АВТОНОМНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ИНВЕРТОР С КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для телекоммуникационных систем, разрядных ламп, индукционных нагревателей, озонаторов и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией.
Известен автономный инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, к выводам переменного тока которого подключены выходные выводы инвертора, зашунтированные коммутирующим конденсатором (П. 0072802 РФ, МКИ Н02М 7\5387. Инвертор напряжения \ Силкин Е.М. - Заявл. 14.12.07, Опубл. 27.04.08, Б.И. №12).
Недостатком автономного инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией является недостаточная надежность при работе на нагрузку с повышенной добротностью, что обусловлено неполной компенсацией и большими амплитудами токов через управляемые вентили и встречно параллельные диоды.
Известен автономный инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, к выводам переменного тока которого подключена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель и выходные выводы инвертора, управляемые вентили зашунтированы коммутирующими конденсаторами (П. 2155432 РФ, МКИ Н02М 5\45. Преобразователь частоты \ Силкин Е.М. - Заявл. 13.04.99, Опубл. 27.08.00, Б.И. №24).
Недостатком автономного инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией является недостаточная надежность при работе на нагрузку с повышенной добротностью, что обусловлено сложностью схемы, неполной компенсацией и большими амплитудами токов через управляемые вентили и встречно параллельные диоды.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, к выводам переменного тока которого подключена последовательная цепь, содержащая дроссель насыщения, компенсирующий конденсатор, выходные выводы инвертора, второй компенсирующий конденсатор и второй дроссель насыщения, зашунтированная симметричным ограничителем напряжения (П. 0057064 РФ, МКИ Н02М 7\5387. Инвертор \ Силкин Е.М. - Заявл. 06.03.06, Опубл. 27.09.06, Б.И. №27).
Указанный автономный согласованный инвертор является наиболее близким, по технической сущности, к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, выбранного за прототип полезной модели, является низкая надежность работы на нагрузку с повышенной добротностью. Это обусловлено сложностью схемы, неполной компенсацией реактивности нагрузки (емкостная расстройка), высокими уровнями коммутационных потерь и перенапряжений, электромагнитных помех, скоростей нарастания напряжения и большими амплитудами токов через управляемые вентили и встречно параллельные диоды, что может привести к выходу их из строя. Излучаемые электромагнитные помехи могут вызывать сбои в системе управления автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы автономного согласованного инвертора, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией содержит, подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, к выводам переменного тока которого подключена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель, компенсирующий конденсатор, выходные выводы инвертора, второй компенсирующий конденсатор и второй коммутирующий дроссель, зашунтированная коммутирующим конденсатором.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией на различные нагрузки с повышенной и высокой добротностью, что достигается снижением уровней коммутационных потерь и перенапряжений, электромагнитных помех, скоростей нарастания напряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, уровней токов через них. Это уменьшает вероятность выхода управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов из строя, а также сбоев в системе управления инвертора. Заявляемый автономный согласованный инвертор относится к новому классу преобразовательных устройств силовой электроники.
Повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора, порядком их включения, реализуемым способом управления и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией являются существенными.
На рисунке приведена схема автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией.
Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией содержит, подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра 1, 2 выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях 3-6 с встречно-параллельными диодами 7-10, зашунтированный конденсатором фильтра 11, к выводам переменного тока которого подключена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель 12, компенсирующий конденсатор 13, выходные выводы инвертора 14, второй компенсирующий конденсатор 15 и второй коммутирующий дроссель 16, зашунтированная коммутирующим конденсатором 17.
Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом.
Импульсы управления на управляемые вентили 3, 6 и 4, 5 автономного инвертора подаются и вентили 3, 6 и 4, 5 включаются поочередно в моменты перехода напряжения на них через нуль с положительной в отрицательную область значений, то есть, не ранее момента равенства напряжения на конденсаторе фильтра 11 и мгновенного значения напряжения на коммутирующем конденсаторе 17, и не позднее момента выключения соответствующих встречно-параллельных диодов 7, 10 и 8, 9. Выключение управляемых вентилей 3, 6 и 4, 5 производится не позднее прогнозируемого момента перехода через нулевое значение мгновенного тока в последовательной цепи коммутирующего дросселя 12, компенсирующего конденсатора 13, нагрузки
14 (выходных выводов инвертора), второго компенсирующего конденсатора
15 и второго коммутирующего дросселя 16, образующей нагрузочный колебательный контур последовательного типа. Между моментами выключения пары управляемых вентилей 3, 6 или 4, 5 и включения очередной пары управляемых вентилей 4, 5 или 3, 6 имеет место пауза в работе. Частота со управления вентилями 3, 6 и 4, 5 устанавливается выше собственной частоты ω последовательного колебательного контура нагрузки 14. То есть, расстройка последовательного контура нагрузки 14 является индуктивной. За счет энергии, накопленной в электромагнитном поле эквивалентной индуктивности последовательного колебательного контура нагрузки 14, производится переразряд емкости коммутирующего конденсатора 17 до напряжения противоположной полярности в интервалах паузы (после выключения очередной пары управляемых вентилей 3, 6 или 4, 5). В момент равенства напряжения на конденсаторе фильтра 11 и мгновенного значения напряжения на коммутирующем конденсаторе 17 включаются соответствующие встречно-параллельные диоды 7, 10 (при условно положительной) или 8, 9 (при условно отрицательной полярности напряжения на коммутирующем конденсаторе 17). Управляемые вентили 3, 6 или 4, 5 в интервалах проводимости соответствующих встречно-параллельных диодов 7, 10 или 8, 9 тока не проводят. После выключения встречно-параллельных диодов 7, 10 или 8, 9 управляемые вентили 3, 6 или 4, 5 вступают в работу и начинают проводить ток, который изменяется по колебательному закону до момента их отключения (снятия управляющих импульсов). Управляемые вентили 3, 6 или 4, 5 и встречно-параллельные диоды 7, 10 или 8, 9, таким образом, проводят ток в течение суммарного интервала времени, равного половине периода выходного переменного напряжения в положительном и отрицательном полупериодах. Период (полный цикл работы инвертора) выходного переменного напряжения соответствует полному циклу работы всех управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10.
Коммутирующий конденсатор 17 обеспечивает частичную параллельную компенсацию реактивности цепи нагрузки 14, имеющей высокую добротность, и режим квазирезонансной коммутации. Собственная частота эквивалентного параллельного контура (17, 14) несколько выше частоты ω выходного переменного напряжения инвертора. То есть, параллельный контур также работает с индуктивной расстройкой. Для обеспечения режима квазирезонансной коммутации необходимо, чтобы собственная частота ψ эквивалентного параллельного колебательного контура (17, 14) удовлетворяла условию: ψ>>ω.
Дроссели фильтра 1, 2 обеспечивают защиту элементов автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией при коротких замыканиях в нагрузке 14, неисправностях элементов схемы, при выходе из строя полностью управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10 и симметричное ограничение тока при глухом закорачивании выводов нагрузки 14 на «землю» (корпус) устройства. Дроссели фильтра 1, 2 также служат для фильтрации переменной составляющей напряжения на конденсаторе фильтра 11 и уменьшения отрицательного влияния на источник питания инвертора или фильтрации переменной составляющей тока источника питания инвертора. Конденсатор фильтра 11 обеспечивает эффективную фильтрацию напряжения на выводах постоянного тока однофазного моста на управляемых вентилях 3-6 и встречно-параллельных диодах 7-10.
Включение полностью управляемых вентилей 3-6 осуществляется при нулевых значения тока и напряжения на них. Выключение управляемых вентилей 3-6 происходит при минимально возможном токе через них в интервале колебательного спада указанного тока. За счет действия коммутирующего конденсатора 17, шунтирующего последовательную цепь нагрузки 14, перенапряжения в схеме инвертора отсутствуют (коммутация при нулевом напряжении), а коммутационные потери при выключении управляемых вентилей 3- 6 незначительны. Встречно-параллельные диоды 7-10 проводят минимально возможный ток в течение малого интервала времени.
Последовательная компенсация реактивности нагрузки 14 является наиболее предпочтительной при высокой добротности, так как обеспечивает протекание минимальных токов через элементы схемы инвертора при выполнении его на заданную мощность за счет передачи энергии в нагрузку 14 на повышенном напряжении.
Коммутирующие дроссели 12, 16 выполняются в виде самостоятельных элементов, либо представляют собой индуктивности соединительных шин.
Разделение общей компенсирующей емкости на части 13, 15 позволяет ограничить аварийные токи короткого замыкания нагрузки 14 и обеспечить, совместно с коммутирующими дросселями 12, 16, работоспособность инвертора практически до режима короткого замыкания.
Управляемые вентили 3-6 при реализации инвертора могут быть выполнены как на двухоперационных тиристорах, так и на транзисторах различных типов, а также на комбинированных ключах и аналогах полностью управляемых вентилей на приборах с неполной управляемостью.
По сравнению с прототипом повышается надежность работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией на нагрузку с высокой добротностью. Это достигается за счет снижения величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов (более чем в три раза в практических случаях), уровней перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, возникающих при их коммутациях, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, нежесткой (квазирезонансной) коммутацией управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов. Повышается устойчивость работы инвертора и снижается вероятность срывов инвертирования при работе, например, на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель, озонатор) при сбоях в системе управления инвертора.
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части инвертора и расширена область применения за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.
По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается коэффициент полезного действия инвертора за счет уменьшения токов и коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах (снижение уровней коммутационных перенапряжений, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку).