АВТОНОМНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ИНВЕРТОР С РЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других высокочастотных электротехнологических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы 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, зашунтированный встречным диодом, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходным выводам инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором (А.с. 1683150 СССР, МКИ Н02М 5/45. Преобразователь частоты/ Силкин Е.М. - Заявл. 03.03.89, Опубл. 07.10.91, Б.И. №37).
Недостатком автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, 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.
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, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора тока зашунтированы компенсирующим конденсатором (А.с. 1742961 СССР, МКИ Н02М 5/45. Преобразователь частоты/ Силкин Е.М. - Заявл. 02.08.89, Опубл. 23.06.92, Б.И. №23).
Недостатком автономного инвертора тока с квазирезонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, 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.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора через коммутирующий дроссель и коммутирующий конденсатор (Патанов Д.А. Общие проблемы снижения коммутационных потерь в инверторах напряжения //Схемотехника. - 2001. - №5. - С.48).
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями токов управляемых вентилей и высокими уровнями электромагнитных помех, что может приводить к выходу управляемых вентилей из строя из-за перегрева структуры и сбоям в системе управления инвертора, а также высокими уровнями коммутационных перенапряжений на управляемых вентилях из-за резкого обрыва прямого тока при выключении, что может вызвать пробой управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов.
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, зашунтированный конденсатором фильтра, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором (П. 0061964 РФ, МКИ Н02М 7/00. Автономный согласованный резонансный инвертор/ Силкин Е.М. - Заявл. 13.11.06, Опубл. 10.03.07, Б.И. №7).
Указанный автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Это обусловлено высокими уровнями токов управляемых вентилей и высокими уровнями электромагнитных помех, вызванных неполной компенсацией реактивности нагрузки, что может приводить к выходу управляемых вентилей из строя из-за перегрева структуры и сбоям в системе управления инвертора, а также высокими уровнями коммутационных перенапряжений на управляемых вентилях из-за обрыва прямого тока при выключении встречно-параллельных диодов и электрических потерь, что может вызвать пробой управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в автономном согласованном инверторе с резонансной коммутацией, содержащем подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, выходной вывод переменного тока однофазного моста соединен с выходным выводом инвертора через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором, дроссели фильтра выполнены магнитосвязанными и включены согласно, второй выходной вывод переменного тока однофазного моста соединен с вторым выходным выводом инвертора через второй коммутирующий дроссель, коммутирующие дроссели выполнены магнитосвязанными и включены согласно, однофазный мост зашунтирован последовательной цепью из двух снабберных конденсаторов, общая точка соединения которых подключена к нулевому выводу корпуса устройства.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что достигается снижением уровней токов, электрических коммутационных и статических потерь и перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, снижением уровней электромагнитных помех, исключением режимов перегрева структуры управляемых вентилей и сбоев в системе управления инвертора.
Повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией 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 автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией являются существенными. Заявляемый автономный согласованный инвертор приобретает свойства инвертора нового класса с резонансной коммутацией.
На рисунке приведена схема автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией 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, выходной вывод переменного тока однофазного моста соединен с выходным выводом инвертора через коммутирующий дроссель 12, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором 13, дроссели фильтра выполнены магнитосвязанными и включены согласно, второй выходной вывод переменного тока однофазного моста соединен с вторым выходным выводом инвертора через второй коммутирующий дроссель 14, коммутирующие дроссели выполнены магнитосвязанными и включены согласно, однофазный мост зашунтирован последовательной цепью из двух снабберных конденсаторов 15, 16, общая точка соединения которых подключена к нулевому выводу корпуса устройства. К выходным выводам инвертора подключена нагрузка 17.
Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией 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 выбраны достаточно большими, для качественной фильтрации тока и напряжения на входе однофазного моста. Магнитная связь и согласное включение дросселей фильтра 1, 2 снижают электрические потери в них за счет меньшего требуемого общего числа витков при выполнении с требуемыми значениями индуктивностей. Снижение потерь уменьшает общую загрузку управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10 по мощности. Компенсирующий конденсатор 13 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (нагрузки) 17 и последовательную компенсацию реактивной мощности коммутирующих дросселей 12, 14. Коммутирующие дроссели 12, 14 выполняются в виде самостоятельных узлов с магнитной связью или могут представлять собой полностью или в части индуктивность нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей). Целесообразно коммутирующие дроссели 12, 14 выполнить в виде самостоятельных магнитосвязанных элементов, включенных согласно, что позволяет снизить потери электрической энергии в них и, следовательно, общую загрузку управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10 по мощности.
Полный цикл (период) Т выходного сигнала автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией состоит из двух одинаковых временных интервалов (полупериодов), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10. В каждом полупериоде Т/2, в общем случае, можно выделить два различных по характеру электромагнитных процессов временных интервала (одновременной работы двух управляемых вентилей однофазного моста и одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов). Основной интервал соответствует интервалу одновременной проводимости двух управляемых вентилей однофазного моста 3, 6 или 4, 5. Второй временной интервал целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов 12, 14 и 13, 17, что обеспечивает высокие энергетические показатели устройства. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 7, 10 или 8, 9 к выключившимся управляемым вентилям прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующем встречно-параллельном диоде (7-10), и управляемые вентили (3-6) могут включаться с минимальными коммутационными потерями (при использовании двухоперационных вентилей). В момент включения (начало полупериода Т/2), например, управляемых вентилей 3, 6 напряжение на компенсирующем конденсаторе 13 имеет условно отрицательную полярность (положительный потенциал на правой по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 13). Напряжение на компенсирующем конденсаторе 13 изменяется по колебательному закону. Уровень напряжения на компенсирующем конденсаторе 13 в момент включения управляемых вентилей 3, 6 ниже уровня амплитудного значения напряжения. Снабберные конденсаторы 15, 16 заражены до половины напряжения на конденсаторе фильтра 11 (положительный потенциал на верхней по схеме обкладке снабберных конденсаторов 15, 16). Включение управляемых вентилей 3, 6 осуществляется с опережением относительно моментов перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 13 относительно нулевого уровня (емкостная расстройка параллельного нагрузочного контура 13, 17) и мгновенного тока в диагонали переменного тока однофазного моста инвертора (индуктивная расстройка последовательного колебательного контура, образованного коммутирующими дросселями 12, 14 и эквивалентной емкостью параллельного нагрузочного контура 13, 17). Как видно включение вентилей 3, 6 производится при нулевом уровне напряжения на них в интервале проводимости смежных встречно-параллельных диодов 7, 10, что обуславливает минимальные электрические потери при включении. Мгновенный ток вентилей 3, 6 (4, 5) имеет квазисинусоидальную форму (режим согласованного инвертора). Ток через параллельный нагрузочный контур, образованный индукционным нагревателем 17 и компенсирующим конденсатором 13, при включении вентилей 3, 6 начинает протекать от конденсатора фильтра 11 автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией по цепи: 11-3-12-(13, 17)-14-6-11. Конденсатор фильтра 11 имеет достаточно большую емкость, для качественного сглаживания напряжения на входе однофазного моста. Заряд конденсатора фильтра 11 осуществляется от источника питания автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией по цепи: «+»-1-11-2-«-». Компенсирующий конденсатор 13 разряжается до нуля и, далее, колебательно перезаряжается до напряжения условно положительной полярности (положительный потенциал на левой по схеме обкладке). Параметры цепи: 11-3-12-(13, 17)-14-6-11 и углы опережения выбираются такими, чтобы электромагнитные процессы в ней также имели колебательный характер. То есть, указанная цепь представляют собой последовательный колебательный контур, образованный коммутирующими дросселями 12, 14 и нескомпенсированной частью емкости компенсирующего конденсатора 13. Ток управляемых вентилей 3, 6 вначале возрастает, а затем спадает по квазиколебательному закону. В момент равенства тока управляемых вентилей 3, 6 некоторому минимальному уровню они выключаются. То есть, выключение управляемых вентилей 3, 6 также происходит с опережением на некоторый угол относительно моментов колебательного спада тока через них до нуля (индуктивная расстройка эквивалентного последовательного колебательного контура). Выключение управляемых вентилей 3, 6 осуществляется практически с нулевыми коммутационными потерями, так как уровень тока через них при выключении значительно ниже максимального уровня тока. В момент выключения управляемых вентилей 3, 6 заканчивается первый интервал полупериода Т/2 одновременной проводимости управляемых вентилей (3, 6) однофазного моста. После выключения управляемых вентилей 3, 6 во втором интервале (паузы) за счет электромагнитной энергии, накопленной в электромагнитном поле коммутирующих дросселей 13, 14, ток в диагонали переменного тока протекает в прежнем направлении и замыкается через встречно-параллельные диоды 8, 9 по цепи: 12-(13, 17)-14-9-11-8-12. Происходит сравнительно быстрый спад тока диодов 8, 9 до нуля. Таким образом, имеем режим резонансного переключения или коммутации вентилей. На втором интервале полупериода Т/2 когда включаются встречно-параллельные диоды 8, 9 ток дальнейшего разряда компенсирующего конденсатора 13 происходит по цепи: 13-14-9-11-8-12-13. Одновременно компенсирующий конденсатор 13 продолжает перезаряжаться через нагрузку 17 по цепи: 13-17-13. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 8, 9 к включающимся на следующем полупериоде Т/2 управляемым вентилям 4, 5 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующем встречно-параллельном диоде 8, 9, и управляемые вентили 4, 5 могут включаться при малых коммутационных потерях. К моменту выключения встречно-параллельных диодов 8, 9 заканчивается второй интервал рассматриваемого полупериода Т/2. Далее включаются управляемые вентили 4, 5. Компенсирующий конденсатор 13 в указанный момент времени заряжен с условно положительной полярностью напряжения и колебательно перезаряжается до напряжения противоположной полярности (отрицательный потенциал на левой по схеме обкладке). С момента включения управляемых вентилей 4, 5 заканчивается первый полупериод Т/2 в работе автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Во втором полупериоде Т/2, при работе управляемых вентилей 4, 5 и встречно-параллельных диодов 7, 10, электромагнитные процессы в автономном согласованном инверторе с резонансной коммутацией протекают аналогично, но токи через параллельный нагрузочный контур (13, 17) с индукционным нагревателем 17 на временных интервалах второго полупериода Т/2 имеют противоположное направление. По окончании второго полупериода Т/2 снова включается управляемые вентили 3, 6. Далее электромагнитные процессы в инверторе (новый период Т выходного сигнала) полностью повторяются. Снабберные конденсаторы 15, 16 снижают уровень электромагнитных помех и перенапряжений на выводах постоянного тока однофазного моста инвертора. При их работе импульсное напряжение электромагнитных помех эффективно шунтируется на нулевой вывод корпуса устройства.
Управляемые вентили 3-6 при реализации автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией могут быть выполнены как однооперационными симметричными или не имеющими обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, реверсивно-включаемые динисторы, газоразрядные вентили) с искусственной коммутацией, так и двухоперационными, то есть, полностью управляемыми симметричными или несимметричными (запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи).
При использовании однооперационных вентилей необходим режим работы с емкостной расстройкой как параллельного нагрузочного, так и эквивалентного последовательного контура. В этом случае после естественного выключения очередной пары вентилей 3, 6 или 4, 5 включаются шунтирующие их встречно-параллельные диоды 7, 10 или 8, 9. Как видно, электромагнитные процессы в автономном согласованном инверторе, выполненном на однооперационных вентилях, несколько отличаются. В интервале проводимости встречно-параллельных диодов (7-10) к управляемым вентилям (3-6) прикладывается небольшое отрицательное напряжение, равное падению напряжения на встречно-параллельных диодах, и они восстанавливают свои управляющие свойства.
Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией при использовании двухоперационных вентилей также может работать и в режиме с емкостной расстройкой как параллельного нагрузочного, так и эквивалентного последовательного контура. Электромагнитные процессы в автономном инверторе на двухоперационных вентилях в этом случае будут аналогичны электромагнитным процессам в инверторах, выполненных на однооперационных вентилях.
В автономном согласованном инверторе с резонансной коммутацией возможна реализация двухчастотного (многочастотного) режима работы. В двухчастотном режиме периодическое переключение пар вентилей 3, 6 и 4, 5 производится на низкой выходной частоте. Нагрузочный параллельный колебательный контур (13, 17) настраивается на высокую выходную частоту. В каждом полупериоде Т/2 в двухчастотном режиме пары вентилей 3, 6 и 4, 5 включаются многократно и проводят ток в течение интервалов, близких к половине периода высокой выходной частоты. Двухчастотный режим работы требуется для некоторых технологических процессов, таких как индукционная поверхностная закалка или плавка сверхчистых металлов.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Это достигается комплексным снижением величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов за счет использования параллельной компенсации реактивности индукционного нагревателя (нагрузки), уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, коммутационных электрических потерь в элементах схемы за счет «мягкой» коммутации управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов и действия снабберных конденсаторов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра, электрических потерь в дросселях фильтра и коммутирующих дросселях. Повышается устойчивость и, следовательно, надежность работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией и уменьшается вероятность срывов инвертирования при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель, плазмохимическая или осветительная установка), а также сбоев в системе управления инвертора.
Повышение надежности автономного согласованного резонансного инвертора оценивается по времени наработки устройства на отказ. Согласно экспериментальных исследований и экспертных оценок время наработки на отказ заявляемого инвертора может быть увеличено на 50÷60%.
По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается коэффициент полезного действия (на 4-5%) 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, эффективной компенсации реактивности нагрузки) и электрических потерь в дросселях фильтра и коммутирующих дросселях.
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.
Дополнительно (по сравнению с прототипом) могут быть снижены весогабаритные показатели (до 30%) автономного инвертора за счет выполнения дросселей фильтра и коммутирующих дросселей с магнитной связью и общего снижения электрических потерь.