ОДНОФАЗНЫЙ МОСТОВОЙ АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
SINGLE-PHASE BRIDGE SELF-COMMUTATED VOLTAGE INVERTER (VERSIONS)

Изобретения относятся к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники для преобразователей низкой частоты.
Известен однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (далее АИН), выполненный на базе двухоперационных запираемых тиристорных ключей с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненным 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 ключей импульсами, смещенными на 180° эл. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки 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 величин фарад.
1
4
1
4
d
1
4
3
2
1
4
к
к
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является однофазный мостовой АИН, выполненный на однооперационных тиристорных ключах, с активно-индуктивной нагрузкой и двухканальной системой управления СУ (Розанов Ю.К. «Основы силовой электроники». / М.: Энергоатомиздат, 1992, с.235-237). Работа устройства основана на широтно-импульсном регулировании ключей VS-VS, которые зашунтированы обратными диодами VD-VD, и подключены по входу АИН к источнику постоянного напряжения U, который при питании от сети переменного тока состоит из выпрямителя с параллельным конденсатором. Пары тиристоров VS, VS и VS, VS переключаются противофазными импульсами с частотой f с помощью вспомогательных коммутирующих тиристоров VS′-VS′ и реактивных элементов С, L, которые могут быть исключены, например, при использовании полностью управляемых тиристоров и транзисторов.
1
2
1
4
1
2
1
4
1
4
В устройстве также содержатся задающие генераторы ЗГ ЗГ, управляющие фазосдвигающие устройства ФУ, ФУ-ФУ, пересчетно-распределительные устройства ПРУ, ПРУ, формирователи выходных импульсов для тиристорных ключей ФИ-ФИ и ФИ′-ФИ′.
Недостатками прототипа являются:
d
- необходимость в батарее конденсаторов больших габаритных размеров и с большими величинами емкости для сброса реактивной энергии нагрузки при выполнении источника постоянного напряжения U в виде выпрямителя;
- сложность системы управления.
Технический результат заявляемых вариантов однофазного мостового АИН - упрощение схемы и повышение надежности устройства за счет исключения конденсатора в источнике постоянного напряжения и упрощения системы управления.
2
1
Технический результат по первому варианту устройства достигается тем, что в однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, введен генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.
2
1
Технический результат по второму варианту устройства достигается тем, что в однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, введены генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, регулирующий орган, выход которого подключен к дополнительно введенному регулирующему входу второго формирователя каждого канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.
Сущностью заявляемого изобретения по первому варианту является то, что благодаря введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей управляющих импульсов соответствующего канала управления ключами с выходными импульсами различной длительности, упрощается схема и повышается надежность однофазного мостового АИН.
Сущностью устройства по второму варианту является то, что благодаря выполнению вторых формирователей управляющих импульсов каждого канала управления ключами с двумя входами - запускающим и регулирующим, введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей соответствующего канала с выходными импульсами различной длительности, а также введению регулирующего органа, выход которого подключен к регулирующему входу второго формирователя каждого канала достигается возможность регулирования выходного напряжения однофазного мостового АИН при упрощении схемы и повышении надежности устройства в целом.
На фиг.1 приведена схема заявляемого однофазного мостового АИН по первому варианту, на фиг.2 - схема по второму варианту, на которых приняты следующие обозначения:
1 - выпрямитель;
d
U - среднее значение выходного напряжения выпрямителя 1;
2 - мостовой преобразователь;
3, 4, 7, 8 - диоды;
5, 6, 9, 10 - транзисторные ключи;
11 - активно-индуктивная нагрузка;
u, i - соответственно напряжение и ток на нагрузке 11;
12 - система управления;
13 - генератор тактовых импульсов с двумя выходами противофазных импульсов с частотой f;
14, 15 - два идентичных канала управления ключами 5, 6 и 9, 10;
1
16 - первый формирователь управляющих импульсов ФИ1 длительностью τ;
2
17 - второй формирователь управляющих импульсов ФИ2 длительностью τ;
18 - регулирующий орган (только для схемы по второму варианту).
На фиг.3 даны диаграммы заявляемых устройств, где приняты следующие обозначения:
диаграмма а) - противофазные тактовые импульсы ТИ1 и ТИ2 в каналах 14, 15 на выходах генератора 13 с частотой f по фиг.1, 2;
диаграмма б) - диаграмма работы АИН:
u(t) - напряжение на нагрузке;
m
I - амплитудное значение тока нагрузки;
диаграмма в) - проводящие ток элементы АИН;
1
2
диаграмма г) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями τ и τ, получаемых от формирователей импульсов 16, 17 канала 14 и поступающих на соответствующие ключи 5, 10;
Δt - задержка («мертвое» время длительностью несколько микросекунд), исключающая одновременную работу двух ключей (5, 6 и 9, 10) при их переключении и закорачивание выпрямителя 1 (фиг.1, 2).
