АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
SELF-EXCITED VOLTAGE INVERTER (VERSIONS)

Изобретения относятся к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники для преобразователей низкой частоты.
Известен автономный инвертор напряжения (далее АИН), выполненный на базе двухоперационных запираемых тиристорах с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненным на выпрямителе с конденсаторным фильтром (Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. Основы преобразовательной техники. / М.: Высшая школа, 1980, с.237-240). Преобразование постоянного напряжения в переменное для питания активно-индуктивной нагрузки заданной частоты происходит за счет переключения диагонально расположенных пар тиристоров импульсами, смещенными на 180° эл. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки сбрасывается в батарею конденсаторов источника постоянного напряжения. Емкость батареи конденсаторов С достигает большой величины, особенно при низких частотах f и больших токах АИН:
где I - ток нагрузки;
t=1/f - время протекания тока через батарею конденсаторов;
ΔU - допустимая величина перенапряжения на конденсаторах;
f - частота генератора импульсов.
При токе в несколько сотен ампер и малых частотах f (менее 5 Гц) емкость батареи конденсаторов может достигать величин фарад.
1
4
1
4
d
1
4
3
2
1
4
к
к
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является АИН, выполненный на однооперационных полупроводниковых ключах, выполненных на тиристорах (далее тиристоры), с активно-индуктивной нагрузкой и двухканальной системой управления СУ (Розанов Ю.К. Основы силовой электроники./ М.: Энергоатомиздат, 1992, с.235-237). Работа устройства основана на широтно-импульсном регулировании ключей VS-VS, которые зашунтированы обратными диодами VD-VD и подключены по входу АИН к источнику постоянного напряжения U, который при питании от сети переменного тока состоит из выпрямителя с параллельным конденсатором. Пары тиристоров VS, VS и VS, VS переключаются противофазными импульсами с частотой f с помощью вспомогательных коммутирующих тиристоров VS'-VS' и реактивных элементов С, L, которые могут быть исключены, например, при использовании транзисторов и полностью управляемых тиристоров.
1
2
1
4
1
2
1
4
1
4
В устройстве также содержатся задающие генераторы ЗГ, ЗГ, управляющие фазосдвигающие устройства ФУ, ФУ-ФУ, пересчетно-распределительные устройства ПРУ, ПРУ, формирователи выходных импульсов для ключей, выполненных на тиристорах ФИ-ФИ и ФИ'-ФИ'.
Недостатками прототипа являются:
d
- необходимость в батарее конденсаторов больших габаритных размеров и с большими величинами емкости для сброса реактивной энергии нагрузки при выполнении источника постоянного напряжения U в виде выпрямителя;
- сложность системы управления.
Технический результат заявляемых вариантов АИН - упрощение схемы и повышение надежности устройства за счет исключения конденсатора в источнике постоянного напряжения и упрощения системы управления и силовой схемы инвертора.
1
2
Технический результат по первому варианту устройства достигается тем, что в автономном инверторе напряжения, содержащем выпрямитель, мостовой однофазный преобразователь, выполненный на полупроводниковых ключах и антипараллельных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из генератора импульсов и двух идентичных каналов управления, содержащих формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам полупроводниковых ключей, два полупроводниковых ключа выполнены на транзисторах, а другие два - на тиристорах, соединенных с антипараллельными диодами, имеющими общую точку с выходом выпрямителя, в каждом канале управления формирователи управляющих импульсов различной длительности τ и τ, при этом генератор импульсов выполнен с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к входам формирователей управляющих импульсов соответствующего канала управления, причем пауза между задним фронтом управляющего импульса полупроводникового ключа, выполненного на транзисторе одного канала управления, и передним фронтом управляющих импульсов полупроводникового ключа, выполненного на тиристоре другого канала управления, превышает время спада тока нагрузки до нуля.
1
2
Технический результат по второму варианту устройства достигается тем, что в автономном инверторе напряжения, содержащем выпрямитель, мостовой однофазный преобразователь, выполненный на полупроводниковых ключах и антипараллельных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из генератора импульсов и двух идентичных каналов управления, содержащих формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам полупроводниковых ключей, два полупроводниковых ключа выполнены на транзисторах, а другие два - на тиристорах, соединенных с антипараллельными диодами, соответственно соединенными с обоими выходами выпрямителя, в каждом канале управления формирователи управляющих импульсов различной длительности τ и τ, при этом генератор импульсов выполнен с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к входам формирователей управляющих импульсов соответствующего канала управления, причем пауза между задним фронтом управляющего импульса полупроводникового ключа, выполненного на транзисторе одного канала управления, и передним фронтом управляющих импульсов полупроводникового ключа, выполненного на тиристоре другого канала управления, превышает время спада тока нагрузки до нуля.
1
2
2
Технический результат по третьему варианту устройства достигается тем, что в автономном инверторе напряжения, содержащем выпрямитель, мостовой однофазный преобразователь, выполненный на полупроводниковых ключах и антипараллельных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из генератора импульсов и двух идентичных каналов управления, содержащих формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам полупроводниковых ключей, два полупроводниковых ключа выполнены на транзисторах, а другие два - на тиристорах, соединенных с антипараллельными диодами, имеющими общую точку с выходом выпрямителя, в каждом канале управления формирователи управляющих импульсов различной длительности τ и τ, в систему управления введен регулирующий орган, выход которого подключен к дополнительно введенным входам формирователей управляющих импульсов с длительностью τ в каждом канале, а генератор импульсов выполнен с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к входам формирователей управляющих импульсов соответствующего канала управления, причем пауза между задним фронтом управляющего импульса полупроводникового ключа, выполненного на транзисторе одного канала управления, и передним фронтом управляющих импульсов полупроводникового ключа, выполненного на тиристоре другого канала управления, превышает время спада тока нагрузки до нуля.
1
2
2
Технический результат по четвертому варианту устройства достигается тем, что в автономном инверторе напряжения, содержащем выпрямитель, мостовой однофазный преобразователь, выполненный на полупроводниковых ключах и антипараллельных диодах, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из генератора импульсов и двух идентичных каналов управления, содержащих формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам полупроводниковых ключей, два полупроводниковых ключа выполнены на тиристорах, а другие два - на транзисторах, соединенных с антипараллельными диодами, соответственно соединенными с обоими выходами выпрямителя, в каждом канале управления формирователи управляющих импульсов различной длительности τ и τ, в систему управления введен регулирующий орган, выход которого подключен к дополнительно введенным входам формирователей импульсов с длительностью τ в каждом канале, а генератор импульсов - с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к входам формирователей управляющих импульсов соответствующего канала управления, причем пауза между задним фронтом управляющего импульса полупроводникового ключа, выполненного на транзисторе одного канала управления, и передним фронтом управляющих импульсов полупроводникового ключа, выполненного на тиристоре другого канала управления, превышает время спада тока нагрузки до нуля.
Сущностью предлагаемых изобретений по первому и второму вариантам является то, что благодаря применению в мостовом однофазном преобразователе полупроводниковых ключей, выполненных на 2-х транзисторах и 2-х тиристорах, соединенных с антипараллельными диодами, выполнению генератора импульсов с двумя противофазными выходами, выполнению формирователей управляющих импульсов с выходными импульсами различной длительности в каждом канале управления, а также за счет оригинальной схемы соединения сокращается число элементов в устройстве, а значит, упрощается его схема и повышается надежность устройства в целом.
2
Сущностью предлагаемых изобретений по третьему и четвертому вариантам является то, что благодаря применению в мостовом однофазном преобразователе полупроводниковых ключей, выполненных на 2-х транзисторах и 2-х тиристорах, соединенных с антипараллельными диодами, выполнению генератора импульсов с двумя противофазными выходами, выполнению формирователей управляющих импульсов с выходными импульсами различной длительности в каждом канале управления, выполнению формирователей управляющих импульсов с длительностью τ с дополнительными входами для соединения введенного регулирующего органа в систему управления, а также за счет оригинального соединения всех составных элементов устройства достигается регулирование выходного напряжения автономного инвертора напряжения при упрощении схемы и повышении надежности устройства в целом.
На фиг.1 приведена схема заявляемого устройства по первому варианту;
На фиг.2 приведена схема заявляемого устройства по второму варианту;
На фиг.3 приведена схема заявляемого устройства по третьему варианту;
На фиг.4 приведена схема заявляемого устройства по четвертому варианту;
На фиг.5, 6 приведены диаграммы.
