Автономный согласованный инвертор

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель расширяет область применения устройства за счет повышения надежности, расширения диапазонов изменения нагрузки и регулирования, улучшения энергетических показателей.
Известен автономный согласованный резонансный инвертор, содержащий мост на управляемых вентилях, выводы постоянного тока моста соединены с входными выводами инвертора, а выходные выводы инвертора подключены к выводам переменного тока моста через демпферный дроссель и зашунтированы компенсирующим конденсатором (патент 61964 РФ, Н 02 М 7/00. Автономный согласованный резонансный инвертор/ Силкин Е.М. - Заявл. 13.11.2006, Опубл. 10.03.2007, БИМП № 7).
Автономным согласованным инвертором называется преобразователь постоянного тока в переменный ток, имеющий внутренний импеданс сравнимый с импедансом нагрузки. Увеличение внутреннего импеданса автономного инвертора может быть достигнуто, в частности, включением в выходную цепь различных балластных (демпферных) элементов (емкостей, индуктивностей, последовательного колебательного контура). Демпферные элементы играют, своего рода, вспомогательную роль, например компенсации реактивности нагрузки, снижения скорости изменения нагрузочного тока или напряжения на элементах и прочее. Резонансные инверторы (инверторы с резонансной коммутацией) представляют собой частный случай автономного согласованного инвертора, в которых реализуется механизм естественного выключения (спада тока) вентилей за счет организации колебательного электромагнитного процесса в выходной цепи. Рассмотренный автономный согласованный (резонансный) инвертор представляет собой однофазное устройство (однофазный инвертор). Однофазные инверторы нашли наиболее широкое применение в электротехнологических установках.
Недостатком автономного согласованного резонансного инвертора является узкая область применения. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях при широтном регулировании, что может привести к выходу их из строя, а также высокими уровнями электромагнитных помех, вероятными сбоями в системе управления, ограничением диапазона возможных изменений параметров нагрузки, значительными коммутационными потерями в управляемых вентилях.
Известен автономный согласованный инвертор, содержащий мост на управляемых вентилях, выводы постоянного тока моста соединены с входными выводами инвертора, а выходные выводы инвертора подключены к выводам переменного тока моста через демпферные дроссели и зашунтированы компенсирующим конденсатором (патент 2454782 РФ, МКИ Н02М 7/521. Способ управления преобразователем частоты/ Силкин Е.М.- Заявл. 07.02. 2011, Опубл. 27.06.2012, БИМП № 18).
Данный автономный инвертор является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и рассматривается в качестве прототипа.
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является узкая область применения из-за низкой надежности, малого диапазона допустимого изменения параметров нагрузки и регулирования (схема инвертора не предусматривает регулирования выходных электрических параметров широтно-импульсным методом), недостаточно высоких энергетических показателей. Инвертор, в частности, характеризуется высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях при широтном регулировании, что может привести к выходу их из строя, а также высокими уровнями электромагнитных помех, вероятными сбоями в системе управления, ограничением диапазона возможных изменений параметров нагрузки, значительными коммутационными потерями в управляемых вентилях.
Полезная модель направлена на решение задачи расширения области применения устройства за счет повышения надежности, расширения диапазонов изменения нагрузки и регулирования, улучшения энергетических показателей, что является полученным техническим результатом.
