АВТОНОМНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ИНВЕРТОР С РЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ
STAND-ALONE MATCHED INVERTER WITH RESONANT COMMUTATION

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при проектировании источников питания нового поколения для индукционных нагревателей различного назначения и других электротехнологических нагрузок. Изобретение расширяет область применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Известен автономный инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях, выводы постоянного тока моста зашунтированы встречным диодом, выводы переменного тока моста соединены с выходными выводами 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 ограниченная область применения. Это обусловлено узким диапазоном регулирования выходных электрических параметров, низкой надежностью работы, высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях и встречном диоде и скоростями изменения токов управляемых вентилей, что может привести к выходу их из строя, а также высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречного диода, что может вызывать сбои в системе управления инвертора и выход всего устройства из строя.
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, выводы переменного тока моста соединены с выходными выводами инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора 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 ограниченная область применения. Это обусловлено узким диапазоном регулирования выходных электрических параметров, низкой надежностью работы, высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, 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 и выход всего устройства из строя.
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, выводы постоянного тока моста зашунтированы конденсатором фильтра, выводы переменного тока моста соединены с выходными выводами инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором (Пат. 61964 РФ, МКИ H02M 7/00. Автономный согласованный резонансный инвертор / Силкин Е.М. - Заявл. 13.11.06. Опубл. 10.03.07. БИПМ №7).
Указанный автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является ограниченная область применения. Это обусловлено узким диапазоном регулирования выходных электрических параметров, низкой надежностью работы, недостатками в конструкции коммутирующих и фильтровых дросселей, высокими уровнями коммутационных перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах из-за резкого обрыва тока при выключении, что может вызвать электрический пробой управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, а также высокими уровнями электромагнитных помех, что может приводить к выходу управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов из строя из-за перегрева структуры и сбоям в системе управления инвертора, приводящих к системному отказу, то есть выходу из строя всего устройства в целом.
Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что является необходимым техническим результатом и целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что в автономном согласованном инверторе с резонансной коммутацией, содержащем подключенный к входным выводам инвертора через дроссели насыщения и магнитосвязанные дроссели фильтра, включенные согласно, однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированных последовательными цепями из конденсатора и резистора, выводы постоянного тока моста зашунтированы конденсатором фильтра и последовательной цепью из двух демпферных конденсаторов, общая точка соединения которых подключена к выводу корпуса инвертора через демпферный резистор, выводы переменного тока моста зашунтированы последовательной цепью из защитного резистора и защитного конденсатора и соединены с выходными выводами инвертора через последовательные цепи из коммутирующих дросселей и ограничительных дросселей насыщения, коммутирующие дроссели магнитосвязаны и включены согласно, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является расширение области применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что достигается расширением диапазона эффективного регулирования выходных электрических параметров, повышением надежности работы, оптимизацией конструкции коммутирующих и фильтровых дросселей, комплексным снижением максимальных уровней токов элементов за счет уменьшения общих электрических потерь и перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, снижением уровней электромагнитных помех, исключением режимов перегрева структуры управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов и сбоев в системе управления инвертора. Новый автономный согласованный инвертор может быть использован для ответственных применений.
Повышение надежности работы согласованного инвертора с резонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора, порядком их включения, новыми связями и новыми конструктивными решениями, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией являются существенными.
На рисунке приведена схема нового автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией содержит подключенный к входным выводам инвертора через дроссели насыщения 1, 2 и магнитосвязанные дроссели 3, 4 фильтра, включенные согласно, однофазный мост на управляемых вентилях 5-8 с встречно-параллельными диодами 9-12, зашунтированных последовательными цепями из конденсатора 13-16 и резистора 17-20, выводы постоянного тока моста зашунтированы конденсатором фильтра 21 и последовательной цепью из двух демпферных конденсаторов 22, 23, общая точка соединения которых подключена к выводу корпуса инвертора через демпферный резистор 24, выводы переменного тока моста зашунтированы последовательной цепью из защитного конденсатора 25 и защитного резистора 26 и соединены с выходными выводами инвертора через последовательные цепи из коммутирующих дросселей 27, 28 и ограничительных дросселей насыщения 29, 30, коммутирующие дроссели магнитосвязаны и включены согласно, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором 31. Нагрузка 32 подключена к выходным выводам инвертора.
Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 5, 8 и 6, 7 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала инвертора. Значения индуктивностей дросселей 3, 4 фильтра выбраны достаточными для качественной фильтрации тока и напряжения на входе однофазного моста. В режимах малой нагрузки и при регулировании выходных электрических параметров индуктивность дросселей 1, 2 насыщения увеличивается, что улучшает их фильтрующие свойства и предотвращает возможное прерывание входного тока инвертора. Выполнение дросселей 3, 4 фильтра магнитосвязанными и согласное их включение оптимизируют конструкции, снижают общее число их витков, сопротивление обмоток и электрические потери в дросселях 3, 4 и элементах устройства в целом. Компенсирующий конденсатор 31 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (нагрузки) 32 и последовательную компенсацию реактивной мощности коммутирующих дросселей 27, 28. Коммутирующие дроссели 27, 28 могут выполняться в виде самостоятельных элементов или представлять собой индуктивность нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей). Выполнение коммутирующих дросселей 27, 28 магнитосвязанными и согласное их включение (вариант самостоятельных элементов) аналогично дросселям 3, 4 фильтра оптимизируют конструкции, снижают общее число их витков, сопротивление обмоток и электрические потери в дросселях 27, 28 и элементах устройства в целом. Работа дросселей насыщения 29, 30 ограничивает скорости нарастания и спада токов через вентили 5-8 и встречно-параллельные диоды 9-12 и снижает коммутационные потери в них. Снижение коммутационных потерь и перенапряжений осуществляется также последовательной цепью из защитного конденсатора 25 и защитного резистора 26, шунтирующей выводы переменного тока моста инвертора. Кроме того, коммутационные потери и перенапряжения ограничиваются последовательными цепями из конденсатора 13-16 и резистора 17-20, включенными параллельно управляемым вентилям 5-8 и встречно-параллельным диодам 9-12, и последовательной цепью из двух демпферных конденсаторов 22, 23, общая точка соединения которых подключена к выводу корпуса инвертора через демпферный резистор 24. Узел из элементов 22-24 эффективно защищает систему управления инвертора от электромагнитных помех, что повышает надежность работы устройства.
Полный цикл (период) выходного сигнала автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией состоит из двух равных временных интервалов (полупериодов), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 5-8 и встречно-параллельных диодов 9-12. В каждом полупериоде в общем случае можно выделить три различных по характеру электромагнитных процессов временных интервала (одновременной работы двух управляемых вентилей (5, 8 или 6, 7) однофазного моста, двух смежных встречно-параллельных диодов (9, 12 или 10, 11), а также паузы в работе управляемых вентилей (5-8) и встречно-параллельных диодов (9-12). Основной интервал соответствует интервалу одновременной проводимости двух управляемых вентилей однофазного моста 5, 8 или 6, 7. Два других интервала целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов инвертора, что обеспечивает высокие энергетические показатели устройства. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов (9, 12 или 10, 11) к выключившимся управляемым вентилям (5, 8 или 6, 7) прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на встречно-параллельном диоде (9-12), и управляемые вентили (5-8) могут восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей). В этом случае длительность второго интервала устанавливается исходя из требуемого времени выключения используемых управляемых вентилей 5-8.
В момент включения (начало полупериода), например, управляемых вентилей 5, 8 напряжение на компенсирующем конденсаторе 31 имеет условно отрицательную полярность (положительный потенциал на нижней по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 31). Напряжение на компенсирующем конденсаторе 31 изменяется по колебательному закону. Уровень напряжения на компенсирующем конденсаторе 31 в момент включения управляемых вентилей 5, 8 ниже уровня амплитудного значения этого напряжения. Включение управляемых вентилей 5, 8 осуществляется с опережением относительно момента перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 31 относительно нулевого уровня. Ток через параллельный нагрузочный контур, образованный индукционным нагревателем 32 и компенсирующим конденсатором 31, начинает протекать от конденсатора 21 фильтра автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией по цепи: 21-5-27-29-(31, 32)-30-28-8-21. Конденсатор фильтра 21 имеет достаточную емкость для качественного сглаживания напряжения на входе однофазного моста. Заряд конденсатора фильтра 21 осуществляется от источника питания автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией по цепи: «+»-1-3-21-4-2-«-». Компенсирующий конденсатор 31 разряжается и колебательно перезаряжается до напряжения условно положительной полярности (положительный потенциал на верхней по схеме обкладке). Параметры цепи: 21-5-27-29-(31, 32)-30-28-8-21 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 27, 28 и нескомпенсированной частью емкости компенсирующего конденсатора 31. Ток управляемых вентилей 5, 8 вначале возрастает, а затем спадает по квазиколебательному закону. В момент равенства тока управляемых вентилей 5, 8 нулю они выключаются. В момент выключения управляемых вентилей 5, 8 заканчивается первый интервал полупериода (одновременной проводимости управляемых вентилей однофазного моста). После выключения управляемых вентилей 5, 8 включаются встречно-параллельные диоды 9, 12. Возникает колебательный ток разряда компенсирующего конденсатора 31 по цепи: (31, 32)-29-27-9-21-12-28-30-(31, 32). Одновременно компенсирующий конденсатор 31 продолжает перезаряжаться через нагрузку 32. