ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы автономного инвертора напряжения.
Известен инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам инвертора напряжения выводами постоянного тока, зашунтированными конденсатором фильтра, однофазный мост на полностью управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выводы переменного тока которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения (Горбачев Г.Н., Чаплыгин Е.Е. Промышленная электроника / Под ред. В.А.Лабунцова. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - С.304).
Недостатком инвертора напряжения является низкая надежность работы на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку с высокой добротностью. Это обусловлено высоким уровнем коммутационных потерь и перенапряжений на полностью управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, высокими уровнями токов через полностью управляемые вентили и встречно-параллельные диоды, что может привести к выходу их из строя.
Известен инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам инвертора напряжения выводами постоянного тока однофазный мост на полностью управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выводы переменного тока которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения (Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - С.132)
Недостатком инвертора напряжения является низкая надежность работы на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку с высокой добротностью.
Это обусловлено высоким уровнем коммутационных потерь и перенапряжений на полностью управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, высокими уровнями токов через полностью управляемые вентили и встречно-параллельные диоды, что может привести к выходу их из строя.
Известен инвертор напряжения, содержащий подключенный к входным выводам инвертора напряжения через дроссель фильтра выводами постоянного тока, зашунтированными конденсатором фильтра, однофазный мост на полностью управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выводы переменного тока которого соединены с выходными выводами инвертора напряжения (Рама Редди С. Основы силовой электроники / Пер. с англ. - М.: Техносфера, 2006. - С.240).
Указанный инвертор напряжения является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком инвертора напряжения является низкая надежность работы на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку с высокой добротностью. Это обусловлено высоким уровнем коммутационных потерь и перенапряжений на полностью управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, высокими уровнями токов через полностью управляемые вентили и встречно-параллельные диоды, что может привести к выходу их из строя.
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы инвертора напряжения, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что инвертор напряжения содержит, подключенный к входным выводам инвертора напряжения через дроссели фильтра выводами постоянного тока, зашунтированными конденсатором фильтра, однофазный мост на полностью управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выводы переменного тока которого зашунтированы компенсирующим конденсатором и соединены с выходными выводами инвертора напряжения.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы инвертора напряжения на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку с высокой добротностью, что достигается существенным снижением уровней коммутационных потерь и перенапряжений на полностью управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, уровней токов через них, что снижает вероятность выхода полностью управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов из строя.
Повышение надежности работы инвертора напряжения является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора напряжения, порядком их включения, реализуемым способом управления и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого инвертора напряжения являются существенными.
На рисунке приведена схема инвертора напряжения.
Инвертор напряжения содержит, подключенный к входным выводам инвертора напряжения через дроссели фильтра 1, 2 выводами постоянного тока, зашунтированными конденсатором фильтра 3, однофазный мост на полностью управляемых вентилях 4-7 с встречно-параллельными диодами 8-11, выводы переменного тока которого зашунтированы компенсирующим конденсатором 12 и соединены с выходными выводами инвертора напряжения. Нагрузка 13 подключена к выходным выводам инвертора напряжения.
Инвертор напряжения в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на полностью управляемые вентили 4, 7 и 5, 6 подаются поочередно в моменты перехода напряжения на них через ноль с положительной в отрицательную область значений (не ранее момента равенства напряжения на конденсаторе фильтра 3 и мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 12, и не позднее момента выключения соответствующих встречно-параллельных диодов 8, 11 и 9, 10). Выключение полностью управляемых вентилей 4, 7 и 5, 6 производится позднее прогнозируемого
момента перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 12, образующем с нагрузкой 13 колебательный контур параллельного типа. В момент равенства напряжения на конденсаторе фильтра 3 и мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 12 включаются соответствующие встречно-параллельные диоды 8, 11 (при условно положительной) или 9, 10 (при условно отрицательной полярности напряжения на компенсирующем конденсаторе 12). Полностью управляемые вентили 4, 7 или 5, 6 в интервалах проводимости соответствующих встречно-параллельных диодов 8, 11 или 9, 10 тока не проводят (даже если на них подан управляющий сигнал). После выключения встречно-параллельных диодов 8,11 или 9, 10 полностью управляемые вентили 4, 7 или 5, 6 вступают в работу и начинают проводить ток, который нарастает по квазилинейному закону до момента их отключения (снятия управляющего импульса). Встречно-параллельные диоды 8, 11 или 9, 10 и полностью управляемые вентили 4, 7 или 5, 6, таким образом, проводят ток в течение суммарного интервала времени, превышающего четверть периода выходного переменного напряжения в положительном и отрицательном полупериодах. Период (полный цикл работы инвертора) выходного переменного напряжения соответствует полному циклу работы всех полностью управляемых вентилей 4-7 и встречно-параллельных диодов 8-11.
Компенсирующий конденсатор 12 обеспечивает параллельную компенсацию реактивности нагрузки 13, имеющей высокую добротность. Собственная частота параллельного нагрузочного контура 12, 13 несколько выше частоты выходного переменного напряжения инвертора.
Дроссели фильтра 1, 2 обеспечивают защиту элементов инвертора напряжения при коротких замыканиях в нагрузке 13, исправных элементов, при выходе из строя полностью управляемых вентилей 4-7 и встречно-параллельных диодов 8-11, и симметричное ограничение тока при глухом закорачивании выводов нагрузки (индуктора) 13 на «землю» (корпус) устройства. Дроссели фильтра 1, 2 также служат для фильтрации переменной
составляющей напряжения на конденсаторе фильтра 3 и уменьшения влияния на источник питания инвертора напряжения или фильтрации переменной составляющей тока источника питания инвертора напряжения. Конденсатор фильтра 3 обеспечивает эффективную фильтрацию напряжения на выводах постоянного тока однофазного моста на полностью управляемых вентилях 4-7 и встречно-параллельных диодах 8-11.
Включение полностью управляемых вентилей 4-7 осуществляется при нулевых значения тока и напряжения на них. Выключение полностью управляемых вентилей 4-7 происходит при максимальном токе через них. Однако за счет действия компенсирующего конденсатора 12, шунтирующего нагрузку 13, перенапряжения в схеме инвертора отсутствуют (коммутация при нулевом напряжении), а коммутационные потери при выключении полностью управляемых вентилей 4-7 незначительны.
Параллельная компенсация реактивности нагрузки 13 является наиболее предпочтительной при высокой добротности, так как обеспечивает протекание минимально возможных токов через элементы схемы инвертора напряжения.
Полностью управляемые вентили 4-7 при реализации инвертора напряжения могут быть выполнены как на двухоперационных тиристорах, так и на транзисторах различных типов, а также на комбинированных ключах.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы инвертора напряжения на индукционный нагреватель или другую электротехнологическую нагрузку с высокой добротностью. Это достигается за счет снижения величин токов полностью управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов (более чем в два раза), уровней перенапряжений на полностью управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, возникающих при их коммутациях, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении полностью управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, нежесткой коммутацией полностью управляемых вентилей. Повышается устойчивость работы инвертора напряжения и вероятность срывов инвертирования при работе на изменяющуюся
в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель) при сбоях в системе управления инвертора.
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части инвертора напряжения и расширена область применения за счет обеспечения возможности использования полностью 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 напряжения за счет уменьшения токов и коммутационных потерь энергии в полностью управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах (снижение уровней коммутационных перенапряжений, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку).