АВТОНОМНЫЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ ИНВЕРТОР

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области преобразовательной техники.
Известен однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (АИН), выполненный на основе двухоперационных запираемых тиристоров с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненном на выпрямителе с конденсаторным фильтром (Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. «Основы преобразовательной техники». / М.: Высшая школа, 1980, с.237-240). Преобразование постоянного напряжения в переменное для питания активно-индуктивной нагрузки заданной частоты происходит за счет переключения диагонально расположенных пар тиристорных ключей импульсами, смещенными на 180 электрических градусов. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки через обратные диоды сбрасывается в батарею конденсаторов источника постоянного напряжения. Емкость батареи конденсаторов С достигает большой величины, особенно при низких частотах f и больших токах АИН:
,
где:
I - ток нагрузки;
t≡1/f - время протекания тока через батарею конденсаторов;
ΔU - допустимая величина перенапряжения на конденсаторах.
При токе в несколько сотен ампер и малых частотах f (менее 5 Гц) емкость батареи конденсаторов может достигать больших величин, что является основным недостатком данного устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является автономный низкочастотный инвертор с активно-индуктивной нагрузкой, с транзисторной силовой частью и двухканальной системой управления (RU 98650 U1 с приоритетом от 24.05.2010, опубликовано 20.10.2010, Бюл. №29).
Силовая часть АИН прототипа с активно-индуктивной нагрузкой представляет собой однофазный мостовой инвертор, состоящий из выпрямителя и силовых транзисторных ключей с четырьмя обратными диодами. Управление силовыми ключами инвертора осуществляется от двухканальной системы управления с идентичными каналами управления. В каждом канале управления имеются формирователи импульсов управления и, содержащие драйверы (устройства для управления силовыми ключами).
2
p
Регулирование выходного напряжения инвертора происходит за счет изменения длительности τ включенного состояния силовых ключей и, которая определяется формирователями импульсов в каналах управления и в функции управляющего сигнала U управляющего органа. Усложненная схема однофазного мостового инвертора напряжения и системы управления, где в каждом канале управления силовыми ключами формирователи импульсов содержат фазосмещающие устройства, приводит к возникновению асимметрии управляющих импульсов, поступающих на силовые ключи, что негативно сказывается на качестве выходного напряжения инвертора, увеличивает потери мощности в нагрузке, усложняет систему регулирования, и как следствие понижает надежность и к.п.д в целом.
Технический результат заявляемого устройства - упрощение схемы однофазного мостового инвертора напряжения и системы управления.
Технический результат достигается тем, что в автономном низкочастотном инверторе, содержащим однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на основе выпрямителя, силовых ключей и обратных диодов, активно-индуктивную нагрузку и систему управления с источником противофазных тактовых импульсов с частотой f, идентичными каналами управления силовыми ключами, каждый из которых содержит пару формирователей импульсов управления, соединенных с управляющими цепями силовых ключей, управляющим органом, однофазный мостовой инвертор напряжения содержит два обратных диода, в систему управления введены генератор пилообразных напряжений, компаратор, распределитель импульсов, в каждый из каналов управления силовыми ключами введен таймер, выход которого подсоединен к входу первого формирователя импульсов, причем выходы источника противофазных тактовых импульсов соединены с входами генератора пилообразных напряжений, распределителя импульсов и таймеров в каждом канале управления силовыми ключами, выход генератора пилообразных напряжений соединен с первым входом компаратора, а его второй вход с выходом управляющего органа. Генератор пилообразных напряжений выполнен с частотой 2f. Распределитель импульсов содержит, например, два ключа, выходы которых соединены с входами вторых формирователей импульсов управления обоих каналов управления силовыми ключами.
Благодаря тому, что в систему управления введены генератор пилообразных напряжений, компаратор, распределитель импульсов, а в каждый из каналов управления силовыми ключами введен таймер, в однофазном мостовом инверторе напряжения содержится только два обратных диода, вместо четырех по сравнению с прототипом упрощается схема однофазного мостового инвертора напряжения и системы управления. В устройстве исключается возникновение асимметрии управляющих импульсов, поступающих на силовые ключи, повышается качество выходного напряжения инвертора, снижается потеря мощности в нагрузке, и как следствие повышается надежность и к.п.д в целом.
