ИНВЕРТОР ТОКА

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель расширяет диапазон регулирования выходных параметров инвертора тока.
Известен инвертор тока, содержащий первую и вторую последовательные цепи состоящие, соответственно, из первого и второго управляемых вентилей, третьего и четвертого управляемых вентилей, соединенные параллельно, общая точка соединения первого и третьего управляемых вентилей подключена к положительному входному выводу инвертора тока, а общая точка соединения второго и четвертого управляемых вентилей подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через дроссель фильтра, точки соединения управляемых вентилей первой и второй последовательных цепей подключены к выходным выводам инвертора тока, зашунтированным компенсирующим конденсатором (Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е.И.Беркович, Г.В.Ивенский, Ю.С.Иоффе и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - С.16).
Недостатком инвертора тока является узкий диапазон регулирования (отсутствие возможности регулирования выходных параметров без применения специальных мер).
Известен инвертор, содержащий первую и вторую последовательные цепи состоящие, соответственно, из первого и второго коммутирующих конденсаторов, первого и второго управляемых вентилей, соединенные параллельно, общая точка соединения первого коммутирующего конденсатора и первого управляемого вентиля подключена к положительному входному выводу инвертора, а общая точка соединения второго коммутирующего конденсатора и второго управляемого вентиля подключена к отрицательному входному выводу инвертора, третью последовательную цепь, состоящую из коммутирующего
дросселя и выходных выводов инвертора, подключенную между точками соединения коммутирующих конденсаторов и управляемых вентилей первой и второй последовательных цепей (Чиженко И.М., Руденко B.C., Сенько В.И. Основы преобразовательной техники. - М.: Высшая школа, 1974. - С.257).
Недостатком инвертора является узкий диапазон регулирования (отсутствие возможности регулирования выходных параметров без применения специальных мер).
Известен инвертор тока, содержащий первую и вторую последовательные цепи состоящие, соответственно, из первого и второго управляемых вентилей, третьего и четвертого управляемых вентилей, соединенные параллельно, общая точка соединения первого и третьего управляемых вентилей подключена к положительному входному выводу инвертора тока, а общая точка соединения второго и четвертого управляемых вентилей подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через дроссель фильтра, третью последовательную цепь, состоящую из коммутирующего дросселя и выходных выводов инвертора тока, зашунтированных компенсирующим конденсатором, подключенную между точками соединения управляемых вентилей первой и второй последовательных цепей (П. 2246170 РФ, МКИ Н 02 М 7\5387. Инвертор тока \ Силкин Е.М \\ Б.И. - 2005. - №4).
Указанный инвертор тока является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком инвертора тока является узкий диапазон регулирования (отсутствие возможности регулирования выходных параметров без применения специальных мер).
Полезная модель направлена на решение задачи расширения диапазона регулирования выходных (электрических) параметров инвертора тока, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что инвертор тока, содержит первую и вторую последовательные цепи состоящие, соответственно, из первого дросселя фильтра и первого
управляемого вентиля, второго дросселя фильтра и второго управляемого вентиля, соединенные параллельно, общая точка соединения дросселей фильтра подключена к положительному входному выводу инвертора тока через третий управляемый вентиль, а общая точка соединения управляемых вентилей первой и второй последовательных цепей подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через третий дроссель фильтра, третью последовательную цепь, состоящую из коммутирующего дросселя и выходных выводов инвертора тока, зашунтированных компенсирующим конденсатором, подключенную между точками соединения дросселей фильтра и управляемых вентилей первой и второй последовательных цепей, диод, анод которого соединен с отрицательным входным выводом инвертора тока, а катод подключен к общей точке соединения дросселей фильтра первой и второй последовательных цепей.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является расширение диапазона регулирования выходных параметров инвертора тока за счет регулирования среднего значения напряжения между входными выводами инвертора тока (на входе).
Расширение диапазона регулирования выходных параметров инвертора тока является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора тока, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого инвертора тока являются существенными.
На рисунке приведена схема инвертора тока.
Инвертор тока содержит первую и вторую последовательные цепи состоящие, соответственно, из первого дросселя фильтра 1 и первого управляемого вентиля 2, второго дросселя фильтра 3 и второго управляемого вентиля 4, соединенные параллельно. Общая точка соединения дросселей фильтра подключена к положительному входному выводу инвертора тока через третий управляемый вентиль 5, а общая точка соединения управляемых вентилей первой и второй последовательных цепей подключена к отрицательному
входному выводу инвертора тока через третий дроссель фильтра 6. Инвертор тока также содержит третью последовательную цепь, состоящую из коммутирующего дросселя 7 и выходных выводов инвертора тока, зашунтированных компенсирующим конденсатором 8, подключенную между точками соединения дросселей фильтра и управляемых вентилей первой и второй последовательных цепей. К выходным выводам инвертора тока подключен индукционный нагреватель 9. Инвертор тока, кроме того, содержит диод 10. Анод диода, соединен с отрицательным входным выводом инвертора тока, а катод подключен к общей точке соединения дросселей фильтра первой и второй последовательных цепей. Инвертор тока в установившемся (стационарном) режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 1, 4 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного тока инвертора тока. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 3, 6 выбраны достаточно большими для качественной фильтрации входного тока устройства. Выполнение указанного условия обеспечивает сглаживание пульсаций тока, протекающего через дроссели фильтра 1, 3, 6, и протекание через элементы третьей последовательной цепи (цепи индукционного нагревателя 9) тока практически прямоугольной формы (идеально сглаженный или квазипрямоугольный ток). Компенсирующий конденсатор 8 обеспечивает компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя 9. Полный период выходного тока состоит из двух временных интервалов (полупериодов), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 2, 4. При работе управляемого вентиля 2 общий ток от источника питания инвертора тока, разделенный приблизительно пополам в дросселях фильтра 1, 3, протекает через индукционный нагреватель 8 по цепи: +-3-(8, 9)-7-2-6---+. В контуре нагрузки (8, 9) формируется положительная полуволна тока. При включении управляемого вентиля 2 ток управляемого вентиля 4 уменьшается в течение части коммутационного интервала времени до нулевого значения за счет разряда компенсирующего конденсатора 8 по цепи: 8-7-2-4-8. Момент включения очередного управляемого
вентиля (2, 4) последовательных цепей устанавливается с незначительным опережением относительно момента перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 8 через нуль. Управляемые вентили (2, 4) могут быть выполнены симметричными или не имеющими обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, транзисторы, реверсивно включаемые динисторы, газоразрядные вентили). В этом случае в структуре управляемого вентиля (2, 4) или параллельно ему устанавливается встречный диод. Управляемый вентиль 4 выключается в момент равенства тока через него нулевому значению. В момент спада прямого тока управляемого вентиля 4 до нулевого значения (если напряжение на компенсирующем конденсаторе 8 не уменьшилось до нулевого значения) может включаться его встречный диод, что обеспечивает ограничение напряжения на выключающемся управляемом вентиле 4 в интервале коммутации на уровне напряжения на встречном диоде. Встречный диод может оставаться во включенном состоянии до момента снижения напряжения на третьей последовательной цепи до нулевого значения, что исключает перенапряжение на выключающемся управляемом вентиле 4 и снижает коммутационные потери в нем. Коммутирующий дроссель 7 предотвращает закорачивание компенсирующего конденсатора 8 через управляемые вентили (2, 4) и (или) их встречные диоды при включении очередного управляемого вентиля (2, 4). Индуктивность коммутирующего дросселя 7 может включать как индуктивность самостоятельного элемента, так и представлять собой индуктивность соединительных шин, согласующего нагрузочного трансформатора (при его использовании) или комбинацию указанных индуктивностей. По окончании полупериода включается управляемый вентиль 4. При включении управляемого вентиля 4 ток управляемого вентиля 2 уменьшается в течение части коммутационного интервала времени до нулевого значения. Вентиль 2 выключается в момент равенства тока через него нулю. Электромагнитные процессы во втором полупериоде выходного тока протекают аналогично. В контуре индукционного нагревателя при
этом (8, 9) формируется отрицательная полуволна выходного тока. По окончании второго полупериода снова включается вентиль 2. Далее электромагнитные процессы в инверторе тока (новый период выходного переменного тока) повторяются.
Дроссель фильтра 6 служит для повышения качества сглаживания входного тока инвертора тока, а также предотвращает возможное закорачивание и существенное возрастание тока через вентили 2, 4 при замыкании индукционного нагревателя 9 на «землю».
