НЕЗАВИСИМЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ С КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована при проектировании источников питания для индукционных нагревателей, сварочных инверторов и преобразователей для других электротехнических нагрузок повышенной частоты. Полезная модель повышает надежность работы независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией.
Известен независимый инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора напряжения выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированными формирующими конденсаторами, между выводами переменного тока которого включена первичная обмотка однофазного согласующего трансформатора, а выводы вторичной обмотки однофазного согласующего трансформатора соединены с выходными выводами инвертора напряжения (П.2159497 РФ, МКИ Н05М 5\44. Способ управления преобразователем частоты / Силкин Е.М. - Заявл. 13.04.99, Опубл. 20.11.00, Б.И. №32).
Недостатком независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено возможным переходом инвертора напряжения в режим с неограниченным разрядом формирующих конденсаторов через управляемые вентили при сбросах нагрузки или внутримостовом фазовом регулировании, высокими уровнями перенапряжений на обмотках однофазного согласующего трансформатора и электромагнитных помех при работе на существенно нелинейные нагрузки, например, разрядные, с полупроводниковым выпрямителем и другие высокочастотные нелинейные нагрузки.
Известен независимый инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора напряжения выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированными формирующими конденсаторами, между выводами переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель и первичную обмотку однофазного согласующего трансформатора, выводы вторичной обмотки однофазного согласующего трансформатора соединены с выходными выводами инвертора напряжения (Силкин Е.М., Кузьмин А.Ф. Системы управления с транзисторными преобразователями для промышленных озонаторов большой мощности // Электротехника. - 2001. - №5. - С.42-46).
Недостатком независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено возможным переходом инвертора напряжения в режим с неограниченным разрядом формирующих конденсаторов через управляемые вентили при сбросах нагрузки или внутримостовом фазовом регулировании, высокими уровнями перенапряжений на обмотках однофазного согласующего трансформатора и электромагнитных помех при работе на существенно нелинейные нагрузки, например, разрядные, с полупроводниковым выпрямителем и другие высокочастотные нелинейные нагрузки.
Известен независимый инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора напряжения выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированными формирующими конденсаторами, между выводами переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель и первичную обмотку однофазного согласующего трансформатора, выводы вторичной обмотки однофазного согласующего трансформатора соединены с выходными выводами инвертора напряжения (П.2155432 РФ, МКИ Н02М 5\45. Преобразователь частоты \ Силкин Е.М. - Заявл. 13.04.99, Опубл. 27.08.00, Б.И. №24).
Указанный независимый инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы. Это обусловлено возможным переходом инвертора напряжения в режим с неограниченным разрядом формирующих конденсаторов через управляемые вентили при сбросах нагрузки или внутримостовом фазовом регулировании, высокими уровнями перенапряжений на обмотках однофазного согласующего трансформатора и электромагнитных помех при работе на существенно нелинейные нагрузки, например, разрядные, с полупроводниковым выпрямителем и другие нелинейные высокочастотные нагрузки.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что независимый инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией содержит, подключенный к входным выводам инвертора напряжения выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированными формирующими конденсаторами, между выводами переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель, первичную обмотку однофазного согласующего трансформатора и второй коммутирующий дроссель, зашунтированная коммутирующим конденсатором, первичная обмотка однофазного согласующего трансформатора подключена к входным выводам инвертора напряжения через встречный однофазный мост на диодах, а выводы вторичной обмотки однофазного согласующего трансформатора соединены с выходными выводами инвертора напряжения.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией, что обусловлено уменьшением отрицательного влияния заряда коммутирующего конденсатора и неограниченных разрядов формирующих конденсаторов через управляемые вентили при сбросах нагрузки или внутримостовом фазовом регулировании, снижением уровней перенапряжений на обмотках однофазного согласующего трансформатора и электромагнитных помех при работе на существенно нелинейные нагрузки, например, разрядные, с полупроводниковым выпрямителем и другие нелинейные высокочастотные нагрузки за счет симметричного ограничения максимальных напряжений на первичной обмотке однофазного согласующего трансформатора на уровне напряжения питания.
Повышение надежности работы независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора напряжения, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией являются существенными.
На рисунке приведена схема независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией.
Независимый инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией содержит, подключенный к входным выводам инвертора напряжения выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях 1-4 с встречно-параллельными диодами 5-8, зашунтированными формирующими конденсаторами 9-12, между выводами переменного тока которого включена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель 13, первичную обмотку однофазного согласующего трансформатора 14 и второй коммутирующий дроссель 15, зашунтированная коммутирующим конденсатором 16. Первичная обмотка однофазного согласующего трансформатора подключена к входным выводам инвертора напряжения через встречный однофазный мост на диодах 17-20. Выводы вторичной обмотки однофазного согласующего трансформатора соединены с выходными выводами инвертора напряжения. Нагрузка 21 подключена к выходным выводам независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией.
Независимый инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 1, 4 и 2, 3 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала инвертора напряжения. Коммутирующий конденсатор 16 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности цепи нагрузки 21, однофазного согласующего трансформатора 14 и коммутирующих дросселей 13, 15. Коммутирующие дроссели 13, 15 могут выполняться в виде самостоятельных элементов или представлять собой индуктивность нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей). Формирующие конденсаторы 9-12 обеспечивают «траектории» переключения управляемых вентилей 1-4 и встречно-параллельных диодов 5-8. Управляемые вентили 1-4 включаются при нулевых значениях тока и напряжения на них, а выключаются при максимальном токе и нулевом напряжении. Встречно-параллельные диоды 5-8 включаются при максимальном токе и нулевом напряжении на них, а выключаются при нулевых значениях тока и напряжения за счет совместного действия формирующих 9-12 и коммутирующего 16 конденсаторов.
