АВТОНОМНЫЙ ОДНОКЛЮЧЕВОЙ ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения.
Известен автономный одноключевой параллельный инвертор напряжения, содержащий подключенную к входным выводам последовательную цепь, включающую выходные выводы, зашунтированные компенсирующим конденсатором, и двухоперационный вентиль с встречно-параллельным диодом (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 одноключевого параллельного инвертора напряжения является низкая надежность работы на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку, имеющую индуктивный характер и высокую добротность. Это обусловлено высокими уровнями коммутационных потерь и перенапряжений на двухоперационном вентиле и встречно-параллельном диоде, высокими уровнями токов через двухоперационный вентиль и встречно-параллельный диод из-за наличия постоянной составляющей в токе нагрузки, что может привести к выходу их из строя. При подключении нагрузки через согласующий трансформатор из-за постоянного потока подмагничивания возможно насыщение сердечника трансформатора и резкое возрастанию тока через элементы схемы, что также может привести к выходу их из строя.
Известен автономный одноключевой параллельный инвертор напряжения, содержащий подключенную к входным выводам через дроссель фильтра последовательную цепь, включающую выходные выводы, зашунтированные компенсирующим конденсатором, и двухоперационный вентиль, зашунтированную разделительным конденсатором (А.с. 1800659 СССР, МКИ Н05В 6\06. Устройство для индукционного нагрева \ С.В.Дзлиев, Е.М.Силкин, С.Н.Тазихин и др. - Заявл. 15.10.90, Опубл. 09.10.92, Б.И. №9).
Недостатком автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения является низкая надежность работы на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку, имеющую индуктивный характер и высокую добротность. Это обусловлено высокими уровнями коммутационных потерь и перенапряжений на двухоперационном вентиле и встречно-параллельном диоде, высокими уровнями токов через двухоперационный вентиль и встречно-параллельный диод из-за наличия постоянной составляющей в токе нагрузки, что может привести к выходу их из строя. При подключении нагрузки через согласующий трансформатор из-за постоянного потока подмагничивания возможно насыщение сердечника трансформатора и резкое возрастанию тока через элементы схемы, что также может привести к выходу их из строя.
Известен автономный одноключевой параллельный инвертор напряжения, содержащий подключенную к входным выводам через дроссели фильтра последовательную цепь, включающую выходные выводы и компенсирующий конденсатор, зашунтированный двухоперационным вентилем с встречно-параллельным диодом, зашунтированную разделительным конденсатором (П. 20020711 РФ, МКИ Н05М 5\458. Способ управления преобразователем частоты \ Е.М.Силкин, Г.В.Мизин, А.И.Пахалин и др. - Заявл. 23.01.92, Опубл. 30.09.94, Б.И. №18)
Указанный автономный одноключевой параллельный инвертор напряжения является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения является низкая надежность работы на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку, имеющую индуктивный характер и высокую добротность. Это обусловлено высокими уровнями коммутационных потерь и перенапряжений на двухоперационном вентиле и встречно-параллельном диоде, высокими уровнями токов через двухоперационный вентиль и встречно-параллельный диод из-за наличия постоянной составляющей в токе нагрузки, что может привести к выходу их из строя. При подключении нагрузки через согласующий трансформатор из-за постоянного потока подмагничивания возможно насыщение сердечника трансформатора и резкое возрастанию тока через элементы схемы, что также может привести к выходу их из строя.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что автономный одноключевой параллельный инвертор напряжения содержит подключенную к входным выводам через дроссель фильтра последовательную цепь, включающую выходные выводы и конденсатор фильтра, зашунтированную двухоперационным вентилем с встречно-параллельным диодом и компенсирующим конденсатором.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку, имеющую индуктивный характер и высокую добротность, что достигается существенным снижением уровней коммутационных потерь и перенапряжений на двухоперационном вентиле и встречно-параллельном диоде, уровней токов через них из-за исключения постоянной составляющей в токе нагрузки, что снижает вероятность выхода двухоперационного вентиля и встречно-параллельного диода, а также других элементов схемы из строя.
Повышение надежности работы инвертора напряжения является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами и новым порядком включения элементов в схеме автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения, реализуемым способом управления, соотношением параметров и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения являются существенными.
На рисунке приведена схема автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения.
Автономный одноключевой параллельный инвертор напряжения содержит подключенную к входным выводам через дроссель фильтра 1 последовательную цепь, включающую выходные выводы 2 и конденсатор фильтра 3, зашунтированную двухоперационным вентилем 4 с встречно-параллельным диодом 5 и компенсирующим конденсатором 6. Нагрузка (индуктор) подключается к выходным выводам автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения.
