АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ
SELF-EXCITED VOLTAGE INVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для трехфазных нагрузок с индуктивностью, в частности для асинхронных и синхронных электродвигателей. Изобретение направлено на повышение надежности работы автономного инвертора напряжения.
Известен автономный инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения (К синтезу напряжений управления транзисторным инвертором / А.Х.Шогенов и др. // Электротехника. - 2000. - №4. - С.21-23).
Недостатком автономного инвертора напряжения является низкая надежность работы на нагрузку с индуктивностью, что обусловлено "жесткими" коммутациями транзисторов и "крутыми" фронтами импульсов выходного напряжения, высокими электрическими потерями в вентилях и нагрузке, ухудшенной электромагнитной совместимостью инвертора с питающей сетью и нагрузкой из-за высоких электромагнитных помех при работе, что может приводить к сбоям в системе управления и выходу автономного инвертора напряжения из строя.
Известен автономный инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения, входные выводы инвертора напряжения зашунтированы конденсатором (Преобразователи частоты фирмы Siemens / A.Бармин, М.Ташлицкий // СТА - 2000, №4. - С.6-19).
Недостатком автономного инвертора напряжения является низкая надежность работы на нагрузку с индуктивностью, что обусловлено "жесткими" коммутациями транзисторов и "крутыми" фронтами импульсов выходного напряжения, высокими электрическими потерями в вентилях и нагрузке, ухудшенной электромагнитной совместимостью инвертора с питающей сетью и нагрузкой из-за высоких электромагнитных помех при работе, что может приводить к сбоям в системе управления и выходу автономного инвертора напряжения из строя.
Известен автономный инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения, три датчика тока, включенные в цепи выходных выводов инвертора напряжения (Анализ и оптимизация алгоритмов управления в частотно-регулируемых электроприводах с инверторами напряжения / В.Л.Грузов и др. // Электротехника. - 2000. - №4. - С.15-20).
Недостатком автономного инвертора напряжения является низкая надежность работы на нагрузку с индуктивностью, что обусловлено "жесткими" коммутациями транзисторов и "крутыми" фронтами импульсов выходного напряжения, высокими электрическими потерями в вентилях и нагрузке, ухудшенной электромагнитной совместимостью инвертора с питающей сетью и нагрузкой из-за высоких электромагнитных помех при работе, что может приводить к сбоям в системе управления и выходу автономного инвертора напряжения из строя.
Известен автономный инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения, три датчика тока, включенные в цепи выходных выводов инвертора напряжения, отличающийся тем, что транзисторы зашунтированы конденсаторами и варисторами, трехфазный мост на транзисторах зашунтирован ограничителем напряжения и последовательной цепью из двух конденсаторов, общая точка соединения которых подключена к выводу заземления инвертора напряжения, инвертор напряжения снабжен шестью последовательными цепями, содержащими двухвходовую схему И и выходной каскад, выходы выходных каскадов соединены с управляющими электродами транзисторов, распределителем импульсов, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовых схем И, задающим генератором, выход которого соединен с входом распределителя импульсов, шестью компараторами, выходы которых соединены с вторыми входами двухвходовых схем И, а входы попарно объединены и подключены к выходам датчиков тока (П. 2210152, РФ, МКИ H02H 7\122. Инвертор напряжения \ Силкин Е.М., Силкин М.Е. - Заявл. 18.07.01, Опубл. 10.08.03, БИ №22).
Известный автономный инвертор напряжения является наиболее близким по технической сущности к изобретению и рассматривается в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является недостаточная надежность работы автономного инвертора напряжения из-за возможных режимов прямого разряда конденсаторов, шунтирующих транзисторы, при сбросах нагрузки, если электромагнитной энергии, накопленной в полях индуктивностей нагрузки, недостаточно для их полного разряда. Это обусловливает "жесткую" коммутацию транзисторов с "крутыми" фронтами нарастания тока через них, что может привести к выходу транзисторов из строя.
Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы автономного инвертора напряжения на изменяющуюся нагрузку с индуктивностью, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что в автономном инверторе напряжения, содержащем подключенный к входным выводам трехфазный мост на транзисторах, зашунтированных встречными диодами, выходные выводы которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения, три датчика тока, включенные в цепи выходных выводов инвертора напряжения, транзисторы зашунтированы конденсаторами и варисторами, трехфазный мост на транзисторах зашунтирован ограничителем напряжения и последовательной цепью из двух конденсаторов, общая точка соединения которых подключена к выводу заземления инвертора напряжения, инвертор напряжения снабжен шестью последовательными цепями, содержащими двухвходовую схему И и выходной каскад, выходы выходных каскадов соединены с управляющими электродами транзисторов, распределителем импульсов, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовых схем И, задающим генератором, выход которого соединен с входом распределителя импульсов, шестью компараторами, выходы которых соединены с вторыми входами двухвходовых схем И, а входы попарно объединены и подключены к выходам датчиков тока, выходные выводы трехфазного моста попарно зашунтированы дополнительными снабберными конденсаторами.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы автономного инвертора напряжения на изменяющуюся нагрузку с индуктивностью, за счет обеспечения возможности уменьшения величин емкостей конденсаторов, шунтирующих транзисторы, при полном сохранении условий "мягкой" коммутации транзисторов, "пологих" фронтов импульсов выходного напряжения, шунтирования высокочастотных составляющих и ограничения уровней коммутационных перенапряжений при включениях и выключениях транзисторов и диодов.
Повышение надежности работы автономного инвертора напряжения на изменяющуюся нагрузку с индуктивностью является полученным техническим результатом, обусловленным введением новых элементов и связей, т.е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого автономного инвертора напряжения являются существенными.
На фиг.1 приведена схема автономного инвертора напряжения, на фиг.2 изображены временные диаграммы сигналов в элементах схемы.
Автономный инвертор напряжения содержит подключенный к входным выводам трехфазный мост на шести транзисторах 1-6, зашунтированных встречными диодами 7-12, выходные выводы которого соединены с выходными выводами 13 инвертора напряжения, три датчика тока 14-16, включенные в цепи выходных выводов инвертора напряжения, шесть конденсаторов 17-22 и шесть варисторов 23-28, шунтирующих транзисторы трехфазного моста, ограничитель напряжения 29 и последовательную цепь из двух конденсаторов 30, 31, шунтирующих трехфазный мост, общая точка соединения которых подключена к выводу заземления инвертора напряжения, шесть последовательных цепей, содержащих двухвходовую схему И 32-37 и выходной каскад 38-43, выходы выходных каскадов соединены с управляющими электродами транзисторов, распределитель импульсов 44, выходы которого соединены с первыми входами двухвходовых схем И, задающий генератор 45, выход которого соединен с входом распределителя импульсов, шесть компараторов 46-51, выходы которых соединены с вторыми входами двухвходовых схем И, а входы объединены попарно и подключены к выходам датчиков тока. Выходные выводы трехфазного моста попарно зашунтированы снабберными конденсаторами 52-54.
3
6
9
12
15
18
2
5
8
11
14
17
20
0
2
3
5
6
8
8
11
15
17
18
20
Автономный инвертор напряжения работает следующим образом. Условно положительные направления токов в фазах автономного инвертора напряжения обозначены на фиг.1 сплошными стрелками, а отрицательные направления показаны пунктирными стрелками. На выходах компараторов 46, 48, 50 разрешающий единичный сигнал формируется при токе, равном нулю, и при положительном токе соответствующей фазы. На выходах компараторов 47, 49, 51 разрешающий единичный сигнал формируется при токе, равном нулю, и при отрицательном токе соответствующей фазы. Задающий генератор 45 вырабатывает импульсы с частотой, превышающей выходную частоту инвертора напряжения в шесть раз (диаграмма 1, фиг.2). На выходах распределителя импульсов 44 из импульсов задающего генератора 45 формируется система импульсных сигналов 1-6 с периодом Т (диаграммы 2-4, фиг.2), обеспечивающая синхронизацию моментов подачи импульсов управления транзисторами 1-6 и формирование трехфазного напряжения в нагрузке 13 (диаграммы 8-10, фиг.2). При этом моменты выключения транзисторов 1-6 (t, t, t, t, t, t) синхронизируются с указанными импульсными сигналами 1-6, а моменты включения (t, t, t, t, t, t, t) определяются электромагнитными процессами в схеме инвертора напряжения (диаграммы 5-7, фиг.2). Смещение фронта импульса управления каждого транзистора 1-6 на диаграммах 5-7, фиг.2 (интервалы: t-t, t-t, t-t, t-t, t-t, t-t) осуществляется отключением соответствующего выхода распределителя импульсов 44 от выходного каскада 38-43 двухвходовой схемой И 32-37 по запрещающему нулевому сигналу компаратора 46-51 и сигналу датчика тока 14-16, если ток фазы на заданном временном интервале имеет направление, противоположное направлению протекания прямого тока для соответствующего транзистора 1-6.
