ИНВЕРТОР

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 инвертора.
Известен инвертор, содержащий подключенный к входным выводам инвертора однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выходные выводы однофазного моста подключены к выходным выводам инвертора через последовательную цепь, содержащую дроссель и коммутирующий конденсатор (Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок /Е.И.Беркович, Г.В.Ивенский, Ю.С.Иоффе и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1983.- С.50).
Недостатком инвертора является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, высокими скоростями нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, гальванической связью источника питания инвертора и выводов нагрузки, корпуса которых по условиям эксплуатации должны быть заземлены, отсутствием симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки.
Известен инвертор, содержащий подключенный к входным выводам инвертора однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выходные выводы однофазного моста подключены к выходным выводам инвертора через последовательную цепь, содержащую дроссель и коммутирующий конденсатор (Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника. - М.: Энергоатомиздат, 1988 - С.312).
Недостатком инвертора является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, высокими скоростями нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, гальванической связью источника питания инвертора и выводов нагрузки, корпуса которых по условиям эксплуатации должны быть заземлены, отсутствием симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки.
Известен инвертор, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссель фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, выходные выводы однофазного моста подключены к выходным выводам инвертора через последовательную цепь, содержащую дроссель и коммутирующий конденсатор (Vitins J, Schweizer A. Vereinfachter Einsatz von Leistungshalbleitern durch Vorwartsintegration. Brown Boveri Mitt. 1984. Nr. 5. S. 220).
Указанный инвертор является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком инвертора является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, высокими скоростями нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, гальванической связью источника питания инвертора и выводов нагрузки, корпуса которых по условиям эксплуатации должны быть заземлены, отсутствием симметричного ограничения тока источника питания инвертора
при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы инвертора, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что инвертор содержит подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра и последовательной цепью, содержащей два конденсатора, общая точка соединения которых соединена с корпусом инвертора, выходные выводы однофазного моста зашунтированы симметричным ограничителем напряжения и подключены к выходным выводам инвертора через последовательные цепи, содержащие нелинейный дроссель и коммутирующий конденсатор, управляемые вентили однофазного моста зашунтированы ограничителями напряжения, последовательными цепями, содержащими конденсатор и резистор, и последовательными цепями, содержащими конденсатор и диод, включенный с аналогичной полярностью соответствующему управляемому вентилю однофазного моста, общие точки соединения последовательных цепей, содержащих конденсатор и диод, шунтирующих управляемые вентили анодной группы соединены через резисторы с точкой соединения катодов управляемых вентилей катодной группы, а общие точки соединения последовательных цепей, содержащих конденсатор и диод, шунтирующих управляемые вентили катодной группы соединены через резисторы с точкой соединения анодов управляемых вентилей анодной группы.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы инвертора, что достигается снижением уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого
тока управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов в интервалах коммутаций, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, гальванической развязкой источника питания инвертора и выводов нагрузки за счет коммутирующих конденсаторов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
Повышение надежности работы инвертора является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого инвертора являются существенными.
На рисунке приведена схема инвертора.
Инвертор 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 и последовательной цепью, содержащей два конденсатора 12, 13, общая точка соединения которых соединена с корпусом инвертора, выходные выводы однофазного моста зашунтированы симметричным ограничителем напряжения 14 и подключены к выходным выводам инвертора через последовательные цепи, содержащие нелинейный дроссель 15 и 16 и коммутирующий конденсатор 17 и 18, управляемые вентили однофазного моста зашунтированы ограничителями напряжения 19-22, последовательными цепями, содержащими конденсатор 23-26 и резистор 27-30, и последовательными цепями, содержащими конденсатор 31-34 и диод 35-38, включенный с аналогичной полярностью соответствующему управляемому вентилю однофазного моста. Общие точки соединения последовательных цепей, содержащих конденсатор и диод, шунтирующих управляемые вентили анодной группы соединены
через резисторы 39, 40 с точкой соединения катодов управляемых вентилей катодной группы. Общие точки соединения последовательных цепей, содержащих конденсатор и диод, шунтирующих управляемые вентили катодной группы соединены через резисторы 41, 42 с точкой соединения анодов управляемых вентилей анодной группы. К выходным выводам инвертора подключена нагрузка 43.