1
2
диаграмма д) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями τ и τ, получаемых от формирователей импульсов 16, 17 канала регулирования 15 и поступающих на соответствующие ключи 9, 6.
1
2
2
1
0
1
Однофазный мостовой АИН по первому варианту содержит выпрямитель 1, мостовой преобразователь 2, состоящий из диодов 3, 4, включенных параллельно соответствующим транзисторным ключам 5, 6 и диодов 7, 8, подключенных к транзисторным ключам 9, 10, между указанными парами транзисторных ключей включена цепь активно-индуктивной нагрузки 11. Управление указанными транзисторными ключами осуществляется системой управления 12, содержащей генератор противофазных тактовых импульсов 13 с частотой f и два идентичных канала регулирования ключами 14, 15, в каждом из которых имеются формирователи импульсов: 16 - первый формирователь управляющих импульсов ФИ1 длительностью τ с запускающим входом, 17 - второй формирователь управляющих импульсов ФИ2 длительностью τ с запускающим входом. Запускающие входы формирователей управляющих импульсов 16, 17 соединены между собой и подключены соответственно к первому и второму выходам генератора тактовых импульсов 13, выходы формирователей управляющих импульсов 16, 17 в обоих каналах управления 14, 15 подключены к управляющим цепям соответствующих транзисторных ключей 5, 10, 9, 6. Между задним фронтом импульса с меньшей длительностью τ одного канала и передним фронтом импульса с большей длительностью τ другого канала создается пауза Δτ (фиг.3), которая больше времени t спада тока нагрузки до нуля.
Работа однофазного мостового АИН по первому варианту осуществляется следующим образом.
2
2
0
1
Управление транзисторными ключами 5, 6, 9, 10 осуществляется импульсами разной длительности (фиг.3). Транзисторные ключи 5 и 9 управляются импульсами , а транзисторные ключи 6 и 10 - импульсами меньшей длительности τ, вырабатываемыми каналами управления 14, 15. В результате по окончании импульсов с длительностью τтранзисторные ключи 10 и 6 закрываются, и ток нагрузки замыкается соответственно через диод 7 и транзисторный ключ 5 в первый полупериод частоты f и через диод 3 и транзисторный ключ 9 во второй полупериод. В этом случае в диаграмме напряжения на нагрузке u(t) имеется пауза Δτ, определяющаяся временем спада тока до нуля t и временем задержки Δt. Включение следующей пары транзисторных ключей происходит после задержки Δt (несколько микросекунд), исключающей одновременное включенное состояние транзисторных ключей 5, 6 или 9, 10, что могло бы привести к закорачиванию выпрямителя 1. Общая пауза в диаграмме напряжения нагрузки составляет:
0
1
Δτ=t+Δt,
где:
1
н
t≈4T при экспоненциальном характере нарастания и спада тока;
н
T - постоянная времени активно-индуктивной нагрузки 11 (фиг.1).
2
Однофазный мостовой АИН по второму варианту (фиг.2) содержит все элементы устройства по первому варианту и регулирующий орган 18. В каждом канале второй формирователь управляющих импульсов 17 в АИН по второму варианту имеет два входа - запускающий (как на фиг.1) и регулирующий. Регулирующий орган 18 подключен к регулирующему входу формирователя управляющих импульсов 17 в каждом канале управления и обеспечивает регулирование длительности τ управляющего импульса.
2
p
Работа однофазного мостового АИН по второму варианту осуществляется так же, как и по первому, но добавляется функция регулирования напряжения на активно-индуктивной нагрузке, осуществляемого изменением τ в зависимости от сигнала регулирования U на входе регулирующего органа.
Действующее значение выходного напряжения АИН определяется:
,
где:
2р
τ - длительность импульса ФИ2 в радианах;
2c
τ - длительность импульса ФИ2 в секундах;
f - частота в герцах.
Заявляемые устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с прототипом. За счет упрощения системы управления и исключения конденсатора на выходе выпрямителя однофазного мостового АИН при питании его от сети переменного тока упрощается схема и повышается надежность устройств, а введение регулирующего органа позволяет регулировать выходное напряжение АИН.