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 9, 12 к выключившимся управляемым вентилям 5, 8 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующем встречно-параллельном диоде 9, 12, и управляемые вентили 5, 8 могут восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей). К моменту выключения встречно-параллельных диодов 9, 12 заканчивается второй интервал полупериода. Далее через интервал паузы (третий интервал полупериода) с опережением относительно момента перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 31 через нуль включаются управляемые вентили 6, 7. Компенсирующий конденсатор 31 в указанный момент времени заряжен с условно положительной полярностью (положительный потенциал на нижней по схеме обкладке конденсатора 31) напряжения и колебательно перезаряжается до напряжения противоположной полярности (отрицательный потенциал на нижней по схеме обкладке конденсатора 31). С момента включения управляемых вентилей 6, 7 заканчивается первый полупериод в работе инвертора. Во втором полупериоде при работе управляемых вентилей 6, 7 и встречно-параллельных диодов 10, 11 электромагнитные процессы в автономном согласованном инверторе с резонансной коммутацией протекают аналогично, но токи через нагрузочный контур (31, 32) с индукционным нагревателем 32 на временных интервалах второго полупериода имеют противоположное направление. По окончании второго полупериода снова включается управляемые вентили 5, 8. Далее электромагнитные процессы в инверторе (новый период выходного сигнала) полностью повторяются.
Управляемые вентили 5-8 при реализации автономного согласованного резонансного инвертора 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). Двухоперационные вентили также могут быть включены только в два плеча или в одну из групп (анодную или катодную) однофазного моста инвертора. При этом в двух других плечах или другой группе однофазного моста могут быть использованы однооперационные вентили.
Дроссели 3, 4 фильтра могут не иметь магнитной связи, либо может быть использован один дроссель (3 или 4) фильтра и один дроссель насыщения (1 или 2). Аналогично коммутирующие дроссели 27, 28 также могут не иметь магнитной связи и может быть использован один коммутирующий дроссель (27 или 28) и один ограничительный дроссель насыщения (29 или 30). В общем случае коммутирующий дроссель (27, 28) может иметь совмещенную конструкцию с ограничительным дросселем насыщения (29, 30). Аналогичную конструкцию могут иметь дроссели 3, 4 фильтра и насыщения 1, 2. Принцип работы инвертора при этом не изменяется. Заявляемая симметричная схема обеспечивает повышенную надежность работы устройства. Ограничительные дроссели насыщения 29, 30 выполняются, например, в форме замкнутых сердечников из ферромагнитного материала с прямоугольной петлей гистерезиса, охватывающих части соединительных (отводящих) шин или кабелей устройства. Дроссели насыщения 1, 2 реализуются выполнением сердечника (сердечников) дросселей фильтра 3, 4 с переменным сечением либо одновременным применением в сердечнике (сердечниках) магнитных материалов с различной индукцией насыщения.
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Инвертор может быть эффективно использован в ответственных электротехнологиях. Это достигается комплексным снижением величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов за счет использования параллельной компенсации реактивности индукционного нагревателя (нагрузки), уменьшением электрических потерь, уровней перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, возникающих при их коммутациях, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, за счет работы дросселей насыщения и последовательной цепей из резистора и конденсатора, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра и коммутирующих дросселей. Повышается устойчивость работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией и уменьшается вероятность срывов инвертирования при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель), а также сбоев в системе управления инвертора. Расширяется диапазон регулирования инвертора и диапазон возможных нагрузок. Существенно повышается помехоустойчивость системы управления инвертора. Надежность работы нового автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией возрастает.
Повышение надежности автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией оценивается по времени наработки устройства на отказ. В соответствии с экспериментальными исследованиями и экспертными оценками время наработки на отказ заявляемого инвертора может быть увеличено на 25-30%. Повышение надежности работы, как отмечено, расширяет область применения инвертора и позволяет использовать его в особо ответственных приложениях.
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части инвертора и снижена цена устройства за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой. Это также расширяет и область применения инвертора.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией 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) и снижения потерь в магнитосвязанных дросселях.