АВТОНОМНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ИНВЕРТОР С РЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, одна диагональ которого содержат управляемый вентиль со встречно-параллельным диодом и конденсатор, а вторая диагональ второй конденсатор и второй управляемый вентиль со встречно-параллельным диодом, выводы переменного тока однофазного моста через коммутирующий дроссель и коммутирующий конденсатор соединены с выходными выводами инвертора (Тиристорные преобразователи частоты / А.К.Белкин, Т.П.Костюкова, Л.Э.Рогинская и др. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - С.37).
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями токов через управляемые вентили и встречно-параллельные диоды в инверторе, выполненном на заданную мощность, что может привести к выходу их из строя из-за перегрева полупроводниковых структур управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов. В инверторе не обеспечивается симметричное ограничение тока источника питания при аварийных замыканиях выходных выводов на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный через дроссель фильтра к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, одна диагональ которого содержит управляемые вентили,
а вторая диагональ конденсаторы, выводы переменного тока однофазного моста через коммутирующий дроссель соединены с выходными выводами инвертора (П. 2016488 РФ, МКИ Н02М 7\523. Двухьячейковый резонансный инвертор \ Е.М.Силкин, Г.В.Мизин, А.И.Пахалин и др. - Заявл. 04.07.91, Опубл. 15.07.94, Б.И. №13).
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями токов через управляемые вентили в инверторе, выполненном на заданную мощность, что может привести к выходу их из строя из-за перегрева полупроводниковых структур управляемых вентилей. В инверторе не обеспечивается симметричное ограничение тока источника питания при аварийных замыканиях выходных выводов на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный через дроссель фильтра к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, одна диагональ которого содержит управляемые вентили со встречно-параллельными диодами, а вторая диагональ коммутирующие дроссели и конденсаторы, выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора (А.с. 1742970 СССР, МКИ Н02М 7\523. Двухьячейковый резонансный инвертор \ Е.М.Силкин, С.В.Дзлиев, С.Н.Тазихин и др. - Заявл. 17.10.90, Опубл. 23.06.92, Б.И. №23),
Указанный автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями токов через управляемые вентили и встречно-параллельные диоды в инверторе, выполненном на заданную мощность, что может привести к выходу их из строя из-за перегрева полупроводниковых
структур управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов. В инверторе не обеспечивается симметричное ограничение тока источника питания при аварийных замыканиях выходных выводов на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы автономного согласованного инвертора, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией содержит подключенный через дроссели фильтра к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, одна диагональ которого содержит управляемые вентили со встречно-параллельными диодами, а вторая диагональ конденсаторы, выводы переменного тока однофазного моста через коммутирующие дроссели соединены с выходными выводами инвертора, зашунтированными компенсирующим конденсатором.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что достигается снижением уровней токов через управляемые вентили и встречно-параллельные диоды, снижением коммутационных потерь, исключением режимов перегрева структуры управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
Повышение надежности работы 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 подключенный через дроссели фильтра 1, 2 к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, одна диагональ которого содержит управляемые вентили 3, 4 со встречно-параллельными диодами 5, 6, а вторая диагональ конденсаторы 7, 8. Выводы переменного тока однофазного моста через коммутирующие дроссели 9, 10 соединены с выходными выводами инвертора, зашунтированными компенсирующим конденсатором 11. К выходным выводам инвертора подключен индуктор 12.
