АВТОНОМНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ИНВЕРТОР С КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ
STAND-ALONE HARMONICA INVERTER WITH QUAZI-RESONANCE SWITCHING

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других высокочастотных электротехнологических нагрузок. Изобретение повышает надежность работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией.
Известен автономный инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях, зашунтированный встречным диодом, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходным выводам инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором (А.с. 1683150 СССР, МКИ H02M 5/45. Преобразователь частоты / Силкин Е.М. - Заявл. 03.03.89. Опубл. 07.10.91, БИ №37).
Недостатком автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, что может привести к выходу их из строя, а также высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречного диода, что может вызывать сбой в системе управления инвертора.
Известен автономный инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссель фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора тока зашунтированы компенсирующим конденсатором (А.с. 1742961 СССР, МКИ H02M 5/45. Преобразователь частоты / Силкин Е.М. - Заявл. 02.08.89, Опубл. 23.06.92. БИ №23).
Недостатком автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, что может привести к выходу их из строя, а также высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, что может вызывать сбои в системе управления инвертора.
Известен автономный инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора через последовательно соединенные коммутирующий дроссель и коммутирующий конденсатор (Тиристорные преобразователи частоты / А.К.Белкин, Т.П.Костюкова, Л.Э.Рогинская и др. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - С.88).
Недостатком автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями токов и перенапряжений на управляемых вентилях, что может привести к выходу их из строя, а также высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, что может вызывать сбой в системе управления инвертора.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора через коммутирующий дроссель и коммутирующий конденсатор (Патанов Д.А. Общие проблемы снижения коммутационных потерь в инверторах напряжения // Схемотехника. - 2001. - №5. - С.48).
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями токов управляемых вентилей и высокими уровнями электромагнитных помех, что может приводить к выходу управляемых вентилей из строя из-за перегрева структуры и сбоям в системе управления инвертора, а также высокими уровнями коммутационных перенапряжений на управляемых вентилях из-за резкого обрыва прямого тока при выключении, что может вызвать пробой управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором (П. 0061964 РФ, МКИ H02M 7/00. Автономный согласованный резонансный инвертор / Силкин Е.М. - Заявл. 13.11.06. Опубл. 10.03.07, БИ №7).
Указанный автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Это обусловлено высокими уровнями токов управляемых вентилей и высокими уровнями электромагнитных помех, вызванных неполной компенсацией реактивности нагрузки, что может приводить к выходу управляемых вентилей из строя из-за перегрева структуры и сбоям в системе управления инвертора, а также высокими уровнями коммутационных перенапряжений на управляемых вентилях из-за обрыва прямого тока при выключении встречно-параллельных диодов и электрических потерь, что может вызвать пробой управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов.
Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что в автономном согласованном инверторе с квазирезонансной коммутацией, содержащем подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, выходной вывод переменного тока однофазного моста соединен с выходным выводом инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором, второй выходной вывод переменного тока однофазного моста соединен с вторым выходным выводом инвертора через второй коммутирующий дроссель, коммутирующие дроссели выполнены магнитосвязанными и включены согласно, управляемые вентили зашунтированы коммутирующими конденсаторами, а выходные выводы переменного тока однофазного моста зашунтированы снабберным конденсатором.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией, что достигается снижением уровней токов, электрических коммутационных и статических потерь и перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, снижением уровней электромагнитных помех, исключением режимов перегрева структуры управляемых вентилей и сбоев в системе управления инвертора.
Повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией являются существенными. Заявляемый автономный согласованный инвертор приобретает свойства инвертора нового класса с квазирезонансной коммутацией.
На фиг.1 приведена схема автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией, на фиг.2 изображены временные диаграммы электрических сигналов в схеме, поясняющие принцип работы и управления автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией.
Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией содержит подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра 1, 2 однофазный мост на управляемых вентилях 3-6 с встречно-параллельными диодами 7-10, зашунтированный конденсатором фильтра 11, выходной вывод переменного тока однофазного моста соединен с выходным выводом инвертора через коммутирующий дроссель 12, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором 13, к выходным выводам инвертора подключена нагрузка 14, второй выходной вывод переменного тока однофазного моста соединен с вторым выходным выводом инвертора через второй коммутирующий дроссель 15, коммутирующие дроссели выполнены магнитосвязанными и включены согласно, управляемые вентили зашунтированы коммутирующими конденсаторами 16-19, а выходные выводы переменного тока однофазного моста зашунтированы снабберным конденсатором 20.
Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 3, 6 и 4, 5 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала инвертора. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 2 выбраны достаточно большими для качественной фильтрации тока и напряжения на входе однофазного моста. Компенсирующий конденсатор 13 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (нагрузки) 14 и последовательную компенсацию реактивной мощности коммутирующих дросселей 12, 15. Коммутирующие дроссели 12, 15 могут представлять собой индуктивность нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей). Целесообразно коммутирующие дроссели 12, 15 выполнить в виде самостоятельных магнитосвязанных элементов, включенных согласно, что позволяет снизить потери электрической энергии в них и, следовательно, общую загрузку управляемых вентилей 3-6 по мощности.
1
7
3
6
1
7
1
7
0
1
6
7
1
2
2
3
3
8
3
4
5
6
Полный цикл (период) T выходного сигнала автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией состоит из двух одинаковых временных интервалов (полупериодов), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10. В каждом полупериоде T/2, в общем случае, можно выделить три различных по характеру электромагнитных процессов временных интервала (одновременной работы двух управляемых вентилей однофазного моста, паузы в работе управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, а также одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов). Основной интервал соответствует интервалу одновременной проводимости двух управляемых вентилей однофазного моста 3, 6 или 4, 5. Два других интервала целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов 12, 15 и 16-20, что обеспечивает высокие энергетические показатели устройства. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 7, 10 или 8, 9 к выключившимся управляемым вентилям прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующем встречно-параллельном диоде (7-10), и управляемые вентили (3-6) могут включаться с минимальными коммутационными потерями (при использовании двухоперационных вентилей). В момент включения (начало: t, t на фиг.2 полупериода T/2), например, управляемых вентилей 3, 6 напряжение на компенсирующем конденсаторе 13 имеет условно отрицательную полярность (положительный потенциал на правой по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 13). Напряжение на компенсирующем конденсаторе 13 изменяется по колебательному закону. Уровень напряжения на компенсирующем конденсаторе 13 в момент включения управляемых вентилей 3, 6 ниже уровня амплитудного значения напряжения. Снабберный конденсатор 20 заражен до напряжения на конденсаторе фильтра 11 (положительный потенциал на левой по схеме обкладке снабберного конденсатора 11). Коммутирующие конденсаторы 16, 19 разряжены но нуля, а коммутирующие конденсаторы 17, 18 заряжены до напряжения на конденсаторе фильтра 11. Включение управляемых вентилей 3, 6 осуществляется с опережением относительно момента перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 13 относительно нулевого уровня (емкостная расстройка параллельного нагрузочного контура 13, 14). Как видно из временных диаграмм фиг.2, включение вентилей 3, 6 производится при нулевом уровне (u, ) на них, что обуславливает минимальные электрические потери при включении. Ток через параллельный нагрузочный контур, образованный индукционным нагревателем 14 и компенсирующим конденсатором 13, начинает протекать от конденсатора фильтра 11 автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией по цепи: 11-3-12-(13, 14)-15-6-11. Конденсатор фильтра 11 имеет достаточно большую емкость для качественного сглаживания напряжения на входе однофазного моста. Заряд конденсатора фильтра 11 осуществляется от источника питания автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией по цепи: «+»-1-11-2-«-». Компенсирующий конденсатор 13 разряжается до нуля и колебательно перезаряжается до напряжения условно положительной полярности (положительный потенциал на левой по схеме обкладке). Параметры цепи: 11-3-12-(13, 14)-15-6-11 и угол опережения выбираются такими, чтобы электромагнитные процессы в ней также имели колебательный характер. То есть указанная цепь представляют собой последовательный колебательный контур, образованный коммутирующими дросселями 12, 15 и нескомпенсированной частью емкости компенсирующего конденсатора 13. Ток управляемых вентилей 3, 6 вначале возрастает, а затем спадает по квазиколебательному закону. В момент равенства (t, t) тока управляемых вентилей 3, 6 некоторому минимальному уровню они выключаются. То есть выключение управляемых вентилей 3, 6 также происходит с опережением на угол γ относительно моментов колебательного