0
0
1
0
1
1
1
1
1
2
2
3
0
20
5
8
11
14
17
20
В момент времени t производится выключение транзистора 2. Так как по законам коммутации напряжения на конденсаторах 18, 53 не могут измениться скачком, то выключение транзистора 2 осуществляется при напряжении на нем, близком к нулевому уровню (конденсаторы 18, 53 в интервале проводимости транзистора 2 зашунтированы указанным транзистором 2 и разряжены). Конденсаторы 17, 52 в момент выключения транзистора 2 заряжены до напряжения источника питания +Е, причем конденсатор 52 заряжен с полярностью + на левой по схеме обкладке, а конденсаторы 18, 53 полностью разряжены. При этом во включенном состоянии находятся транзисторы 4, 5. Ток в фазе «а» продолжает протекать в отрицательном направлении за счет энергии, накопленной в индуктивности фазы «а», по контурам: 13(а)-14-17-5-16-13(с)-13(а); 13(а)-14-16-4-15-13(в)-13(а), 13(а)-14-52-5-16-13(с)-13(а) и 13(а)-14-4-53-15-13(в)-13(а). В интервале t-t за счет энергии индуктивности происходит разряд конденсаторов 17, 52 и заряд конденсаторов 18, 53 по колебательному закону. Пары конденсаторы 17, 52 и 18, 53 на этом интервале включены параллельно. При этом напряжение на конденсаторах 18, 52 плавно возрастает, а на конденсаторах 17, 53 плавно снижается. Напряжение на фазе «а» нагрузки 13 плавно изменяется от -Е/3 до +Е/3 (диаграмма 8, фиг.2). Напряжения в фазах «в» и «с» (диаграммы 9, 10, фиг.2, соответственно) соответственно изменяются от -Е/3 до -2Е/3 и от +2Е/3 до +Е/3. Через нагрузку 13 фазы «в» протекает отрицательный ток по контуру: 13(в)-15-4-Е-5-16-13(с)-13(в). Через нагрузку 13 фазы «с» протекает положительный ток по контуру: 13(с)-13(в)-15-4-Е-5-16-13(с). В интервале t-t транзистор 1 включиться не может, так как компаратор 46 по сигналу датчика тока 14 при протекании отрицательного тока в фазе «а» формирует запрещающий нулевой сигнал. В момент времени t конденсаторы 17, 52 разряжается до нуля, а конденсаторы 18, 53 заряжаются до напряжения источника питания +Е. Параметры элементов схемы инвертора выбраны так, что в момент времени t в индуктивности нагрузки 13 фазы «а» еще имеется небольшой запас реактивной энергии. В результате в момент времени t включается встречный диод 7 и через нагрузку 13 фазы «а» продолжает протекать отрицательный ток по контуру: 13(а)-14-7-5-16-13(с)-13(а). При этом на выходе компаратора 46 продолжает действовать запрещающий нулевой сигнал для транзистора 1, и он не может включиться. На транзисторе 1 в интервале t-t напряжение равно падению напряжения на встречном диоде (близкое к нулевому уровню отрицательное напряжение), а на транзисторе 2 напряжение максимально и равно напряжению источника питания +Е. При этом напряжение на нагрузке 13 в фазе «а» не изменяется и равно +Е/3, в фазе «в» равно -2Е/3, в фазе «с» равно +Е/3. В момент времени t ток в фазе «а» становится равным нулевому значению (энергия, накопленная в индуктивности нагрузки 13 фазы «а» полностью израсходована). На выходе компаратора 46 формируется разрешающий единичный сигнал для двухвходовой схемы И 32 и подается импульс управления на транзистор 1 (диаграмма 5, фиг.2). При этом транзистор 1 включается при напряжении на нем, равном нулевому уровню. Напряжение на нагрузке 13 в фазе «а» равно +Е/3, в фазе «в» равно -2E/3, в фазе «с» равно +Е/3. Далее в момент времени t производится выключение транзистора 5. При выключении транзистора 5 электромагнитные процессы протекают аналогично описанным ранее для транзистора 2. Для заявляемого автономного инвертора напряжения также возможно применение управления по принципу многократной двухполярной модуляции. При этом электромагнитные процессы также протекают аналогично описанным выше. Отмеченные на фиг.2 моменты времени от t до t описывают полный цикл работы автономного инвертора напряжения. Транзистор 6 включается в момент времени t, транзистор 3 - в момент времени t, транзистор 2 - в момент времени t, транзистор 5 - в момент времени t, транзистор 4 - в момент времени t и транзистор 1 - в момент времени t.
