на зажиме 30 ток нагрузки ограничивается схемой управления нижнего ключа, который закрывается на определяемое цепью резистор 19 конденсатор 27 время при каждом достижении током определенного значения, и в течение этого времени происходит медленное спадание тока нагрузки через открытый ключ 1 и диод 3.
:.гУ  появлении высокого уровня напряжения на зажиме 30 закрываются оба ключа: ключ 2 - непосредственно, и ключ 1 - на время, определяемое одновибратором. При этом происходит быстрое спадание тока нагрузки.
По окончании импульса на выходе одновибратора открывается верхний ключ, при появлении напряжения низкого уровня на зажиме 30 - нижний. Ток нагрузки начинает протекать только при обоих открытых ключах. Таким образом, длительность паузы между импульсами тока нагрузки определяется максимальной из длительностей импульса на выходе одновибратора и импульса положительной полярности на зажиме 30. Одновибратор служит, например, для ограничения частоты вращения реактивного индукторного двигателя.
Следует отметить, что одновибратор может управлять нижним ключом, а сигнал на зажиме 30 - верхним, для чего следует поменять между собой связи, подключенные к соответствующим входам элементов 10 и 11. Можно также, в частном случае применения инвертора с нагрузкой, для которой более желательно одновременное открытие ключей, снабдить элементы 10 и 11 дополнительными третьими входами и воздействовать вышеуказанными сигналами на верхний и нижний ключи одновременно, как описано выше. Такие варианты принципиально не меняют работу устройства.
Выходы 7 и 1 устройства 9 и управляющие входы ключей 1 и 2 соответственно можно соединить через резисторы, ограничивающие ток управления ключей.
В частном случае, если требуется быстрое закрытие ключей 1 и 2, схема снабжается резисторами 32 и 33, включенными, как указано выше.
В частном случае применения инвертора в устройствах, к которым предъявляются требования пожаробезопасности, схема снабжается резистором 34 и терморезистором 35, включенным, как указано выше. При этом терморезистор необходимо прикрепить к поверхности, подверженной нагреву, например, к радиатору или корпусу верхнего ключа или корпусу двигателя, служащего нагрузкой инвертора. Эти резисторы образуют делитель напряжения с коэффициентом деления, изменяющимся при повышении температуры терморезистора. При превышении температуры выше определенного уровня напряжение на выводе
11 устройства 9 повысится до порогового напряжения, и оба ключа закроются.
С целью защиты от ложных срабатываний одновибратора базу транзистора 15 следует связать с зажимом 6 через резистор 36.
С целью ограничения тока при открытии транзистора 15 следует зажим 30 и конденсатор 25 соединить через резистор.
Технический эффект настоящей полезной модели состоит в простоте ее реализации, низкой стоимости и высокой надежности, достигаемых засчет отсутствия вторичного источника электропитания схемы управления и других эффективных схемных решений.
Авторы: . Коломейцев В. Л.
,
9:;улейманов У. М. Крайнев Д. В. Прокопец И. А. ,.j.,,i-7Коломейцев Л. Ф.
Звездунов Д. А. , , Пахомин С. А.