На фиг.1 приведена схема прототипа, на фиг.2 - показана схема предлагаемого устройства, на фиг.3 - показана схема источника противофазных тактовых импульсов, на фиг.4 - диаграммы работы предлагаемого устройства. На фигурах приняты следующие обозначения:
1 - однофазный мостовой инвертор напряжения;
2 - выпрямитель;
3, 5 - силовые ключи, выполненные на тиристорах;
4, 6 - силовые ключи, выполненные на транзисторах (транзисторы);
7, 8 - обратные диоды;
9 - активно-индуктивная нагрузка (u, i - напряжение и ток в нагрузке);
10 - система управления;
a
11 - источник противофазных тактовых импульсов с частотой f и двумя выходами «» и «x» (источник 11 может быть выполнен, например, на основе генератора 26 и двух компараторов 27 и 28);
12, 13 - каналы управления силовыми ключами однофазного мостового инвертора;
14 - первые формирователи импульсов;
15 - вторые формирователи импульсов;
16 - управляющий орган;
17 - генератор пилообразных напряжений с частотой выходного сигнала 2f, выполненный, например, на элементах 21…23;
18 - компаратор;
19 - распределитель импульсов, состоящий, например, из двух ключей 24 и 25;
20 - управляющий орган;
21 - усилитель;
22 - ключ «сброса» (для обнуления конденсатора в интеграторе 23);
23 - интегратор;
24, 25 - ключи управления;
26 - генератор синусоидального напряжения с частотой f;
27, 28 - компараторы;
и
U - напряжение импульсов «сброса» на выходе 21;
п
U - пилообразное напряжение на выходе 23;
у
U - напряжение управления на выходе 20;
p
U - напряжение на входе 20;
см
U - напряжение смещения на входе 21.
1
2
и
п
у
a
U, U, , x, U, U, U - сигналы;
ФИ1 - 14, ФИ2 - 15 - соответствующие формирователи импульсов 1 и 2 в канале управления 12, их цифровые обозначения 14 и 15;
ФИ1 - 14, ФИ2 - 15 - то же, но в канале управления 13;
1
2
τ, τ - длительность импульсов соответственно на выходах блоков 14, 15 в каналах управления 12 и 13;
1
1
τ(3), τ(5) - длительность импульсов управления на тиристорах 3 и 5;
2
2
τ(4), τ(6) - то же на транзисторах 4 и 6;
1
t - время нарастания и спада до нуля тока нагрузки i;
и
Δt - время импульса «сброса» U;
d
U - напряжение на выходе выпрямителя 2;
u, i - соответственно напряжение и ток в нагрузке 9.
Устройство содержит однофазный мостовой инвертор напряжения 1, в состав которого входят выпрямитель 2, силовые ключи 3…6, выполненные на тиристорах 3 и 5, транзисторах 4 и 6, два обратных диода 7, 8, активно-индуктивная нагрузка 9, систему управления 10, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов 11 с частотой f, двух идентичных каналов управления силовыми ключами 12, 13, генератор пилообразных напряжений 17, компаратор 18, распределитель импульсов 19, управляющий орган 10. В каждом из каналов управления силовыми ключами 12, 13 содержится таймер 20, выход которого подсоединен к входу первого формирователя импульсов 14, причем выходы источника противофазных тактовых импульсов 11 соединены с входами генератора пилообразных напряжений 17, распределителя импульсов 19 и таймеров 20 в каждом канале управления силовыми ключами однофазного мостового инвертора напряжения 12, 13, выход генератора пилообразных напряжений 17 соединен с первым входом компаратора 18, а его второй вход с выходом управляющего органа 16.
