АВТОНОМНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ИНВЕРТОР С РЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель расширяет область применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенную к входным выводам инвертора последовательную цепь, состоящую из дросселя фильтра и управляемого вентиля с встречно-параллельным диодом, выходные выводы инвертора соединены с общими точками соединения управляемого вентиля и дросселя фильтра через коммутирующие дроссель и разделительный конденсатор и зашунтированы компенсирующим конденсатором (Электромагнитные процессы и параметрический синтез одновентильных инверторов с обратным диодом для электротермии/ Л.Э.Рогинская, А.В.Иванов, М.М.Мульменко и др. //Электричество. - 2003. - №12. - С.42).
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является узкая область применения. Это обусловлено узким диапазоном регулирования выходных электрических параметров, низкой надежностью работы из-за высоких уровней напряжений на управляемом вентиле и встречно-параллельном диоде, что может привести к выходу их из строя, невозможностью эффективно питать удаленные нагрузки.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенные к входным выводам инвертора две последовательные цепи, состоящие, каждая, из дросселя фильтра, управляемого вентиля с встречно-параллельным диодом и второго дросселя, выходные выводы инвертора соединены с общими точками
соединения управляемых вентилей и дросселей фильтра и общими точками соединения вторых дросселей соответствующих последовательных цепей через разделительные конденсаторы (А.с. 1742969 СССР, МКИ Н05М 7\523. Автономный резонансный инвертор \ С.В.Дзлиев, Е.М.Силкин, С.Н.Тазихин и др. - Заявл. 01.10.90, Опубл. 23.06.92, Б.И. №23).
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является узкая область применения. Это обусловлено низкой надежностью работы из-за высоких уровней напряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, что может привести к выходу их из строя, невозможностью использовать автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией для питания ответственных потребителей, требующих высокой надежности работы, невозможностью эффективно питать удаленные нагрузки.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенные к входным выводам инвертора две последовательные цепи, состоящие, каждая, из дросселя фильтра, коммутирующего дросселя, управляемого вентиля с встречно-параллельным диодом и второго дросселя фильтра, выходные выводы инвертора соединены с общими точками соединения управляемых вентилей и вторых дросселей фильтра соответствующих последовательных цепей, общие точки соединения управляемых вентилей и коммутирующих дросселей соответствующих последовательных цепей соединены с общими точками соединения управляемых вентилей и вторых дросселей фильтра других последовательных цепей через разделительные конденсаторы (А.с. 1711309 СССР, МКИ И05М 7\523. Автономный инвертор \ Е.М.Силкин, С.В.Дзлиев, Ю.П.Качан и др. - Заявл. 18.05.90, Опубл. 07.02.92, Б.И. №5).
Указанный автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком автономного согласованного резонансного инвертора с резонансной коммутацией является узкая область применения. Это обусловлено низкой надежностью работы из-за высоких уровней напряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, что может привести к выходу их из строя, невозможностью использовать автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией для питания ответственных потребителей, требующих высокой надежности работы, невозможностью эффективно питать удаленные нагрузки.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией содержит подключенные к входным выводам инвертора две последовательные цепи, состоящие, каждая, из дросселя фильтра, управляемого вентиля с встречно-параллельным диодом и второго дросселя фильтра, выходные выводы инвертора соединены с общими точками соединения управляемых вентилей и вторых дросселей фильтра соответствующих последовательных цепей через коммутирующие дроссели и зашунтированы компенсирующим конденсатором, общие точки соединения управляемых вентилей и дросселей фильтра соответствующих последовательных цепей соединены с общими точками соединения управляемых вентилей и вторых дросселей фильтра других последовательных цепей через разделительные конденсаторы.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что достигается повышением надежности работы за счет обеспечения снижения уровней напряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, что снижает вероятность выхода их из строя, возможностью использовать автономный согласованный
инвертор с резонансной коммутацией для питания ответственных потребителей, требующих высокой надежности работы, возможностью эффективно питать удаленные нагрузки.
Расширение области применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме автономного согласованного инвертора, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией являются существенными.