Автономный одноключевой параллельный инвертор напряжения в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на двухоперационный вентиль 4 подаются в моменты перехода напряжения на нем через ноль с положительной (+ сверху по схеме) в отрицательную область значений (не позднее момента выключения встречно-параллельного диода 5). Двухоперационный вентиль 4 включается и проводит ток на части периода выходного переменного напряжения. Выключение полностью управляемого вентиля 4 производится позднее прогнозируемого интервала времени. В момент равенства напряжения на компенсирующем конденсаторе 6 нулевому уровню включается встречно-параллельный диод 5 (при условно отрицательной полярности напряжения на компенсирующем конденсаторе 6). Условно положительная полярность напряжения на компенсирующем конденсаторе 6 обусловлено свободным переходным процессом в параллельном нагрузочном колебательном контуре 2, 6. Двухоперационный вентиль 4 в интервалах проводимости встречно-параллельного диода 5 тока не проводят (даже если на него подан управляющий сигнал). После выключения встречно-параллельного диода 5 двухоперационный вентиль 4 вступает в работу и начинает проводить ток, который нарастает по квазилинейному закону до момента его отключения (снятия управляющего импульса). Двухоперационный вентиль 4 и встречно-параллельный диод 5, таким образом, проводят ток в течение суммарного интервала времени, превышающего четверть периода выходного переменного напряжения в условно отрицательном полупериоде. Период (полный цикл работы инвертора) выходного переменного напряжения соответствует полному циклу работы двухоперационного вентиля 4, встречно-параллельного диода 5 и интервалу паузы. В интервале паузы через индуктор 2 протекает ток дросселя фильтра 1 условно положительного направления.
Компенсирующий конденсатор 6 обеспечивает параллельную компенсацию реактивности нагрузки 2, имеющей индуктивный характер и высокую добротность. Собственная частота параллельного нагрузочного колебательного контура 2, 6 несколько выше частоты выходного переменного напряжения автономного одноключевого параллельного инвертора.
Дроссель фильтра 1 обеспечивает условия для нормальной коммутации двухоперационного вентиля 4 и встречно-параллельного диода 5, разделяет цепи постоянного и переменного тока, осуществляет защиту элементов автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения при коротких замыканиях в нагрузке 2, неисправных элементах схемы, при выходе из строя двухоперационного вентиля 4 и (или) встречно-параллельного диода 5, и ограничение тока при глухом закорачивании выводов нагрузки (индуктора) 2 на «землю» (корпус) устройства. Дроссель фильтра 1 также служит для фильтрации переменной составляющей напряжения на конденсаторе фильтра 3 и уменьшения влияния на источник питания автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения или фильтрации переменной составляющей тока источника питания автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения, то есть для сглаживания входного тока. Конденсатор фильтра 3 обеспечивает эффективную фильтрацию напряжения на выводах постоянного тока последовательной цепи.
Включение двухоперационного вентиля 4 осуществляется при нулевых значениях тока и напряжения на нем. Выключение двухоперационного вентиля 4 происходит при максимальном токе через него. Однако за счет действия компенсирующего конденсатора 6, шунтирующего нагрузку 2, перенапряжения в схеме инвертора отсутствуют (коммутация при нулевом напряжении), а коммутационные потери при выключении двухоперационного вентиля 4 и встречно-параллельного диода 5 незначительны.
Параллельная компенсация реактивности нагрузки 2 является наиболее предпочтительной при высокой добротности, так как обеспечивает протекание минимально возможных токов через элементы схемы автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения.
Ток через нагрузку 2 не содержит постоянной составляющей из-за разделительных свойств конденсатора фильтра 3, который включен последовательно с нагрузкой 2 и не пропускает постоянный ток. Ток через нагрузку 2 имеет квазисинусоидальную форму, обеспечиваемую выраженными фильтрующими свойствами параллельного нагрузочного контура 2, 6.
Полностью управляемый вентиль 4 при реализации автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения может быть выполнен как на двухоперационных тиристорах, так и на транзисторах различных типов, а также на комбинированных ключах и аналогах полностью управляемых вентилей на обычных тиристорах.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку с высокой добротностью. Это достигается за счет снижения величин токов двухоперационного вентиля и встречно-параллельного диода (более чем на 30%), уровней перенапряжений на двухоперационном вентиле и встречно-параллельном диоде, возникающих при их коммутациях, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении двухоперационного вентиля и встречно-параллельного диода, нежесткой коммутацией двухоерационного вентиля, отсутствия постоянной составляющей в токе нагрузки, что обеспечивает получение заданной мощности автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения при меньших уровнях рабочих токов через двухоперационный вентиль и встречно-параллельный диод, исключения аварийного режима насыщения сердечника согласующего трансформатора постоянным потоком подмагничивания при подключении нагрузки через согласующий трансформатор. Повышается устойчивость работы автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения и вероятность срывов инвертирования при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель) при сбоях в системе управления инвертора.
Дополнительно, по сравнению с прототипом, может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения и расширена область его применения за счет обеспечения возможности использования двухоперационного вентиля и встречно-параллельного диода со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.
По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается коэффициент полезного действия автономного одноключевого параллельного инвертора напряжения за счет уменьшения токов и коммутационных потерь энергии в двухоперационном вентиле и встречно-параллельном диоде (снижение уровней коммутационных перенапряжений, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку), отсутствия постоянной составляющей в токе нагрузки