Работа заявляемого устройства
a
a
п
1
2
и
п
у
3
4
5
2
1
2
1
2
1
1
2
у
1
2
На выходах «» и «x» источника тактовых импульсов 11 образуются две противофазных последовательности импульсов с заданной частотой f, которая при помощи генератора пилообразных напряжений 17 преобразуется в пилообразное напряжение U с частотой 2f. Генератор пилообразных напряжений содержит усилитель 21, ключ «сброса» 22 и интегратор 23. Данный процесс отражен четырьмя верхними диаграммами на фиг.3, где U и U - напряжения на выходах «» и «x» источника противофазных тактовых импульсов 11. Импульс напряжения U образуется на выходе усилителя 21 и поступает на ключ 22, кратковременно (в течение Δt) шунтирующий конденсатор интегратора 23, осуществляя «сброс» «пилы» от максимума до нуля два раза за период Т=1/f. Сигнал U с выхода 23 подается на первый вход компаратора 18, а на его второй вход поступает сигнал U с выхода 16. В результате сравнения указанных сигналов на выходе 18 возникает сигнал U (фиг.3д) с частотой 2f, который, проходя через ключи 24, 25 на входах формирователей импульсов ФИ2 (15) в каналах управления силовыми ключами 12, 13, превращается в два противофазных сигнала U и U с длительностью τ и частотой f (фиг.3е и фиг.3ж). При этом на таймеры 16 в блоках 12, 13 поступают сигналы U и U с частотой f (фиг.3а и фиг.3б). В результате на выходах каждого из каналов управления силовыми ключами 12 и 13 возникают по две последовательности импульсов разной длительности τ и τ (фиг.3з, 3л). В этом случае τ выбирается из условия надежного отпирания тиристоров 3, 5 с учетом электромагнитной инерции активно-индуктивной нагрузки 9. За время τ ток в тиристоре должен нарасти до величины, большей тока удержания. Длительность τ определяется сигналом U (точки N и N на фиг.3г) и определяет выходное напряжение и на нагрузке 9 (фиг.3м).
1
э
В каждом канале управления силовыми ключами 12, 13 передние фронты импульсов управления с выходов формирователей импульсов 14 и 15 совпадают. Ток i спадает через включенный тиристор, например, 3, и диод 8 (или тиристор 5 и диод 7) в течение времени t (фиг.3м), которое определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки T и равна
1
э
t≈4T=4L/R.
Условие безопасной работы АИН, исключающее аварийный режим короткого замыкания по цепи тиристор 3 и транзистор 4 (или 5 и 6), имеет вид:
2
1
τ+t<0,5Т, где T=1/f.
Работа вентилей дана на фиг.3н.
Действующее значение напряжения на активно-индуктивной нагрузке 9 определяется формулой:
2
где τ - регулируемая длительность в секундах, f - частота в герцах.
2
у
Величина τ зависит от значения напряжения управления U
п.m
где U - максимальное напряжение «пилы».
2max
1
уmax
Максимальная величина τ=(0,5/f+t), обеспечивающая исключение аварийного режима АИН, устанавливается ограничением сигнала U управляющего органа 16. Объединяя формулы (1) и (2), окончательно имеем:
где  - относительная величина напряжения управления.
Так, при , что очевидно из фиг.3м.
a
Следует отметить, что источник тактовых импульсов 11 может быть выполнен, например, на основе генератора синусоидальных колебаний 26 и двух компараторов 27, 28. За счет определенного порога срабатывания компараторов на выходах «», «x» имеем импульсы в соответствии с фиг.3.
Таким образом, благодаря тому, что в систему управления введены генератор пилообразных напряжений, компаратор, распределитель импульсов, а в каждый из каналов управления силовыми ключами введен таймер, в однофазном мостовом инверторе напряжения содержится только два обратных диода, вместо четырех по сравнению с прототипом упрощается схема однофазного мостового инвертора напряжения и системы управления. В устройстве исключается возникновение асимметрии управляющих импульсов, поступающих на силовые ключи, повышается качество выходного напряжения инвертора, снижается потеря мощности в нагрузке, и как следствие повышается надежность и к.п.д в целом.