Приняты следующие обозначения:
1 - выпрямитель;
2 - мостовой однофазный преобразователь;
3 - 6 - полупроводниковые ключи;
7 - активно-индуктивная нагрузка;
8 - система управления;
9 - генератор импульсов с двумя противофазными выходами с тактовыми импульсами ТИ1 и ТИ2 частотой f;
10, 11 - идентичные каналы управления;
1
12 - формирователь управляющих импульсов ФИ1 длительностью τ (около 10 мкс);
2
13 - формирователь управляющих импульсов ФИ2 длительностью τ, которая пропорциональна величине 1/2f. Данный формирователь для реализации устройств по вариантам 3 и 4 имеет дополнительно регулирующий вход;
14, 15 - антипараллельные диоды;
16 - регулирующий орган;
d
U - среднее значение выходного напряжения выпрямителя 1;
u, i - соответственно напряжение и ток на активно-индуктивной нагрузке 7;
p
U - регулирующее напряжение;
m
I - амплитудное значение тока нагрузки;
Δt - временной интервал («мертвое» время длительностью несколько микросекунд), предотвращающий одновременную работу двух ключей (3, 4 и 5, 6) при их переключении и закорачивание выпрямителя.
На фиг.5, 6 в пунктах «а - д» отражено:
а) - противофазные тактовые импульсы ТИ1 и ТИ2 с частотой f в каналах управления 10, 11 на выходах генератора 9 по фиг.1, 2, 3, 4;
б) - диаграмма напряжения u(t) и тока i(t) на выходе АИН;
в) - проводящие ток элементы АИН;
1
2
г) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями τ и τ, получаемых от ФИ1, ФИ2 канала управления 10, поступающих на соответствующие ключи (указаны в скобках);
1
2
д) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями τ и t, получаемых от ФИ1, ФИ2 канала управления 11, поступающих на соответствующие ключи (указаны в скобках).
1
2
Устройство по первому варианту содержит выпрямитель 1, мостовой однофазный преобразователь 2, выполненный на полупроводниковых ключах 3 - 6 и антипараллельных диодах 14, 15, причем полупроводниковые ключи 3, 5 выполнены на тиристорах, а полупроводниковые ключи 4, 6 выполнены на транзисторах, активно-индуктивную нагрузку 7 и систему управления 8, состоящую из генератора импульсов 9 и двух идентичных каналов управления 10, 11, содержащих формирователи управляющих импульсов 12, 13, выходы которых подсоединены к соответствующим входам полупроводниковых ключей. Активно-индуктивная нагрузка 7 подключена на выходы антипапараллельных диодов 14, 15. Управление полупроводниковыми ключами 3-6 осуществляется системой управления 8, содержащей генератор противофазных тактовых импульсов 9 с частотой f и два идентичных канала управления 10, 11, в каждом из которых имеются формирователи противофазных управляющих импульсов различной длительности: формирователь импульсов 12 (ФИ1) вырабатывает импульсы длительностью τ формирователь импульсов 13 (ФИ2) создает импульсы длительностью τ. Входы формирователей импульсов 12, 13 в каждом канале управления соединены между собой и подключены соответственно к противофазным выходам генератора импульсов 9, выходы формирователей управляющих импульсов 12, 13 каждого канала управления 10,11 подключены к управляющим цепям ключей 3, 6 и 5, 4 соответственно.
Антипараллельные диоды 14, 15 подсоединены к полупроводниковым ключам 3 и 5, выполненным на тиристорах, соединенным с одним выходным зажимом выпрямителя 1. Управляющие входы полупроводниковых ключей подключены к формирователям импульсов в каждом канале 10 и 11. А именно, управляющий вход полупроводникового ключа 3 соединен с выходом формирователя управляющих импульсов 12 канала управления 10, вход полупроводникового ключа 4 - с выходом формирователя управляющих импульсов 13 канала управления 11. Аналогично управляющий вход полупроводникового ключа 5 соединен с выходом формирователя управляющих импульсов 12 канала управления 11, а вход полупроводникового ключа 6 - с выходом формирователя управляющих импульсов 13 канала управления 10.
Устройство по второму варианту отличается от устройства по первому варианту тем, что антипараллельные диоды 14, 15 подключены к последовательно соединенным полупроводниковым ключам 3,4, выполненным на транзисторах, подключенным к обоим выходным зажимам выпрямителя 1. При этом вход полупроводникового ключа 3 соединен с выходом формирователя управляющих импульсов 13 канала управления 11, вход полупроводникового ключа 4 - с выходом формирователя управляющих импульсов 13 канала управления 10. Полупроводниковые ключи 5, 6 выполнены на тиристорах. Аналогично управляющий вход полупроводникового ключа 5 соединен с выходом формирователя управляющих импульсов 12 канала управления 10, а управляющий вход полупроводникового ключа 6 - с выходом формирователя управляющих импульсов 12 канала управления 11.
1
2
Устройство по третьему варианту содержит выпрямитель 1, мостовой однофазный преобразователь 2, выполненный на полупроводниковых ключах 3, 5, полупроводниковых ключах 4, 6 и антипараллельных диодах 14, 15, на выход которого подключена активно-индуктивная нагрузка 7. Причем полупроводниковые ключи 3, 5 выполнены на тиристорах, полупроводниковые ключи 4, 6 выполнены на транзисторах. Управление полупроводниковыми ключами 3-6 осуществляется системой управления 8, содержащей генератор противофазных тактовых импульсов 9 с частотой f, регулирующий орган 16 и два идентичных канала управления 10, 11, в каждом из которых имеются формирователь управляющих импульсов 12 (ФИ1) с запускающим входом и формирователь импульсов 13 (ФИ2) с двумя входами - запускающим и регулирующим. Формирователь управляющих импульсов 12 вырабатывает импульсы длительностью τ, формирователь управляющих импульсов ФИ13 - импульсы длительностью τ. Запускающие входы формирователей управляющих импульсов 12, 13 в каждом канале управления соединены между собой и подключены соответственно к противофазным выходам генератора импульсов 9, выходы указанных формирователей импульсов подсоединены к соответствующим входам ключей 3, 4, 5, 6, выход регулирующего органа 16 подключен к регулирующим входам формирователей управляющих импульсов 13 в каждом канале.
Антипараллельные диоды 14, 15 подсоединены к полупроводниковым ключам 3, 5, соединенным с одним выходным зажимом выпрямителя 1. Управляющий вход полупроводникового ключа 3 соединен с выходом формирователя управляющих импульсов 12 канала управления 10, вход полупроводникового ключа 4 - с выходом формирователя управляющих импульсов 13 канала управления 11. Аналогично управляющий вход полупроводникового ключа 5 соединен с выходом формирователя управляющих импульсов 12 канала управления 11, а вход полупроводникового ключа 6 - с выходом формирователя управляющих импульсов 13 канала управления 10.
В устройстве по четвертому варианту антипараллельные диоды 14, 15 подсоединены к последовательно соединенным полупроводниковым ключам 3, 4, выполненным на транзисторах, соединенным с обоими выходными зажимами выпрямителя 1. Вход полупроводникового ключа 3 соединен с выходом формирователя управляющих импульсов 13 канала управления 11, вход полупроводникового ключа 4 - с выходом формирователя управляющих импульсов 13 канала управления 10. Полупроводниковые ключи 5, 6 выполнены на тиристорах. Аналогично управляющий вход полупроводникового ключа 5 соединен с выходом формирователя управляющих импульсов 12 канала управления 10, а управляющий вход полупроводникового ключа 6 - с выходом формирователя управляющих импульсов 12 канала управления 11.
0
2
1
Во всех заявляемых четырех вариантах АИН величина времени интервала Δτ между задним фронтом импульса длительности τ в одном канале и передним фронтом импульса τ в другом канале превышает время спада тока нагрузки до нуля.
Работа АИН по первому варианту осуществляется следующим образом.
1
2
1
2
2
0
1
Управление полупроводниковыми ключами 3, 4, 5, 6 осуществляется каналами управления 10, 11 с помощью импульсов разной длительности τ, τ (фиг.5 (г, д). Полупроводниковые ключи 3 и 5 управляются противофазными импульсами длительностью τ, достаточной для их включения, а полупроводниковые 4 и 6 - противофазными импульсами длительностью τ. В результате по окончании импульсов с длительностью τ полупроводниковые ключи 6 и 4 закрываются, и ток нагрузки замыкается соответственно через антипараллельный диод 15 и полупроводниковый ключ 3 в первый полупериод частоты f и через антипараллельный диод 14 и полупроводниковый ключ 5 во второй полупериод. В этом случае в диаграмме напряжения на нагрузке u имеется временной интервал Δτ (фиг.5 (б), определяющийся временем спада тока нагрузки 7 до нуля t и временем задержки Δt. Включение следующей пары полупроводниковых ключей происходит после задержки Δt (несколько микросекунд), исключающей одновременное включенное состояние полупроводниковых ключей 3, 4 или 5, 6, что могло бы привести к закорачиванию выпрямителя 1. Общий интервал времени в диаграмме напряжения нагрузки составляет:
0
1
Δτ=t+Δt,
1
н
где t≈4T при экспоненциальном характере нарастания и спада тока;
н
Т - постоянная времени активно-индуктивной нагрузки 7 (фиг.1).
2
АИН по второму варианту отличается от первого местом подключения антипараллельных диодов 14, 15 и соединением входных управляющих цепей полупроводниковых ключей 3, 4, 5, 6 (фиг.2). Диаграммы напряжений и распределение импульсов и их длительность приведены на фиг.6. В отличие от первого варианта здесь антипараллельные диоды 14, 15 подсоединены к полупроводниковым ключам 3, 4, выполненным на транзисторах, управляемым импульсами длительностью τ. В результате при выключении полупроводниковых ключей 3 или 4 ток нагрузки замыкается через антипараллельный диод 15 и полупроводниковый ключ 6 или антипараллельный диод 14 и полупроводниковый ключ 5 соответственно (фиг.6 (в, г, д).
2
АИН по третьему варианту (фиг.3) содержит все элементы устройства, что и по первому варианту и дополнительно регулирующий орган 16. Кроме того, формирователь управляющих импульсов 13 в каждом канале управления имеет два входа - запускающий (как на фиг.1) и регулирующий. Регулирующий орган 16 подключен к регулирующему входу формирователя управляющих импульсов 13 в каждом канале управления и обеспечивает регулирование длительности τ управляющего импульса по принципу ШИМ.
2
p
Работа АИН по третьему варианту осуществляется так же, как и по первому, при этом устройство выполняет еще функцию регулирования напряжения на активно-индуктивной нагрузке, осуществляемую изменением длительности τ в функции от сигнала регулирования U на входе регулирующего органа 16.
2
Работа по четвертому варианту осуществляется так же, как и по второму, но, как и в третьем варианте, добавляется функция регулирования напряжения на активно-индуктивной нагрузке путем изменения с помощью регулирующего органа 16 длительности импульсов τ.
Действующее значение выходного напряжения АИН определяется:
,
2р
где τ - длительность импульса ФИ2 в радианах;
2с
τ - длительность импульса ФИ2 в секундах;
f - частота в герцах.
Благодаря применению в мостовом однофазном преобразователе полупроводниковых ключей, выполненных на 2-х транзисторах и 2-х тиристорах, соединенных с антипараллельными диодами, выполнению генератора импульсов с двумя противофазными выходами, а формирователей импульсов различной длительности в каждом канале и оригинальной схеме соединения, а также выполнение системы управления в определенном режиме, в заявляемых АИН по первому и второму вариантам упрощается схема и повышается надежность устройства.
Благодаря применению в мостовом однофазном преобразователе ключей, выполненных на 2-х транзисторах и 2-х тиристорах, соединенных с антипараллельными диодами, выполнению генератора импульсов с двумя противофазными выходами, выполнению формирователей управляющих импульсов с выходными импульсами различной длительности в каждом канале управления, выполнению вторых формирователей импульсов с дополнительными регулирующим входом, введению регулирующего органа в систему управления, а также за счет оригинального соединения всех составных частей устройства достигается регулирование выходного напряжения автономного инвертора напряжения в третьем и четвертом вариантах при упрощении схемы и повышении надежности устройства в целом.