Инвертор 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 и емкости конденсатора фильтра 11 выбраны достаточными для качественной фильтрации напряжения на входе однофазного моста. Выполнение указанного условия обеспечивает сглаживание пульсаций напряжения на конденсаторе фильтра 11 и фактическую неизменность уровней напряжений на управляемых вентилях 3-6 и встречно-параллельных диодах 7-10 на различных временных интервалах работы инвертора. Коммутирующие конденсаторы 17, 18 обеспечивают последовательную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя 43. Полный период выходного сигнала инвертора состоит из двух временных интервалов (полупериодов), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10. При работе управляемых вентилей 3-6 ток через индукционный нагреватель 43 протекает по цепи: 11-3-15-17-43-18-16-6-11. Параметры цепи выбираются такими, чтобы электромагнитные процессы в ней имели колебательный характер. То есть указанная цепь представляет собой последовательный колебательный контур. В нагрузке (индукционном нагревателе 43) формируется положительная полуволна тока и в нее передается мощность из источника питания. Запирание управляемых вентилей 3, 6 происходит при спаде тока в колебательном контуре к нулевому значению. При этом суммарное напряжение на коммутирующих конденсаторах 17, 18 оказывается выше
уровня напряжения на конденсаторе фильтра 11. Ток в колебательном контуре изменяет свой знак. Включаются встречно-параллельные диоды 7, 10 и ток протекает по цепи: 17-15-7-11-10-16-18-43-17.В индукционном нагревателе 43 формируется отрицательная полуволна тока и часть энергии, накопленной в электромагнитных элементах колебательного контура, возвращается в конденсатор фильтра 11. Суммарное напряжение на коммутирующих конденсаторах 17, 18 уменьшается, однако из за потерь в контуре оно не достигает нулевого значения. При спаде тока в контуре к нулю встречно-параллельные диоды 7, 10 выключаются. Энергия перенапряжения, возникающего при выключении встречно-параллельных диодов 7, 10 передается в конденсаторы 23, 26, 31, 34. Заряд указанных конденсаторов 23, 26, 31, 34 ограничивает скорость нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях 3, 6 до допустимой величины. Уровни перенапряжений дополнительно ограничивается ограничителями напряжения 19, 22 и симметричным ограничителем напряжения 14. Резисторы 27, 30 ограничивают скорость нарастания прямого тока при включении управляемых вентилей 3, 6, обусловленного разрядом конденсаторов 23, 26, и обеспечивают демпфирование высокочастотных паразитных колебаний напряжения на вентилях 3, 6 и встречно-параллельных диодах 7, 10 в интервалах коммутации, обусловленных перезарядом их собственных емкостей. Разряд конденсаторов 31, 34 и рекуперация накопленной ими энергии в цепь нагрузки осуществляется соответственно через резисторы 39, 42 на интервалах работы управляемых вентилей 4, 5. После выключения встречно-параллельных диодов 7, 10 подаются импульсы управления на управляемые вентили 4, 5 и они включаются. Заканчивается полупериод работы инвертора. Во втором полупериоде при работе управляемых вентилей 4, 5 и встречно-параллельных диодов 8, 9 электромагнитные процессы в инверторе протекают аналогично, но токи через индукционный нагреватель 43 на интервалах их работы имеют противоположное направление. Уровни перенапряжений, скорости нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях
4, 5 при выключении встречно-параллельных диодов 8, 9 во втором полупериоде ограничиваются ограничителями напряжения 20, 21 и конденсаторами 24, 25, 32, 33 при их заряде соответственно. По окончании второго полупериода снова включается управляемые вентили 3, 6. Далее электромагнитные процессы в инверторе (новый период выходного сигнала) повторяются. Снижение уровня электромагнитных помех при работе инвертора, возникающих при коммутациях управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10, обеспечивается работой конденсаторов 12, 13, общая точка соединения которых подключена к корпусу инвертора. Нелинейные дроссели снижают скорость нарастания тока при включении и спаде тока управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10 за счет изменения индуктивности при изменении величины тока через них. Дроссели фильтра 1, 2 служат как для повышения качества сглаживания напряжения на конденсаторе фильтра 11, так и для ограничения амплитуды тока источника питания инвертора при его включении (заряд конденсатора фильтра 11) и предотвращения возможного аварийного глухого закорачивания и существенного возрастания тока через управляемые вентили 3-6 при замыкании индукционного нагревателя 43 на корпус инвертора (замыкание на «землю»).
Управляемые вентили 3-6 при реализации 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 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. В качестве ограничителей напряжения 14, 19-22 в
инверторе могут быть применены кремниевые симметричные ограничители напряжения типа ОНС. Нелинейные дроссели 15, 16 могут быть выполнены в виде дросселей насыщения.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы инвертора. Это достигается снижением уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении диодов, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей и диодов в интервалах коммутаций, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, гальванической развязкой источника питания инвертора и выводов нагрузки за счет коммутирующих конденсаторов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
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).
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части инвертора и уменьшена его стоимость за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.