Указанная цель и технический результат достигаются тем, что автономный согласованный инвертор:
1. содержит мост на управляемых вентилях, выводы постоянного тока моста соединены с входными выводами инвертора, а выходные выводы инвертора подключены к выводам переменного тока моста через демпферные дроссели и зашунтированы компенсирующим конденсатором, снабжен последовательными цепями, как минимум, для одной группы вентилей, число которых равно числу вентилей в группе, содержащими защитный дроссель и два встречных неуправляемых вентиля, соединяющими соответствующие выходные выводы с общей точкой соединения вентилей соответствующей группы вентилей, общие точки соединения неуправляемых вентилей последовательных цепей подключены к соответствующим выводам переменного тока моста через защитные конденсаторы;
2. в автономном согласованном инверторе по п. 1,последовательно с защитным дросселем в последовательных цепях установлен резистор;
3. в автономном согласованном инверторе по пп. 1 и 2 демпферные дроссели выполнены магнитосвязанными.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение области применения автономного согласованного инвертора за счет повышения надежности, расширения диапазонов изменения нагрузки и регулирования, улучшения энергетических показателей. При широтном (импульсном) регулировании выходных электрических параметров обеспечивается коммутация вентилей в схемах при нулевых (малых) значениях тока и напряжения, что повышает надежность и коэффициент полезного действия автономного согласованного инвертора. Снижаются коммутационные перенапряжения и электрические потери в силовых вентилях устройства, а также электромагнитные помехи и излучения. Диапазон допустимого изменения параметров нагрузки инвертора при обеспечении его надежной работы с высокими энергетическими характеристиками значительно расширяется, в первую очередь, для высокочастотных применений. Новый инвертор может быть эффективно применен для более широкого класса электротехнологических нагрузок, в том числе, при глубоком регулировании их электрических параметров. Расширение области применения обеспечиваются за счет отличительных признаков полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого автономного согласованного инвертора являются существенными.
На фиг. 1 приведена схема однофазного автономного согласованного инвертора на полевых транзисторах с двумя последовательными (защитными) цепями в истоковой группе вентилей (несимметричная схема), на фиг. 2 представлена схема однофазного автономного согласованного инвертора на полевых транзисторах с четырьмя последовательными (защитными) цепями (в стоковой и истоковой группах вентилей, симметричная схема).
Автономный инвертор в соответствии с полезной моделью может быть выполнен с большим числом фаз выходного тока, в общем случае, на однооперационных (неполностью управляемых, вариант нерегулируемого устройства) и полностью управляемых (транзисторы разных типов, запираемые тиристоры) вентилях (или их аналогах), имеющих или не имеющих обратной блокирующей способности, с шунтирующими встречными (параллельными) неуправляемыми вентилями или без них. Последовательные (защитные) цепи могут устанавливаться (несимметричные схемы) в разные группы управляемых вентилей моста инвертора (катодная или анодная, эмиттерная или коллекторная, истоковая или стоковая).
Автономный согласованный инвертор содержит мост на управляемых вентилях 1-4, выводы постоянного тока моста соединены с входными выводами инвертора, а выходные выводы 5 инвертора подключены к выводам переменного тока моста через демпферные дроссели 6, 7 и зашунтированы компенсирующим конденсатором 8, снабжен последовательными цепями, как минимум, для одной группы вентилей, число которых равно числу вентилей в группе, содержащими защитный дроссель 9 и два встречных неуправляемых вентиля 10, 11 (и, соответственно, 12- 14, 17-19 и 20-22), соединяющими соответствующие выходные выводы с общей точкой соединения вентилей соответствующей группы вентилей, общие точки соединения неуправляемых вентилей последовательных цепей подключены к соответствующим выводам переменного тока моста через защитные конденсаторы 15, 16 (и, соответственно, 23, 24).Последовательно с защитным дросселем в последовательных цепях может устанавливаться резистор. В автономном согласованном инверторе, как вариант исполнения, демпферные дроссели могут быть выполнены магнитосвязанными.
Автономный согласованный инвертор в установившемся режиме работает следующим образом. При включении управляемых вентилей 1, 4 начинается (фиг. 1) заряд компенсирующего конденсатора 8 по контурам: (+) -1 - 6 - 8(5) - 7 - 4 - (-) и (+) - 1 - 15 - 10 - 9 - 8(5) - 7 - 4 - (-). Параметры элементов схемы выбраны такими, чтобы ток через нагрузочный контур (выходные выводы 5 с подключенной нагрузкой, компенсирующий конденсатор 8) имел колебательный характер (изменялся по квазисинусоидальному закону). Емкость защитных конденсаторов 15, 16 (и 23, 24, фиг. 2) имеет значительно меньшую величину, чем емкость компенсирующего конденсатора 8 (а индуктивность защитного дросселя 9 сравнима с индуктивность демпферного дросселя 6 или 7). В результате ток второго контура (+) -1-15- 10 - 9 - 8(5) - 7 - 4 - (-) вносит незначительный вклад в величину выходного тока инвертора. К моменту колебательного спада тока через нагрузочный контур (5, 8) защитный конденсатор 15 оказывается заряженным до напряжения питания инвертора. На входе инвертора устанавливается источник питания, обладающий характеристикой генератора (источника) постоянного напряжения. Автономный согласованный инвертор управляется так, что расстройка эквивалентного последовательного колебательного контура, подключенного к выводам переменного тока моста (1- 4), носит индуктивный характер. Вентиль 1 стоковой группы выключается раньше момента колебательного (естественного) спада выходного тока к нулю. При выключении вентиля 1 за счет энергии, накопленной в электромагнитном поле демпферных дросселей 6, 7, ток через нагрузочный контур (5, 8) продолжает протекать в прежнем направлении, вначале, по контуру: 6 - 8(5) - 7 - 4 - 11 - 15 - 6, а затем, после разряда защитного конденсатора 15, по контуру: 6 - 8(5) - 7 - 4 - 2 - 6 (ток протекает через внутренний диод вентиля 2), или отдельный неуправляемый вентиль, шунтирующий управляемый вентиль 2). В интервале коммутации (выключения) управляемого вентиля 1, как видно, к нему прикладывается изменяющееся напряжение от нулевого уровня до величины напряжения питания инвертора (за счет разряда защитного конденсатора 15). Таким образом, коммутация (выключение) управляемого вентиля 1 осуществляется при нулевом напряжении, что обеспечивает низкий уровень электрических (коммутационных) потерь. В момент спада тока в контуре 6 - 8(5) - 7 - 4 - 2 - 6 до нуля вентиль 4 (истоковой группы) выключается. После спада выходного напряжения (нагрузочный контур 5, 8) до нуля (полный разряд компенсирующего конденсатора 5) заканчивается полупериод в работе инвертора. Далее включаются вентили 2, 3. Работа инвертора происходит аналогично. Начинается заряд компенсирующего конденсатора 8 по контурам: (+) - 3 - 7 - 8(5) - 6 - 2 - (-) и (+) - 3 - 16 - 13 - 12 - 8(5) - 6 - 2 - (-). Ток через нагрузочный контур (выходные выводы 5, компенсирующий конденсатор 8) имеет колебательный характер (изменяется по квазисинусоидальному закону). К моменту колебательного спада тока через нагрузочный контур (5, 8) защитный конденсатор 16 оказывается заряженным до напряжения питания инвертора.
Вентиль 3 стоковой группы выключается раньше момента колебательного (естественного) спада выходного тока к нулю. При выключении вентиля 3 за счет энергии, накопленной в электромагнитном поле демпферных дросселей 6, 7, ток через нагрузочный контур (5, 8) продолжает протекать в прежнем направлении, вначале, по контуру: 7 - 8(5) - 6 - 2- 14 - 16 - 7, а затем, после разряда защитного конденсатора 16, по контуру: 7 - 8(5) - 6 - 2 - 4 - 7 (ток протекает через внутренний диод вентиля 4), или отдельный неуправляемый вентиль, шунтирующий управляемый вентиль 4). В интервале коммутации (выключения) управляемого вентиля 3, как видно, к нему прикладывается изменяющееся напряжение от нулевого уровня до величины напряжения питания инвертора (за счет разряда защитного конденсатора 16). Таким образом, коммутация (выключение) управляемого вентиля 3 также осуществляется при нулевом напряжении, что обеспечивает низкий уровень электрических (коммутационных) потерь. В момент спада тока в контуре 7 - 8(5) - 6 - 2 - 4 - 7 до нуля вентиль 2 (истоковой группы) выключается. После спада выходного напряжения (нагрузочный контур 5, 8) до нуля (полный разряд компенсирующего конденсатора 5) заканчивается период в работе инвертора.