Регулирование выходных электрических параметров инвертора тока в широком диапазоне осуществляется изменением интервала проводящего состояния управляемого вентиля 5 на заданном временном интервале повторяемости. В интервале проводящего состояния управляемого вентиля на инвертор тока поступает напряжение питания (энергия) от источника питания, подключенного к входным выводам инвертора тока. В интервале выключенного состояния управляемого вентиля 5 источник питания отключен от инвертора тока. В этом интервале в нагрузочном контуре (8, 9) расходуется электромагнитная энергия, накопленная в магнитном поле дросселей фильтра 1, 3, 6. Ток дросселей фильтра 1, 3, 6 замыкается через диод 10. Регулирование выходных электрических параметров инвертора тока может также осуществляться изменением частоты импульсов тока управляемого вентиля 5 при постоянной длительности интервала его проводящего состояния. Рассмотренные способы в определенном смысле равнозначны и заключаются в изменении среднего значения напряжения на входе инвертора тока
По сравнению с прототипом существенно расширяется диапазон регулирования выходных параметров инвертора тока за счет регулирования среднего значения напряжения на входе инвертора тока изменением интервала проводящего состояния управляемого вентиля 5 на заданном временном интервале повторяемости или частоты импульсов тока управляемого вентиля 5 при постоянной длительности интервала его проводящего состояния. Диапазон регулирования выходных параметров заявляемого инвертора тока может составить до 100% от максимальных значений выходных электрических параметров.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия инвертора тока. Выходное напряжение заявляемого инвертора тока в два раза выше выходного напряжения известного инвертора тока. Действительно, действующее значение выходного переменного напряжения заявляемого инвертора тока U может быть приблизительно выражено зависимостью:
U=2νЕ/(cos(β-γ/2)cos(γ/2)),
где ν - схемный постоянный (числовой) коэффициент; Е - среднее значение напряжения источника питания инвертора тока; β - угол опережения; γ - угол коммутации. Выходное напряжения известного инвертора тока приблизительно равно:
U=νЕ/(cos(β-γ/2)cos(γ/2)).
Как видно из последнего выражения выходное напряжение в схеме прототипа в два раза ниже, чем в заявляемом инверторе тока, при равном значении напряжения источника питания инвертора тока, углов опережения и коммутации. Известно, что преобразование электрической энергии при повышенном выходном напряжении инвертора тока (или, в общем виде, любой системы электропитания) энергетически более выгодно, так как передача энергии осуществляется с меньшими активными потерями от протекающих токов. При этом, например, индуктор большей мощности может быть подключен к выходным выводам нового инвертора тока через соединительные шины (кабели) одинакового сечения, а индуктор равной мощности может быть подключен к выходным выводам нового инвертора тока через соединительные шины (кабели) меньшего сечения. Потери в соединительных шинах в установках индукционного нагрева при использовании нового инвертора тока, таким образом, могут быть снижены. В результате, увеличивается передаваемая в нагрузку мощность, уменьшается время нагрева, что также повышает коэффициент полезного действия всей установки индукционного нагрева (индукционного нагревателя) в целом. В цепях коммутируемых токов в заявляемом инверторе тока используется меньшее число полупроводниковых приборов, что позволяет уменьшить как статические, так и
коммутационные потери в управляемых вентилях и цепях защиты от перенапряжений. Согласно экспертной оценке и экспериментального анализа при выполнении инверторов тока по заявляемой схеме, например, для средних частот и мощностей коэффициент полезного действия может быть увеличен на 8-10%.
Дополнительно может быть существенно повышена надежность работы нового инвертора тока, упрощена конструкция его энергетической (силовой) части и уменьшена его стоимость по сравнению с прототипом за счет уменьшения числа управляемых вентилей и упрощения системы регулирования, защиты и управления, повышена надежность и снижена материалоемкость установок индукционного нагрева за счет увеличения уровня выходного напряжения инвертора тока, В частности, может быть уменьшено сечение проводников соединительных водоохлаждаемых кабелей для подключения индуктора индукционного нагревателя к выходным выводам инвертора тока, например, в установках индукционной плавки, что существенно повысит надежность плавильной установки и упростит ее техническое обслуживание.