Полный цикл (период) выходного сигнала независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией состоит из двух временных интервалов (полупериодов), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 1-4 и встречно-параллельных диодов 5-8. В каждом полупериоде можно выделить три временных интервала (одновременной работы двух встречно-параллельных диодов 5, 8 или 6, 7, двух управляемых вентилей 1, 4 или 2, 3 однофазного моста и паузы). Основной интервал соответствует интервалу одновременной проводимости двух управляемых вентилей однофазного моста 1, 4 или 2, 3. На этом интервале энергия от источника питания инвертора напряжения передается в нагрузку 21. Два других интервала фактически соответствуют времени (интервалу) коммутации. На интервалах одновременной проводимости двух управляемых вентилей 1, 4 (2, 3) и двух смежных встречно-параллельных диодов 5, 8 (6, 7) к выключенным управляемым вентилям 2, 3 (1, 4) прикладывается прямое максимальное напряжение, а к их смежным встречно-параллельным диодам 6, 7 (5, 8) максимальное обратное (отрицательное) напряжение, равное напряжению источника питания инвертора напряжения.
В момент включения (начало полупериода), например, управляемых вентилей 1, 4 ток через нагрузку 21 протекает от источника питания инвертора напряжения по цепи:+-1-13-14(21)-15-4--. Коммутирующий конденсатор 16 заряжен с полярностью «+» на левой по схеме обкладке до напряжения источника питания. Формирующие конденсаторы 9, 12 разряжены, а 10, 11 заряжены до максимального напряжения, равного напряжению источника питания. Формирующие конденсаторы 9, 12 в момент выключения управляемых вентилей 1, 4 начинают заряжаться, коммутирующий конденсатор 16 перезаряжаться, а формирующие конденсаторы 10, 11 разряжаться по колебательному закону по контурам: 16-13-14-15-16, 9-13-14-15-11-9 и 12-10-13-14-15-12. С момента выключения управляемых вентилей 1, 4 начинается интервал паузы. Таким образом, в данном интервале времени одновременно не проводят все управляемые вентили 1-4 и встречно-параллельные диоды 5-8 однофазного моста, а электромагнитные процессы осуществляются за счет энергии, накопленной в электрических и электромагнитных полях формирующих конденсаторов 9, 12, коммутирующего конденсатора 16, коммутирующих дросселей 13, 15, однофазного согласующего трансформатора 14 и нагрузки 21. Параметры контуров коммутации выбираются такими, чтобы электромагнитные процессы в них имели, как уже отмечено, колебательный характер. То есть, указанные цепи представляют собой последовательные колебательные контуры. В интервале паузы напряжение на выключившихся управляемых вентилях 1, 4 плавно нарастает, а напряжение на управляемых вентилях 2, 3 плавно снижается до нуля. В момент, когда напряжения на формирующих конденсаторах 10, 11 станут равными нулю, а напряжение на коммутирующем конденсаторе 16 станет равным напряжению источника питания с «+» на правой по схеме обкладке, включатся встречно-параллельные диоды 6, 7. После спада тока встречно-параллельных диодов 6, 7 до нуля включатся управляемые вентили 2, 3 и закончится полупериод в работе инвертора напряжения. Электромагнитные процессы на втором полупериоде будут протекать аналогично.
16
9
9
Формирующие конденсаторы 9-12 могут иметь малую емкость или отсутствовать в схеме (модификации). Их роль выполнит коммутирующий конденсатор 16, который при этом должен иметь емкость С, равную: С=C+С, где С - емкость формирующего конденсатора. Коммутирующие дроссели 13, 15 также могут не устанавливаться. Их роль выполнит индуктивность рассеяния однофазного согласующего трансформатора 14. При отсутствии коммутирующих дросселей 13, 15 исключается из схемы встречный однофазный мост на диодах 17-20.
Встречный однофазный мост на диодах 17-20 служит для симметричного ограничения напряжений на выводах первичной обмотки однофазного согласующего трансформатора 14 на уровне напряжения питания инвертора, что снимает возможные перенапряжения на обмотках при использовании нелинейных, например, разрядных нагрузок. При внутримостовом фазовом регулировании диоды 17-20 встречного однофазного моста участвуют в работе и, тем самым, расширяют диапазон возможных (безопасных) нагрузок независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией. Это достигается уменьшением отрицательного влияния заряда коммутирующего конденсатора и неограниченных разрядов формирующих конденсаторов через управляемые вентили при сбросах нагрузки или внутримостовом фазовом регулировании, снижением уровней перенапряжений на обмотках однофазного согласующего трансформатора и электромагнитных помех за счет симметричного ограничения максимальных напряжений на первичной обмотке однофазного согласующего трансформатора на уровне напряжения питания.
Повышение надежности независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией оценивается по времени наработки устройства на отказ. Согласно данным экспериментальных исследований и экспертных оценок время наработки на отказ заявляемого инвертора напряжения может быть увеличено на 45-60%.
По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается коэффициент полезного действия инвертора напряжения за счет уменьшения коммутационных потерь в управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах (снижение уровней коммутационных перенапряжений, скоростей нарастания и скоростей спада тока при включениях и выключениях управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, рекуперация энергии перенапряжений в источник питания и нагрузку, исключение разрядных токов формирующих конденсаторов).
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части независимого инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией 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