Шунтирующие 17-22 и снабберные 52-54 конденсаторы в интервалах коммутации работают, как отмечено, параллельно, обеспечивая режим квазирезонансного переключения. Характер колебательного процесса перезаряда указанных конденсаторов 17-22 и 52-54 определяется величиной их общей емкости (емкости работающих пар). В результате можно значительно уменьшить величины емкостей конденсаторов 17-22 при одновременном увеличении емкостей снабберных конденсаторов 52-54 (с сохранением необходимой общей емкости работающих пар). Это позволяет снизить возможные разрядные токи шунтирующих конденсаторов 17-22 с высокими амплитудами и скоростями нарастания на транзисторы 1-6 при возможных сбросах нагрузки 13, когда электромагнитной энергии, накопленной в полях индуктивностей нагрузки 13, недостаточно для перезаряда емкостей 17-22 и 52-54.
Варисторы 23-28 и ограничитель напряжения 29 обеспечивают ограничение уровней импульсных перенапряжений на элементах схемы инвертора напряжения, вызванных изменениями токов на индуктивностях шин и монтажа при коммутациях транзисторов 1-6 и диодов 7-12. Конденсаторы 30, 31 шунтируют на вывод заземления высокочастотные перенапряжения на входных выводах инвертора напряжения. В результате улучшается электромагнитная совместимость автономного инвертора напряжения с питающей сетью и нагрузкой.
Распределитель импульсов 44 может быть выполнен по любой из известных схем, например, на основе суммирующего счетчика и схемы памяти. Компараторы 46-51 выполняются на основе быстродействующих операционных усилителей. В качестве выходных каскадов 38-43 могут быть использованы микросхемы электронных драйверов для транзисторов с полевым управлением типа MOSFET или IGBT. Датчики тока 14-16 выполняются на основе элементов Холла.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы автономного инвертора напряжения за счет улучшения условий работы транзисторов и диодов и снижения коммутационных потерь, в том числе за счет обеспечения возможности значительного уменьшения величин емкостей конденсаторов, шунтирующих транзисторы, при полном сохранении условий "мягкой" коммутации транзисторов трехфазного моста, "пологих" фронтов импульсов выходного напряжения, шунтирования высокочастотных составляющих и ограничения уровней коммутационных перенапряжений при включениях и выключениях транзисторов и диодов за счет работы дополнительных снабберных конденсаторов. Отрицательное влияние режимов, когда накопленной индуктивностями энергии недостаточно для полного разряда шунтирующих и снабберных конденсаторов, значительно снижается.
Также улучшается электромагнитная совместимость преобразователя частоты, выполненного на основе заявляемого автономного инвертора напряжения, с питающей сетью и нагрузкой. За счет обеспечения "мягкой" (квазирезонансной) коммутации при нулевых уровнях напряжений для транзисторов и диодов, исключения протекания "сквозных" токов, ограничения уровней высокочастотных перенапряжений уровень электромагнитных помех для заявляемого инвертора напряжения может быть снижен более чем в 60 раз. Улучшается гармонический состав выходного напряжения, что важно при малом числе переключений транзисторов на периоде. Улучшение электромагнитной совместимости преобразователя частоты на основе заявляемого автономного инвертора напряжения исключает вероятность сбоев в его системе управления, что также повышает надежность работы на изменяющуюся нагрузку с индуктивностью.
Повышается коэффициент полезного действия автономного инвертора напряжения за счет уменьшения потерь электрических на элементах схемы инвертора и нагрузке при отсутствии "крутых" фронтов напряжения.
Уменьшается стоимость элементов автономного инвертора напряжения за счет возможности использования элементов (транзисторов, диодов и др.) на меньшие допустимые токи и напряжения.
Улучшается работа автономного инвертора напряжения в динамических режимах при сбросах и набросах нагрузки за счет обеспечения режима квазирезонансной коммутации транзисторов.