На рисунке приведена схема автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Автономный согласованный резонансный инвертор содержит, подключенные к входным выводам инвертора две последовательные цепи, состоящие, каждая, из дросселя фильтра 1, 2, управляемого вентиля 3, 4 с встречно-параллельным диодом 5, 6 и второго дросселя фильтра 7, 8, выходные выводы инвертора соединены с общими точками соединения управляемых вентилей и вторых дросселей фильтра соответствующих последовательных цепей через коммутирующие дроссели 9, 10 и зашунтированы компенсирующим конденсатором 11, общие точки соединения управляемых вентилей и дросселей фильтра соответствующих последовательных цепей соединены с общими точками соединения управляемых вентилей и вторых дросселей фильтра других последовательных цепей через разделительные конденсаторы 12, 13. Нагрузка 14 подключена к выходным выводам инвертора.
Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 3, 4 подаются поочередно в моменты перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 11 через ноль в положительную и отрицательную область значений (+на левой или правой по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 11) соответственно. Параметры
коммутирующих дросселей 9, 10, емкости компенсирующего конденсатора 11 и разделительных конденсаторов 12, 13 выбраны из условия обеспечения колебательного характера тока в контурах: 12 - 3 - 9 - (11, 14) - 10 - 12 и 13 - 4 - 10 - (11, 14) - 9 - 13, образующихся при включении управляемых вентилей 3 и 4. Собственная частота контуров приблизительно в 4 раза превышает выходную частоту устройства. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 2, 7, 8 выбраны достаточными для качественной фильтрации тока и напряжения на входах последовательных цепей, содержащих коммутирующие дроссели 9, 10, параллельный контур, образованный компенсирующим конденсатором 11 и выходными выводами с подключенным индуктором 14, и разделительные конденсаторы 12, 13. Компенсирующий конденсатор 11 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (индуктора или нагрузки) 14 и последовательную компенсацию, совместно с разделительными конденсаторами 12, 13 (при конечном значении их емкости), реактивной мощности коммутирующих дросселей 9, 10. Коммутирующие дроссели 9, 10 могут выполняться в виде самостоятельных элементов или представляют собой индуктивности нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей) автономного согласованного инвертора. Положительный полупериод выходного переменного напряжения формируется при работе управляемого вентиля 3 и встречно-параллельного диода 5, а отрицательный полупериод при работе управляемого вентиля 4 и встречно-параллельного диода 6. Управляемые вентили 3 и 4 при максимальном выходном переменном напряжении (максимальной выходной мощности) включаются со сдвигом фазы 180 град. эл. (поочередно). Регулирование выходных электрических параметров автономного согласованного инвертора осуществляется регулированием фазы от 180 до 0 град. эл. В режиме работы с фазовым углом 0 град. эл. (одновременное включение управляемых вентилей 3, 4) выходная мощность автономного согласованного инвертора равна нулю, так как токи разряда разделительных конденсаторов 12, 13 вычитаются.