спада тока через них до нуля (индуктивная расстройка эквивалентного последовательного колебательного контура). Выключение управляемых вентилей 3, 6 осуществляется практически с нулевыми коммутационными потерями, так как коммутирующие конденсаторы 16, 19 разряжены, а снабберный конденсатор 20 заражен до напряжения на конденсаторе фильтра 11. В момент выключения (t, t) управляемых вентилей 3, 6 заканчивается первый интервал полупериода одновременной проводимости управляемых вентилей однофазного моста. На временных диаграммах фиг.2 первый интервал для управляемых вентилей 3, 6 соответствует [t, t] и [t, t]. После выключения управляемых вентилей 3, 6 во втором интервале паузы за счет электромагнитной энергии, накопленной в электромагнитном поле коммутирующих дросселей 13, 15, происходит сравнительно быстрый разряд коммутирующих конденсаторов 17, 18 до нуля, перезаряд снабберного конденсатора 20 от напряжения условно положительной до напряжения условно отрицательной полярности (положительный потенциал на правой по схеме обкладке снабберного конденсатора 11) и заряд коммутирующих конденсаторов 16, 19 до напряжения на конденсаторе фильтра 11. Таким образом, имеем режим квазирезонансного переключения или коммутации. На фиг.2 пауза после выключения управляемых вентилей 3, 6 соответствует интервалу [t, t], На третьем интервале [t, t] полупериода 772 включаются встречно- параллельные диоды 8, 9. Ток дальнейшего разряда компенсирующего конденсатора 13 происходит по цепи: 13-15-9-11-5-12-13. Одновременно компенсирующий конденсатор 13 продолжает перезаряжаться через нагрузку 14. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 8, 9 к включающимся на следующем полупериоде управляемым вентилям 4, 5 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующем встречно-параллельном диоде 8, 9, и управляемые вентили 4, 5 могут включаться при малых коммутационных потерях. К моменту выключения встречно-параллельных диодов 8, 9 заканчивается третий интервал рассматриваемого полупериода T/2. Далее включаются (t, t) управляемые вентили 4, 5. Компенсирующий конденсатор 13 в указанный момент времени заряжен с условно положительной полярностью напряжения и колебательно перезаряжается до напряжения противоположной полярности (отрицательный потенциал на левой по схеме обкладке). С момента включения управляемых вентилей 4, 5 заканчивается первый полупериод T/2 в работе автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией. Во втором полупериоде T/2, при работе управляемых вентилей 4, 5 и встречно-параллельных диодов 7, 10, электромагнитные процессы в автономном согласованном инверторе с квазирезонансной коммутацией протекают аналогично, но токи через параллельный нагрузочный контур (13, 14) с индукционным нагревателем 14 на временных интервалах [t, t] и [t, t] второго полупериода T/2 имеют противоположное направление. По окончании второго полупериода снова включаются управляемые вентили 3, 6. Далее электромагнитные процессы в инверторе (новый период T выходного сигнала) полностью повторяются.
Управляемые вентили 3-6 при реализации автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией могут быть выполнены как однооперационными симметричными или не имеющими обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, реверсивно-включаемые динисторы, газоразрядные вентили) с искусственной коммутацией, так и двухоперационными, то есть полностью управляемыми симметричными или несимметричными (запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи).
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией. Это достигается комплексным снижением величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов за счет использования параллельной компенсации реактивности индукционного нагревателя (нагрузки), уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, коммутационных электрических потерь в элементах схемы за счет «мягкой» коммутации 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. Повышается устойчивость и, следовательно, надежность работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией и уменьшается вероятность срывов инвертирования при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель), а также сбоев в системе управления инвертора.
Повышение надежности автономного согласованного резонансного инвертора оценивается по времени наработки устройства на отказ. Согласно экспериментальным исследованиям и экспертным оценкам время наработки на отказ заявляемого инвертора может быть увеличено на 40÷50%.
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, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку, эффективной компенсации реактивности нагрузки).
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.