Изменением интервала (широтное регулирование или модуляция) включенного состояния управляемых вентилей стоковой группы (1, 3) можно регулировать выходные электрические параметры автономного согласованного инвертора в широких пределах, обеспечивая низкий уровень коммутационных потерь при выключении.
Последовательные (защитные) цепи могут быть установлены также в стоковую группу управляемых вентилей 1, 4 (вариант несимметричной схемы). Работа инвертора, при этом, происходит аналогично. Регулирование инвертора осуществляется в этом случае изменением интервала включенного состояния управляемых вентилей истоковой группы (2, 4).
Автономный согласованный инвертор может иметь и симметричную схему (фиг. 2). Последовательные (защитные) цепи (9-11, 12- 14, 17- 19 и 20-22) и защитные конденсаторы (15, 16, 23 и 24) могут обеспечить качественные коммутационные процессы при выключении всех управляемых вентилей 1- 4 и возможность регулирования выходных электрических параметров за свет вентилей как истоковой, так и стоковой групп вентилей.
С целью снижения возможных паразитных колебаний на паразитный элементах схем и снижения требований к защитным дросселям (9, 12, 17, 20) последовательных цепей последовательно с защитными дросселями следует устанавливать резисторы. Защитные дросселя (9, 12, 17, 20), при этом, могут быть выполнены с ограниченной добротностью, что обеспечит необходимое активное сопротивление. Дополнительное демпфирование при работе паразитных колебательных процессов в схеме инвертора улучшит электромагнитную совместимость устройства (снизит уровень помех и излучений).
Полезная модель не ограничивается только рассмотренными вариантами однофазных устройств. Применимы автономные согласованные инверторы, например, в трехфазном исполнении. В реальных системах при практической реализации полезной модели в схему могут включаться дополнительные элементы известного назначения (например, демпферные резистивно-емкостные цепочки, шунтирующие управляемые и неуправляемые вентили, нелинейные дроссели и прочее). Эти варианты также будут соответствовать предложенной полезной модели.
Возможна работа автономного согласованного инвертора и при емкостной расстройке эквивалентного последовательного резонансного (колебательного) контура в выходной цепи.
Выполнение демпферных дросселей 6, 7 магнитосвязанными позволяет снизить требования к их параметрам, а также общие электрические потери в схеме, весогабаритные показатели дросселей и инвертора в целом. Часть (или полностью дроссель на высоких частотах) каждого демпфирующего дросселя (6, 7) может представлять собой, в частности, индуктивность соединительных шин (например, при питании условно удаленных нагрузок).
По сравнению с прототипом существенно расширяется область применения автономного согласованного инвертора за счет повышения надежности, расширения диапазонов изменения нагрузки и регулирования, улучшения энергетических показателей. Надежность инвертора при его функционировании в составе электротехнологической установки обеспечивается в результате качественного снижения коммутационных потерь и перенапряжений, в первую очередь, при выключении управляемых вентилей. В инверторе электрические потери сохраняются на низком уровне в широком диапазоне изменения эквивалентных параметров нагрузки. Обеспечивается также возможность широтного регулирования выходных электрических параметров инвертора, то есть, эффективного энергетически выгодного регулирования без использования дополнительных средств. Коэффициент полезного действия автономного согласованного инвертора может быть, в среднем, повышен на 3… 5%.
Автономный согласованный инвертор, выполненный в соответствии с полезной моделью, обладает улучшенной электромагнитной совместимостью с питающей сетью (и нагрузкой).
Новый инвертор может быть эффективно применен для широкого класса электротехнологических нагрузок с изменяющимися в значительных пределах параметрами. Особенно перспективно применение автономного согласованного инвертора, реализованного в соответствии с полезной моделью, для ответственных технологий, где требуется глубокое и оперативное регулирование, повышенная устойчивость, стабильность и надежность систем электропитания.