ОДНОФАЗНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
SINGLE-PHASE VOLTAGE INVERTER (VERSIONS)

Группа изобретений относится к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники для преобразователей низкой частоты.
Известен однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, выполненный на базе двухоперационных запираемых тиристорах с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненном на выпрямителе с конденсаторным фильтром (Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. «Основы преобразовательной техники». / М.: Высшая школа, 1980, с.237-240). Преобразование постоянного напряжения в переменное для питания активно-индуктивной нагрузки заданной частоты происходит за счет переключения диагонально расположенных пар тиристоров импульсами, смещенными на 180° эл. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки сбрасывается в батарею конденсаторов источника постоянного напряжения. Емкость батареи конденсаторов С достигает большой величины, особенно при низких частотах f и больших токах автономного инвертора напряжения:
,
где
I - ток нагрузки;
t=1/f - время протекания тока через батарею конденсаторов;
ΔU - допустимая величина перенапряжения на конденсаторах.
При токе в несколько сотен ампер и малых частотах f (менее 5 Гц) емкость батареи конденсаторов может достигать величин фарад.
1
4
1
4
d
1
4
3
2
1
4
к
к
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является однофазный инвертор напряжения (ОИН), выполненный на однооперационных тиристорных ключах, с активно-индуктивной нагрузкой и двухканальной системой управления СУ (Розанов Ю.К. «Основы силовой электроники». / М.: Энергоатомиздат, 1992, с.235-237). Работа устройства основана на широтно-импульсном регулировании тиристорных ключей VS-VS, которые зашунтированы антипараллельными обратными диодами VD-VD, и подключены по входу ОИН к источнику постоянного напряжения U, который при питании от сети переменного тока состоит из выпрямителя с параллельным конденсатором. Пары тиристоров VS, VS и VS, VS переключаются противофазными импульсами с частотой f с помощью вспомогательных коммутирующих тиристоров VS'-VS' и реактивных элементов С, L, которые могут быть исключены, например, при использовании полностью управляемых тиристоров и транзисторов.
1
2
1
4
1
2
1
4
1
4
В устройстве также содержатся задающие генераторы ЗГ, ЗГ, управляющие фазосдвигающие устройства ФУ, ФУ-ФУ, пересчетно-распределительные устройства ПРУ, ПРУ, формирователи выходных импульсов для тиристорных ключей ФИ-ФИ и ФИ'-ФИ'.
Недостатками прототипа являются:
d
- необходимость в батарее конденсаторов больших габаритных размеров и с большими величинами емкости для сброса реактивной энергии нагрузки при выполнении источника постоянного напряжения U в виде выпрямителя;
1
4
- необходимость установки четырех антипараллельных диодов VD-VD для ключей;
- сложность системы управления.
Технический результат заявляемых вариантов однофазного инвертора напряжения - упрощение системы управления, упрощение схемы и повышение надежности устройства.
1
2
2
1
1
Технический результат по первому варианту устройства достигается тем, что в однофазном инверторе напряжения, содержащем выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный, например, на четырех транзисторах и антипараллельных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из генератора импульсов и двух идентичных каналов управления транзисторами, содержащих формирователи импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам транзисторов, генератор импульсов выполнен с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к входам формирователей импульсов соответствующего канала, причем каждый канал содержит формирователи импульсов различной длительности τ и τ, при этом величина времени интервала между задним фронтом импульса длительности τ в одном канале и передним фронтом импульса τ в другом канале превышает время спада тока нагрузки до нуля, а антипараллельные диоды подсоединены к транзисторам, соединенным с выходным зажимом выпрямителя и с формирователями импульсов длительности τ в каждом канале.
1
2
2
1
2
Технический результат по второму варианту устройства достигается тем, что в однофазном инверторе напряжения, содержащем выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный, например, на четырех транзисторах и антипараллельных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из генератора импульсов и двух идентичных каналов управления транзисторами, содержащих формирователи импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам транзисторов, генератор импульсов выполнен с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к входам формирователей импульсов соответствующего канала, причем каждый канал содержит формирователи импульсов различной длительности τ и τ, при этом величина времени интервала между задним фронтом импульса длительности τ в одном канале и передним фронтом импульса τ в другом канале превышает время спада тока нагрузки до нуля, а антипараллельные диоды подсоединены к последовательно соединенным транзисторам, соединенным с выходными зажимами выпрямителя и с формирователями импульсов длительности τ в каждом канале.
1
2
2
2
1
1
Технический результат по третьему варианту устройства достигается тем, что в однофазном инверторе напряжения, содержащем выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный, например, на четырех транзисторах и антипараллельных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из генератора импульсов, двух идентичных каналов управления транзисторами, содержащих формирователи импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам транзисторов, каждый канал содержит формирователи импульсов различной длительности τ и τ, а в систему управления введен регулирующий орган, выход которого подключен к дополнительно введенным входам формирователей импульсов с длительностью τ в каждом канале, при этом величина времени интервала между задним фронтом импульса длительности τ в одном канале и передним фронтом импульса τ в другом канале превышает время спада тока нагрузки до нуля, генератор импульсов выполнен с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к входам формирователей импульсов соответствующего канала, а антипараллельные диоды подсоединены к транзисторам, соединенным с выходным зажимом выпрямителя и с формирователями импульсов длительности τ в каждом канале.
1
2
2
1
2
2
Технический результат по четвертому варианту устройства достигается тем, что в однофазном инверторе напряжения, содержащем выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный, например, на четырех транзисторах и антипараллельных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из генератора импульсов, регулирующего органа и двух идентичных каналов управления транзисторами, содержащих формирователи импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам транзисторов, каждый канал содержит формирователи импульсов различной длительности τ и τ, при этом величина времени интервала между задним фронтом импульса длительности τ в одном канале и передним фронтом импульса τ в другом канале превышает время спада тока нагрузки до нуля, а в систему управления введен регулирующий орган, выход которого подключен к дополнительно введенным входам формирователей импульсов с длительностью τ в каждом канале, генератор импульсов выполнен с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к входам формирователей импульсов соответствующего канала, а антипараллельные диоды подсоединены к последовательно соединенным транзисторам, соединенным с выходными зажимами выпрямителя и с формирователями импульсов длительности τ в каждом канале.
Сущностью заявляемых изобретений по первому и второму вариантам является то, что благодаря выполнению в устройстве генератора импульсов с двумя противофазными выходами, выполнению формирователей импульсов с выходными импульсами различной длительности в каждом канале управления, а также за счет оригинальной схемы соединения упрощается схема и повышается надежность однофазного инвертора напряжения.
Сущностью заявляемых устройств по третьему и четвертому вариантам является то, что благодаря выполнению формирователей импульсов каждого канала различной длительности, и введению регулирующего органа в систему управления, а также оригинальной схеме соединения достигается регулирование выходного напряжения однофазного инвертора напряжения при упрощении схемы и повышении надежности устройств в целом.
На фиг.1 приведена схема заявляемого ОИН по первому варианту, на фиг.2 - схема заявляемого ОИН по второму варианту, на фиг.3 - схема заявляемого ОИН по третьему варианту, на фиг.4 - схема заявляемого ОИН по четвертому варианту. На фиг.5 и 6 даны диаграммы заявляемых устройств.
На чертежах приняты следующие обозначения:
1 - выпрямитель;
2 - мостовой преобразователь;
3, 4, 5, 6 - транзисторы;
7 - активно-индуктивная нагрузка;
8 - система управления;
9 - генератор импульсов с двумя противофазными импульсами частотой f;
10, 11 - два идентичных канала управления транзисторами 3, 4, 5, 6;
1
2
12, 13 - формирователи импульсов ФИ1 длительностью τ и ФИ2 длительностью t;
14, 15 - антипараллельные диоды;
16 - регулирующий орган;
d
U - среднее значение выходного напряжения выпрямителя 1;
u, i - соответственно напряжение и ток на нагрузке 7;
Up - регулирующее напряжение.
u - напряжение на нагрузке;
m
I - амплитудное значение тока нагрузки;
Δt - временной интервал («мертвое» время длительностью несколько микросекунд), исключающий одновременную работу двух ключей (3, 4 и 5, 6) при их переключении и закорачивание выпрямителя.
1
2
Диаграмма а) - противофазные импульсы ТИ1 и ТИ2 в каналах управления 10, 11 на выходах генератора 9 с частотой f по фиг.1, 2, 3, 4; диаграмма б) - диаграмма работы ОИН; диаграмма в) - проводящие ток элементы ОИН; диаграмма г) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями τ и τ, получаемых от формирователей импульсов 12, 13 соответствующего канала управления и поступающих на соответствующие транзисторы (их номера на чертежах указаны в скобках); диаграмма д) - показаны длительности импульсов на транзисторах 3, 6 и 5, 4.
1
2
Однофазный инвертор напряжения по первому и второму вариантам содержит выпрямитель 1, мостовой преобразователь 2, выполненный на транзисторах 3, 4, 5, 6 и антипараллельных диодах 14, 15, на выход которого подключена активно-индуктивная нагрузка 7. Управление транзисторами 3, 4, 5, 6 осуществляется системой управления 8, содержащей генератор противофазных тактовых импульсов 9 с частотой f и два идентичных канала регулирования ключами 10, 11, в каждом из которых имеются формирователи импульсов различной длительности: формирователь импульсов ФИ1 12 вырабатывает импульсы длительностью τ, формирователь импульсов ФИ2 13 создает импульсы меньшей длительностью τ. Входы формирователей импульсов 12, 13 соединены между собой и подключены соответственно к первому и второму выходам генератора импульсов 9, выходы же формирователей импульсов 12, 13 в обоих каналах управления 10, 11 подключены к управляющим цепям соответствующих транзисторов 3, 4, 5, 6.
1
В устройстве по первому варианту антипараллельные диоды 14, 15 подсоединены к транзисторам 3 и 5, соединенным с выходным зажимом выпрямителя 1 и с формирователями импульсов длительности τ 12 в каждом канале 10 и 11. А именно, вход транзистора 3 соединен с выходом формирователя импульсов 12 канала управления 10, вход транзистора 4 - с выходом формирователя импульсов 13 канала управления 11. Аналогично вход транзистора 5 соединен с выходом формирователя импульсов 12 канала управления 11, а вход транзистора 6 - с выходом формирователя импульсов 13 канала управления 12, при этом антипараллельные диоды 14 и 15 подключены к транзисторам 3, 5.
2
В устройстве по второму варианту антипараллельные диоды 14, 15 подсоединены к последовательно соединенным транзисторам 3, 4, соединенным с выходными зажимами выпрямителя 1 и с формирователями импульсов длительности τ 13 в каждом канале 10, 11. А именно, вход транзистора 3 соединен с выходом формирователя импульсов 13 канала управления 11, вход транзистора 4 - с выходом формирователя импульсов 13 канала управления 10. Аналогично вход транзистора 5 соединен с выходом формирователя импульсов 12 канала управления 10, а вход транзистора 6 - с выходом формирователя импульсов 12 канала управления 10, при этом антипараллельные диоды 14 и 15 подключены к транзисторам 3 и 4.
2
1
2
1
2
Однофазный инвертор напряжения по третьему и четвертому вариантам содержит выпрямитель 1, мостовой преобразователь 2, выполненный на транзисторах 3, 4, 5, 6 и антипараллельных диодах 14, 15, на выход которого подключена активно-индуктивная нагрузка 7, систему управления 8, состоящую из регулирующего органа 16, генератора импульсов 9, двух идентичных каналов управления транзисторами 10, 11, содержащих формирователи импульсов 12, 13, выходы которых подсоединены к соответствующим входам транзисторов 3, 4, 5, 6. Управление транзисторами 3, 4, 5, 6 осуществляется системой управления 8, содержащей регулирующий орган 16, выход которого подключен к входам формирователей импульсов с длительностью τ 13 в каждом канале, генератор противофазных импульсов 9 с частотой f и два идентичных канала регулирования ключами 10, 11, в каждом из которых имеются формирователи импульсов 12, 13 различной длительности τ, τ с двумя входами - запускающим и регулирующим: формирователь импульсов ФИ1 - 12 вырабатывает импульсы длительностью τ, формирователь импульсов ФИ2 - 13 - меньшей длительностью τ. Запускающие входы формирователей импульсов 12, 13 соединены между собой и подключены соответственно к первому и второму выходам генератора импульсов 9, выходы указанных формирователей импульсов в обоих каналах управления 10, 11 подключены к управляющим цепям соответствующих транзисторов 3, 4, 5, 6.
1
По третьему варианту устройства антипараллельные диоды 14, 15 подсоединены к транзисторам 3, 5, соединенным с выходным зажимом выпрямителя 1 и с формирователями импульсов длительности τ 12 в каждом канале 10, 11. А именно, вход транзистора 3 соединен с выходом формирователя импульсов 12 канала управления 10, вход транзистора 4 - с выходом формирователя импульсов 13 канала управления 11. Аналогично вход транзистора 5 соединен с выходом формирователя импульсов 12 канала управления 11, а вход транзистора 6 - с выходом формирователя импульсов 13 канала управления 12, при этом антипараллельные диоды 14 и 15 подключены к транзисторам 3, 5.
2
По четвертому варианту устройства антипараллельные диоды 14, 15 подсоединены к последовательно соединенным транзисторам 3, 4, соединенным с выходными зажимами выпрямителя 1 и с формирователями импульсов длительности τ 13 в каждом канале 10, 11. А именно, вход транзистора 3 соединен с выходом формирователя импульсов 13 канала управления 11, вход транзистора 4 - с выходом формирователя импульсов 13 канала управления 10. Аналогично вход транзистора 5 соединен с выходом формирователя импульсов 12 канала управления 10, а вход транзистора 6 - с выходом формирователя импульсов 12 канала управления 10, при этом антипараллельные диоды 14 и 15 подключены к транзисторам 3 и 4.
0
2
1
Во всех заявляемых четырех вариантах устройств величина времени интервала Δτ между задним фронтом импульса длительности τ в одном канале и передним фронтом импульса τ в другом канале превышает время спада тока нагрузки до нуля.
Работа ОИН по первому варианту осуществляется следующим образом.
1
2
2
1
0
1
Управление транзисторами 3, 4, 5, 6 осуществляется импульсами разной длительности τ, τ (фиг.5). Транзисторы 3 и 5 управляются противофазными импульсами длительностью - , а транзисторы 4 и 6 - противофазными импульсами меньшей длительности τ, вырабатываемыми каналами управления 10, 11. В результате по окончании импульсов с длительностью τ транзисторные ключи 6 и 4 закрываются и ток нагрузки замыкается соответственно через диод 15 и транзистор 3 в первый полупериод частоты f и через диод 14 и транзистор 5 во второй полупериод. В этом случае в диаграмме напряжения на нагрузке u имеется временной интервал Δτ (фиг.5, б), определяющийся временем спада тока нагрузки 7 до нуля t и временем задержки Δt. Включение следующей пары транзисторов происходит после задержки Δt (несколько микросекунд), исключающей одновременное включенное состояние транзисторов 3, 4 или 5, 6, что могло бы привести к закорачиванию выпрямителя 1. Общий интервал времени в диаграмме напряжения нагрузки составляет:
0
1
Δt=t+Δt,
где:
1
н
t≈4T при экспоненциальном характере нарастания и спада тока;
н
T - постоянная времени активно-индуктивной нагрузки 7 (фиг.5).
2
ОИН по второму варианту отличается от первого местом подключения антипараллельных диодов 14, 15 и соединением входных управляющих цепей транзисторов 3, 4, 5, 6 (фиг.2). Диаграммы напряжений и распределение импульсов и их длительности аналогично первому варианту приведены на фиг.6. В отличие от первого варианта здесь антипараллельные диоды подсоединены к транзисторам, управляемым импульсами меньшей длительности τ. В результате при выключении одного из транзисторов 3, 4 ток нагрузки замыкается по соответствующему диоду 9 фиг.6 диаграммы в), г), д).
2
ОИН по третьему варианту (фиг.3) содержит все элементы устройства, что и по первому варианту и дополнительно регулирующий орган 16. Кроме того, формирователь импульсов 13 в каждом канале управления имеет два входа - запускающий (как на фиг.1) и регулирующий. Регулирующий орган 16 подключен к регулирующему входу формирователя 13 в каждом канале управления и обеспечивает регулирование длительности τ управляющего импульса.
2
p
Работа ОИН по третьему варианту осуществляется так же, как и по первому, при этом устройство выполняет еще функцию регулирования напряжения на активно-индуктивной нагрузке, осуществляемую изменением длительности τ в функции от сигнала регулирования U на входе регулирующего органа 16.
2
Работа по четвертому варианту осуществляется так же, как и по второму, но как и в третьем варианте добавляется функция регулирования напряжения на активно-индуктивной нагрузке путем изменения с помощью 16 длительности импульсов τ.
Действующее значение выходного напряжения ОИН определяется:
где
2р
τ - длительность импульса ФИ2 в радианах;
2с
τ - длительность импульса ФИ2 в секундах;
f - частота в герцах.
Благодаря выполнению генератора импульсов с двумя противофазными выходами, а формирователей импульсов различной длительности в каждом канале, и оригинальной схеме соединения, а также выполнению системы управления в определенном режиме, в заявляемых ОИН по первому и второму вариантам упрощается схема и повышается надежность устройства.
Благодаря введению в систему управления регулирующего органа и выполнению генератора импульсов с двумя противофазными выходами, а формирователей импульсов различной длительности в каждом канале, и оригинальной схеме соединения, а также выполнению системы управления в определенном режиме, в заявляемых ОИН по третьему и четвертому вариантам достигается регулирование выходного напряжения однофазного инвертора напряжения при упрощении схемы и повышение надежности устройства в целом.