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. Параметры коммутирующих дросселей 9, 10, емкость компенсирующего конденсатора 11 и конденсаторов 7, 8 выбраны из условия обеспечения колебательного характера тока в контурах: 8-3-9-(11, 12)-10-8 и 7-9-(11, 12)-10-4-7, образующихся при включении управляемых вентилей 3, 4 и встречно-параллельных диодов 5, 6. Собственная частота контуров приблизительно в 2 раза превышает выходную частоту устройства. За полный цикл работы управляемых вентилей 3, 4 и встречно-параллельных диодов 5, 6 в нагрузке получаем два периода выходного переменного напряжения. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 2 выбраны достаточными для качественной фильтрации тока на входе однофазного моста, содержащего в одной диагонали управляемые вентили 3, 4 со встречно-параллельными диодами 5, 6, а в другой диагонали конденсаторы 7, 8. Компенсирующий конденсатор 11 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (индуктора или нагрузки) 12 и последовательную компенсацию, совместно с конденсаторами 7, 8 (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). Период выходного сигнала автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией состоит из трех временных интервалов, соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3, 4 и встречно-параллельных диодов 5, 6. В качестве управляемых вентилей могут быть использованы как однооперационные, так двухоперационные вентили с обратной проводимостью (со встречно-параллельными диодами) или без обратной проводимости. При этом электромагнитные процессы в схеме автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией качественно аналогичны. Рассмотрим вариант выполнения схемы на основе управляемых двухоперационных вентилей (транзисторов) со встречно-параллельными диодами. Основной (первый) интервал соответствует интервалу прямой проводимости управляемого вентиля 3 (4). При включении управляемого вентиля 3 начинается колебательный заряд с положительной полярностью компенсирующего конденсатора 11 по цепи: 8-3-9-(11, 12)-10-8 от конденсатора 8 и источника питания автономного согласованного инвертора. Одновременно происходит разряд компенсирующего конденсатора 11 через индуктор 12 в контуре: 11-12-11. После колебательного спада тока в цепи: 8-3-9-(11, 12)-10-8 до нуля компенсирующий конденсатор 11 заряжен до максимального положительного напряжения, которое превышает напряжение на конденсаторе 8. Начинается разряд (второй интервал) компенсирующего конденсатора 11 по цепи: (11, 12)-9-5-8-10-(11, 12). Через встречно-параллельный диод 5 управляемого вентиля 3 протекает обратный ток, который складывается с постоянным током заряда конденсатора 8. Суммарный ток протекает через нагрузочный контур 11, 12 в противоположном направлении. Во втором интервале снимается импульс управления с управляемого вентиля 3. Одновременно также происходит разряд компенсирующего конденсатор 11 через индуктор 12 в контуре: 11-12-11. После колебательного спада тока в цепи: (11, 12)-9-5-8-10-(11, 12)
до нуля встречно-параллельный диод 5 управляемого вентиля 3 выключается. При этом напряжение на компенсирующем конденсаторе 11 становится отрицательным. На третьем временном интервале паузы компенсирующий конденсатор 11 продолжает перезаряжаться в контуре: 11-12-11 до напряжения положительной полярности (+ на правой по схеме обкладке). Третий интервал в работе автономного согласованного инвертора заканчивается при полном разряде компенсирующего конденсатора П. 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 4 и начинается следующий период в работе автономного согласованного инвертора. Электромагнитные процессы при работе управляемого вентиля 4 и встречно-параллельного диода 6 полностью аналогичны рассмотренным. 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 интервалах 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, 6, и управляемые вентили 3, 4 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.
Управляемый вентили 3, 4 при реализации автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, как указано выше, могут быть выполнены как однооперационными симметричными или не имеющими обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, реверсивно-включаемые динисторы, газоразрядные вентили), так и двухоперационными, то есть полностью управляемыми симметричными или несимметричными
(запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи).
В схеме может быть обеспечено регулирование выходных электрических параметров (мощность, ток, напряжение) за счет изменения фазового сдвига между моментами включения управляемых вентилей 3, 4 от 180° до 0. При этом выходной параметр увеличивается и становится максимальным при нулевом сдвиге между моментами включения управляемых вентилей 3, 4. Регулирование осуществляется за счет изменения волнового сопротивления эквивалентного контура коммутации при изменении фазового сдвига между моментами включения управляемых вентилей 3, 4.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Это достигается снижением величины токов через управляемые вентили (более чем в два раза) за счет изменения схемы компенсации, уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
Повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией оценивается по времени наработки устройства на отказ Согласно экспериментальных исследований и экспертных оценок время наработки на отказ заявляемого инвертора может быть увеличено на 20-30%.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия инвертора за счет уменьшения 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.
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, возможности регулирования выходных электрических параметров в широких пределах за счет изменения фазы между моментами включения управляемых вентилей.