Суммарный ток через параллельный нагрузочный контур (11, 14) при фазовом сдвиге 0 град. эл. равен нулю. В режиме максимальной выходной мощности полный цикл (период) выходного сигнала автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией состоит из шести временных интервалов, соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3, 4 и встречно-параллельных диодов 5, 6. На каждом полупериоде электромагнитные процессы в схеме протекают аналогично за исключением того, что в работе участвуют разные управляемые вентили 3 или 4 и встречно-параллельные диоды 5 или 6. В качестве управляемых вентилей могут быть использованы как однооперационные, так двухоперационные вентили без обратной или с обратной проводимостью (со встречно-параллельным диодом). При этом электромагнитные процессы в схеме качественно аналогичны. Рассмотрим вариант выполнения схемы на основе управляемого двухоперационного вентиля (транзистора) со встречно-параллельным диодом. Основной (первый или четвертый) интервал соответствует интервалу прямой проводимости управляемого вентиля 3 (или управляемого вентиля 4). При включении управляемого вентиля 3 начинается колебательный заряд с положительной полярностью компенсирующего конденсатора 11 по цепи: 12 - 3 - 9 - (11, 14) - 10 - 12 от Разделительного конденсатора 12 и источника питания автономного согласованного инвертора. Одновременно происходит разряд компенсирующего конденсатора 11 через индуктор 14 в контуре: 11 -14 - 11. После колебательного спада тока в цепи: 12 - 3 - 9 - (11, 14) - 10 - 12 до нуля компенсирующий конденсатор 11 заряжен до максимального положительного напряжения, которое превышает напряжение на разделительном конденсаторе 12. Начинается разряд (второй интервал) компенсирующего конденсатора 11 по цепи: (11, 14) - 9 - 6 - 12 - 10 - (11, 14). Через встречно-параллельный диод 6 управляемого вентиля 3 протекает обратный ток. Во втором интервале снимается импульс управления с управляемого вентиля 3. Одновременно также происходит разряд компенсирующего конденсатора 11 через индуктор 14 в контуре: 11 - 14 - 11. После колебательного спада тока в цепи: (11,
14) - 9 - 6 - 12 - 10 - (11, 14) до нуля встречно-параллельный диод 6 управляемого вентиля 3 выключается. При этом напряжение на компенсирующем конденсаторе 11 еще остается положительным и его значение меньше значения напряжения на разделительном конденсаторе 12. На третьем временном интервале компенсирующий конденсатор 11 продолжает перезаряжаться в контуре: 11 - 14 - 11 до напряжения отрицательной полярности (+на правой по схеме обкладке) за счет энергии, накопленной в электромагнитных полях компенсирующего конденсатора 11 и индуктора 14. При максимальном отрицательном напряжении на компенсирующем конденсаторе 11 на управляемом вентиле 3 присутствует максимальное положительное напряжение, равное сумме напряжений на разделительном конденсаторе 112 и компенсирующем конденсаторе 12 (приблизительно удвоенное напряжение питания). Третий интервал в работе автономного согласованного инвертора заканчивается при полном разряде компенсирующего конденсатора 11. Через нагрузочный контур 11,14 протекает разность токов дросселей фильтра 1, 7 и 2, 8. В момент перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 11 (или ранее при работе с углом опережения) через ноль в отрицательную область включается управляемый вентиль 4 (четвертый интервал). Электромагнитные процессы качественно повторяются, но токи и напряжения на элементах 9, (11, 14), 10 имеют противоположный знак. В момент перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 11 через ноль в положительную область значений заканчивается период в работе автономного согласованного инвертора, подается очередной импульс управления, включается управляемый вентиль 3 и начинается следующий период в работе автономного согласованного инвертора. При использовании двухоперационных управляемых вентилей 3, 4 второй интервал целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов схемы, что обеспечивает более высокие энергетические показатели устройства. На интервале проводимости встречно-параллельных диодов 5, 6 к выключившемся управляемым вентилям 3, 4 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на
встречно-параллельном диоде 5 или 6, соответственно и управляемые вентили могут восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей). В этом случае длительность второго интервала устанавливается исходя из требуемого времени выключения используемых однооперационных управляемых вентилей 3, 4.
Управляемые вентили 3, 4 при реализации автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, как указано выше, могут быть выполнены как однооперационными симметричными или не имеющим обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, реверсивно-включаемые динисторы, газоразрядные вентили), так и двухоперационными, то есть полностью управляемым симметричными или несимметричными (запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи).
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Это достигается повышением надежности и энергетических показателей за счет снижения величин токов и напряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах (более чем в два раза), уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, нежесткой коммутацией управляемых вентилей, возможностью питать от автономного согласованного инвертора ответственные потребители и (или) удаленные нагрузки. Повышается устойчивость работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией и уменьшается вероятность срывов инвертирования (выполнение на однооперационных управляемых вентилях) при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель), а также сбоев в системе управления инвертора.
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части инвертора и расширена область применения за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных
диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией за счет уменьшения токов и коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах (снижение уровней коммутационных перенапряжений, начальных скоростей нарастания и скоростей спада тока при включениях и выключениях управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку).