МОСТОВОЙ ИНВЕРТОР И СХЕМА ЕГО УПРАВЛЕНИЯ

Мостовой инвертор и схема его управления
Полезная модель относится к электротехнике, а точнее, к силовым полупроводниковым преобразователям частоты (инверторам) для питания вентильных (например, управляемых реактивных) двигателей и схемам их управления.
Известен мостовой инвертор и схема его управления (см. Патент ЕПВ (ЕР) N 0367364 Н02 Р 6/02. РЖ. Изобретения стран мира. N 20, 1991 г. , Вып. 107. с. 27. ), который предназначен для подачи питания на многофазную переключаемую реактивную электрическую машину. Фазные плечи инвертора состоят из верхнего и нижнего ключей, соединенных последовательно с фазными обмотками машины. Верхний обратный диод включен параллельно последовательной цепи, образованной верхним ключом и фазной обмоткой. Нижний обратный диод включен параллельно последовательной цепи, образованной нижним ключом и соответствующей фазной обмоткой. Последовательные цепи подсоединены к внешнему источнику постоянного тока. Схема управления состоит из нескольких токоизмерительных блоков, каждый из которых соединен с соответствующим фазным плечом инвертора и вырабатывает сигнал, пропорциональный мгновенному значению протекающего по нему фазного тока. Схема имеет блок формирования опорного тока и несколько компараторов. Каждый компаратор, соединенный с соответствующим измерительным блоком, сравнивает измеренную величину тока с опорной и вырабатывает сигнал с первым логическим уровнем, когда измеренный ток превышает опорный на первую заданную величину, и сигнал со вторым логическим уровнем, когда измеренный ток меньше опорного на вторую заданную величину.
Недостатком данного мостового инвертора и схемы его управления является сложность схемы управления, связанная с заданием отклонения фактического тока относительно опорного на две заданные величины.
Данная полезная модель разработана с целью упрощения мостового инвертора и схемы его управления.
В мостовой инвертор и схему его управления, состоящий из первого и второго ключей, каждый из которых имеет первые, вторые и управляющие выводы, первого и второго диодов; содержащий первый и второй зажимы для подключения положительного и отрицательного выводов внешнего источника постоянного напряжения соответственно; третий и четвертый зажимы для подключения нагрузки
Н 02 М 7/48
- 2
инвертора, причем первый вывод первого ключа соединен с первым зажимом, второй - с четвертым зажимом; первый вывод второго ключа соединен с третьим зажимом; катод первого диода соединен с первым зажимом, анод - с третьим зажимом; катод второго диода соединен с четвертым зажимом, анод - со вторым зажимом, с о г ласно данного заявления, введены: первая, вторая и третья управляющие микросхемы, каждая из которых имеет первый (инверсный) и второй (прямой) входы, вход разрешения, вход модуляции, первый выход, второй выход с открытым коллектором, а также первый и второй выводы для подключения источника питания микросхемы; оптрон, имеющий первый и второй входные выводы и первый и второй выходные выводы; первый и второй датчики напряжения, каждый из которых имеет первый и второй измерительные выводы и выход; первый транзистор; стабилитрон; третий и четвертый диоды; первый - девятый резисторы; терморезистор; переменный резистор; шунтовой резистор (шунт); первый - четвертый конденсаторы; пятый зажим для подключения внешнего управляющего элемента; шестой зажим для подключения источника напряжения для питания схемы управления; причем второй вывод второго ключа связан со вторым зажимом через шунт; управляющий вывод первого ключа связан с первым выходом первой микросхемы через шестой резистор, а управляющий вывод второго ключа связан с первым выходом второй микросхемы через седьмой резистор; первый вход третьей микросхемы соединен с выходом второго датчика напряжения, с коллектором первого транзистора, а также связан с первым выходом второй микросхемы через четвертый конденсатор, а с шестым зажимом - через четвертый резистор; эмиттер первого транзистора соединен со вторым зажимом, его база связана со вторым выводом второго ключа через девятый резистор; между шестым и вторым зажимами включен второй конденсатор и стабилитрон (анодом - ко второму зажиму); к шестому зажиму также подключены: первый измерительный вывод второго датчика напряжения, первые выводы для подключения источника питания и входы разрешения второй и третьей микросхем, а ко второму зажиму - второй измерительный вывод второго датчика напряжения и вторые выводы для подключения источника питания второй и третьей микросхем; второй выход и второй вход третьей микросхемы соединены между собой и с движком переменного резистора, а также связаны с шестым зажимом через переменный резистор и со вторым зажимом через второй конденсатор; первый выход третьей микросхемы соединен с анодом четвертого диода, первый и второй входы второй микросхемы соединены между собой, с катодом четвертого диода, а также с пятым зажимом через пятый резистор; первый вход оптрона связан с шестым зажимом через первый резистор, второй соединен с пятым зажимом; первый выход оптрона соединен с первым и вторым входами первой микросхемы; анод третьего диода соединен с шестым зажимом; катод третьего диода соединен с первым выводом для подключения источника питания первой микросхемы, а также связан с четвертым зажимом через первый конденсатор, с первым выходом оптрона через второй резистор, с первым измерительным выводом первого датчика напряжения через восьмой резистор, с выходом датчика напряжения через третий резистор; второй выход оптрона соединен с четвертым зажимом; вход разрешения первой микросхемы соединен с выходом первого датчика напряжения; первый измерительный вывод первого датчика напряжения связан с четвертым зажимом через терморезистор, причем терморезистор прикреплен к одной из нагревающихся поверхностей в составе изделия; второй вывод для подключения источника питания первой микросхемы и второй измерительный вывод первого датчика напряжения соединены с четвертым зажимом.
В частных случаях выполнения, описанных ниже, полезная модель может дополнительно характеризоваться одним или несколькими из следующих признаков:
-схема снабжена десятым резистором, включенным между управляющим выводом первого ключа и четвертым зажимом, и одиннадцатым резистором, включенным между управляющим выводом второго ключа и вторым зажимом;
-схема снабжена пятым конденсатором, включенным между базой первого транзистора и вторым зажимом;
-схема снабжена вторым транзистором, двенадцатым - четырнадцатым резисторами и шестым конденсатором, причем эмиттер второго транзистора соединен со вторым зажимом, его коллектор связан со вторым выходом третьей микросхемы через двенадцатый резистор, а его база связана со вторым зажимом через тринадцатый резистор и с пятым зажимом - через последовательно включенные четырнадцатый резистор и шестой конденсатор;
-схема снабжена пятнадцатым резистором, включенным между первым и щестым зажимами;
- 3 щим два входа, соединенных с седьмым и восьмым зажимами, и два выхода, соединенных с первым и вторым зажимами соответственно, седьмым конденсатором, включенным между первым и вторым зажимами; а также шестнадцатым и семнадцатым резисторами, включенными между шестым зажимом и седьмым и восьмым зажимами соответственно.
В дальнейшем полезная модель поясняется со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых показаны:
-фиг. 1 - схема мостового инвертора и схемы его управления;
-фиг. 2 - то же, с добавленными элементами для частных случаев реализации.
Для облегчения пояснения работы установим соответствие между наименованиями элементов в формуле и описании полезной модели и их позиционными обозначениями на чертежах: первый (верхний) ключ - 1, второй (нижний) - 2; первый диод - 3, второй - 4, третий - 17, четвертый - 18; первый зажим - 5, второй - 6, третий 7, четвертый - 8, пятый - 35, шестой - 36, седьмой - 47, восьмой
-48; первая микросхема - 9, вторая - 10, третья - 11; оптрон 12; первый датчик напряжения - 13, второй - 14; первый транзистор - 15, второй - 41; стабилитрон - 16; первый резистор - 19, второй - 20, третий - 21, четвертый - 22, пятый - 23, шестой 24, седьмой - 25, восьмой - 26, девятый - 27, десятый - 38, одиннадцатый - 39; двенадцатый - 42, тринадцатый - 43, четырнадцатый
-44, пятнадцатый - 46, шестнадцатый - 51, семнадцатый - 52; переменный резистор - 29; первый конденсатор - 31, второй - 32, третий - 33, четвертый - 34, пятый - 40, шестой - 45, седьмой 50; шунт - 30; терморезистор - 29; выпрямитель - 49.
Для микросхем соответствие между наименованиями выводов согласно формуле и описанию и нумерацией выводов на чертежах следующее: первый вход - 2, второй - 6, вход разрешения - 4, вход модуляции - 5; первый выход - 3, второй - 7; первый вывод для подключения источников питания - 8, второй - 1.
Соответствие между наименованиями выводов оптрона согласно формуле и описанию и нумерацией выводов на чертежах следующее: первый вход - 1, второй - 2; первый выход - 3, второй - 4.
Соответствие между наименованиями выводов датчиков напряжения согласно формуле и описанию и нумерацией выводов на чертежах следующее: первый измерительный вывод - 3, второй - 1; выход  2
- 4 го силового источника постоянного напряжения, имеющего положительный зажим 5 и отрицательный 6. К зажимам инвертора 7 и 8 подключена нагрузка, например, фазная обмотка управляемого реактивного двигателя. Таким образом, силовой ток нагрузки течет от зажима 5 к зажиму 6 при условии одновременного открытия ключей 1 и 2, медленно спадает (при индуктивном характере нагрузки) через обратный диод 3 при закрытии нижнего ключа и быстро спадает через оба обратных диода при закрытии обоих ключей под действием приложенного к нагрузке напряжения обратной полярности.
Ключи 1 и 2 управляются микросхемами 9 и 10, включенных по схеме триггеров Шмитта с инверсией. При появлении на объединенных входах 2 и 6 напряжения низкого уровня, при условии присутствия на входе разрешения 4 напряжения высокого уровня, на выходе 3 появляется напряжение высокого уровня, открывающее соответствующий ключ.
На зажим 36 относительно зажима 6 подается напряжение, питающее схему управления, например, от внешнего источника питания, или, в частных случаях реализации, от зажима 5 через резистор 46, и, в случае питания инвертора от сети переменного напряжения (зажимы 47,48) с помощью выпрямителя 49 и фильтрового конденсатора 50, от зажимов 35,36 через резисторы 51, 52 соответственно.
Элементы 16 и 32 предназначены для стабилизации напряжения, питающего схему управления. При этом элементы управления нижнего ключа питаются непосредственно, а верхнего - от заряженного конденсатора 31, который заряжается только при подключенной нагрузке в моменты, когда открыт диод 17, что имеет место при закрытом ключе 1 и открытом диоде 4 (в течение быстрого спадания тока нагрузки), либо при закрытом ключе 1 и открытом ключе 2. Напряжения питания схем управления 1 и 2 контролируются с помощью датчиков напряжения 13 и 14 соответственно, на выходах 2 которых разрешающее напряжение высокого уровня присутствует только в случае присутствия напряжения питания на измерительных выводах 3, 1 не ниже допустимого уровня.
Сигнал от зажима 35 внешнего управляющего элемента, имеющего цифровой выход, напримерJ датчика положения ротора управляемого реактивного двигателя, поступает на вход 2 оптрона 12 (катод светодиода) и на входы 2, 6 микросхемы 10 через резистор 23. Сиг-fнал с выхода 3 оптрона 12 (коллектор фототранзистора) поступает на входы 2, 6 микросхемы 9. Таким образом, при появлении сигнала низкого уровня на зажиме 35 загорается светодиод оптрона 12, от крывается его фототранзистор и на выводы 2, 6 микросхемы 9 появляется напряжение низкого уровня, и ключ 1 открывается, за исключением случая аварийного снижения напряжения, питающего схему управления ключа 1, контролируемого датчиком напряжения 13, и появления на выводе 4 микросхемы 9 напряжения низкого уровня.
Для открытия ключа 2, кроме низкого уровня напряжения на выходе управляющего элемента, необходимо условие низкого уровня на выходе 3 микросхемы 11, так как высокий уровень блокирует микросхему 10 через диод 18.
На микросхеме 11 собран одновибратор, который после запуска в течение интервала времени, определяемого времязадающей цепью резистор 29 - конденсатор 33, вырабатывает на выходе 3 импульс напряжения высокого уровня, закрывающий ключ 2. Точка соединения элементов 29 и 33 соединена с выходом 7 микросхемы 11 с открытым коллектором. Запуск одновибратора осуществляется путем подачи на вход 2 микросхемы 11 напряжения низкого уровня, что имеет место в следующих случаях: при появлении отрицательного фронта напряжения на выходе 3 микросхемы 10 (в момент закрытия ключа 2), который передается через конденсатор 34, при достижении напряжения на шунте 30 напряжения, достаточного для открытия транзистора 15 через резистор 27 (что происходит при достижении током нагрузки определенного значения), а также при аварийном снижении питающего схему управления напряжения на зажиме 36, контролируемого датчиком напряжения 14.
Таким образом, при низком уровне напряжения на зажиме 35 ток нагрузки ограничивается схемой управления нижнего ключа, который закрывается на определяемое одновибратором 11 время при каждом достижении током определенного значения, и в течение этого времени происходит медленное спадание тока нагрузки через открытый ключ 1 и обратный диод 3. При высоком уровне напряжения на зажиме 35 закрыты оба ключа - 1 и 2.
этом терморезистор необходимо прикрепить к поверхности, подверженной нагреву, например, к радиатору или корпусу верхнего ключа или корпусу двигателя, служащего нагрузкой инвертора. Эти резисторы образуют делитель напряжения с коэффициентом деления, изменяющимся при повышении температуры терморезистора. При превышении температуры выше определенного уровня напряжение на измерительных выводах датчика напряжения 13 понизится, и ключ 1 закроется.
Резисторы 38 и 39, конденсатор 40 служат для повышения помехоустойчивости схемы.
В частном случае использования полезной модели, когда нагрузка инвертора представляет собой управляемый реактивный электродвигатель, имеющий большой момент инерции вращающихся частей, в качестве управляющего элемента используется датчик положения ротора этого двигателя, а переменный резистор 29 предназначен для регулирования частоты вращения двигателя, может возникнуть ситуация, когда при резком увеличении оператором сопротивления резистора 29 с целью уменьшения частоты вращения двигателя период следования импульсов управляющего элемента станет меньше длительности импульсов одновибратора, что нарушит нормальный алгоритм работы инвертора. Для предотвращения такой ситуации при каждом новом запуске одновибратора от управляющего элемента (через конденсатор 34) следует разрядить конденсатор 33. Для этой цели параллельно конденсатору 33 включена последовательная цепь, состоящая из транзистора 41, соединенного эмиттером с зажимом 6, и резистора 42, соединенного с коллектором транзистора 41, при этом база транзистора 41 связана с зажимом 35 через последовательно включенные резистор 44 и конденсатор 45, а с зажимом 6 - через резистор 43. Таким образом, при появлении каждого положительного фронта сигнала на зажиме 35 вышеуказанный транзистор открывается, и через него разряжается конденсатор 33.
Технический эффект настоящей полезной модели состоит в простоте ее реализации, низкой стоимости и высокой надежности, достигаемых засчет отсутствия вторичного источника электропитания схемы управления и других эффективных схемных решений.