АВТОНОМНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ИНВЕРТОР С РЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Известен автономный согласованный инвертор, содержащий подключенную к входным выводам последовательную цепь, содержащую параллельный контур, образованный компенсирующим конденсатором и выходными выводами с подключенным индуктором, и управляемый вентиль (Электромагнитные процессы и параметрический синтез одновентильных инверторов с обратным диодом для электротермии / Л.Э.Рогинская, А.В.Иванов, М.М.Мульменко и др. // Электричество. - 2003. - №12. - С.42).
Недостатком автономного согласованного инвертора является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями напряжений на управляемом вентиле, что может привести к выходу его из строя, а также жесткими требованиями к системе управления, необходимостью подачи импульсов управления на управляемый вентиль одновременно с подачей силового напряжения и точной синхронизации импульсов управления с моментом перехода напряжения на управляемом вентиле через ноль. При пуске автономного согласованного инвертора возможны броски прямого тока через управляемый вентиль большой амплитуды, обусловленные зарядом компенсирующего конденсатора. Любые сбои в работе системы управления и нарушение синхронизации в подаче импульсов управления могут привести к выходу управляемого вентиля из строя из-за бросков прямого тока. Обрыв тока управляемого вентиля при его выключении (при максимальном значении)
и жесткая коммутация вызывают большие коммутационные потери, что также снижает надежность работы автономного согласованного инвертора.
Известен автономный согласованный инвертор, содержащий подключенную к входным выводам последовательную цепь, содержащую параллельный контур, образованный компенсирующим конденсатором и выходными выводами с подключенным индуктором, и управляемый вентиль, зашунтированную конденсатором фильтра (А.с. 1830642 СССР, МКИ Н05В 6\06. Способ регулирования выходной мощности устройства индукционного нагрева \ С.В.Дзлиев, Е.М.Силкин, С.Н.Тазихин и др. - Заявл. 01.10.90, Опубл. 30.07.93, Б.И. №28).
Недостатком автономного согласованного инвертора является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями напряжений на управляемом вентиле, что может привести к выходу его из строя, а также жесткими требованиями к системе управления, необходимостью подачи импульсов управления на управляемый вентиль одновременно с подачей силового напряжения и точной синхронизации импульсов управления с моментом перехода напряжения на управляемом вентиле через ноль. При пуске автономного согласованного инвертора возможны броски прямого тока через управляемый вентиль большой амплитуды, обусловленные зарядом компенсирующего конденсатора. Любые сбои в работе системы управления и нарушение синхронизации в подаче импульсов управления могут привести к выходу управляемого вентиля из строя из-за бросков прямого тока. Обрыв тока управляемого вентиля при его выключении (при максимальном значении) и жесткая коммутация вызывают большие коммутационные потери, что также снижает надежность работы автономного согласованного инвертора.
Известен автономный согласованный инвертор, содержащий подключенную к входным выводам через дроссель фильтра последовательную цепь, содержащую параллельный контур, образованный компенсирующим конденсатором и выходными выводами с подключенным
индуктором, и управляемый вентиль, зашунтированную конденсатором фильтра (А.с. 1800659 СССР, МКИ Н05В 6\06. Устройство для индукционного нагрева \ С.В.Дзлиев, Е.М.Силкин, С.Н.Тазихин и др. - Заявл. 15.10.90, Опубл. 07.03.93, Б.И. №9).
Указанный автономный согласованный инвертор является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком автономного согласованного резонансного инвертора является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями напряжений на управляемом вентиле, что может привести к выходу его из строя, а также жесткими требованиями к системе управления, необходимостью подачи импульсов управления на управляемый вентиль одновременно с подачей силового напряжения и точной синхронизации импульсов управления с моментом перехода напряжения на управляемом вентиле через ноль. При пуске автономного согласованного инвертора возможны броски прямого тока через управляемый вентиль большой амплитуды, обусловленные зарядом компенсирующего конденсатора. Любые сбои в работе системы управления и нарушение синхронизации в подаче импульсов управления могут привести к выходу управляемого вентиля из строя из-за бросков прямого тока. Обрыв тока управляемого вентиля при его выключении (при максимальном значении) и жесткая коммутация вызывают большие коммутационные потери, что также снижает надежность работы автономного согласованного инвертора.
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 резонансной коммутацией содержит подключенную к входным выводам инвертора через дроссели фильтра последовательную цепь, содержащую коммутирующий дроссель, параллельный контур, образованный компенсирующим конденсатором и выходными выводами
с подключенным индуктором, второй коммутирующий дроссель и управляемый вентиль, зашунтированную конденсатором фильтра.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что достигается снижением уровней напряжений на управляемом вентиле, снижением коммутационных потерь, исключением режимов перегрева структуры управляемого вентиля, меньшей критичностью схемы к сбоям в системе управления, отсутствием бросков прямого тока через управляемый вентиль, в том числе, при пуске, нежесткой коммутацией управляемого вентиля.
Повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме автономного согласованного инвертора, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией являются существенными.
На рисунке приведена схема автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.
Автономный согласованный резонансный инвертор содержит подключенную к входным выводам инвертора через дроссели фильтра 1, 2 последовательную цепь, содержащую коммутирующий дроссель 3, параллельный контур, образованный компенсирующим конденсатором 4 и выходными выводами с подключенным индуктором 5, второй коммутирующий дроссель 6 и управляемый вентиль 7, зашунтированную конденсатором фильтра 8.
Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемый вентиль
7 подаются в моменты перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 4 через ноль в положительную область значений (+ на левой по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 4). Параметры коммутирующих дросселей 3, 6, емкость компенсирующего конденсатора 4 и конденсатора фильтра 8 выбраны из условия обеспечения колебательного характера тока в контуре: 8-3-(4, 5)-6-8, образующегося при включении управляемого вентиля 7. Собственная частота контура приблизительно в 4 раза превышает выходную частоту устройства. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 2 выбраны достаточными для качественной фильтрации тока и напряжения на входе последовательной цепи, содержащей коммутирующий дроссель 3, параллельный контур, образованный компенсирующим конденсатором 4 и выходными выводами с подключенным индуктором 5, второй коммутирующий дроссель 6 и управляемый вентиль 7. Компенсирующий конденсатор 4 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (индуктора или нагрузки) 5 и последовательную компенсацию, совместно с конденсатором фильтра 8 (при конечном значении емкости), реактивной мощности коммутирующих дросселей 3, 6. Коммутирующие дроссели 3, 6 могут выполняться в виде самостоятельных элементов или представляют собой индуктивности нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей). Полный цикл (период) выходного сигнала автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией состоит из трех временных интервалов, соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемого вентиля 7. В качестве управляемого вентиля могут быть использованы как однооперационные, так двухоперационные вентили без обратной или с обратной проводимостью (со встречно-параллельным диодом). При этом электромагнитные процессы в схеме качественно аналогичны. Рассмотрим вариант выполнения схемы на основе управляемого двухоперационного вентиля (транзистора) со
встречно-параллельным диодом. Основной (первый) интервал соответствует интервалу прямой проводимости управляемого вентиля 7. При включении управляемого вентиля 7 начинается колебательный заряд с положительной полярностью компенсирующего конденсатора 4 по цепи: 8-3-(4, 5)-6-7-8 от конденсатора фильтра 8 и источника питания автономного согласованного инвертора. Одновременно происходит разряд компенсирующего конденсатора 4 через индуктор 5 в контуре: 4-5-4. После колебательного спада тока в цепи: 8-3-(4, 5)-6-7-8 до нуля компенсирующий конденсатор 4 заряжен до максимального положительного напряжения, которое превышает напряжение на конденсаторе фильтра 8. Начинается разряд (второй интервал) компенсирующего конденсатора 4 по цепи: (4, 5)-3-8-7-6-(4, 5). Через встречно-параллельный диод управляемого вентиля 7 протекает обратный ток. Во втором интервале снимается импульс управления с управляемого вентиля 7. Одновременно также происходит разряд компенсирующего конденсатор 4 через индуктор 5 в контуре: 4-5-4. После колебательного спада тока в цепи: (4, 5)-3-8-7-6-(4, 5) до нуля встречно-параллельный диод управляемого вентиля 7 выключается. При этом напряжение на компенсирующем конденсаторе еще остается положительным и его значение меньше значения напряжения на конденсаторе фильтра 8. На третьем временном интервале компенсирующий конденсатор 4 продолжает перезаряжаться в контуре: 4-5-4 до напряжения отрицательной полярности (+ на правой по схеме обкладке) за счет энергии, накопленной в электромагнитных полях компенсирующего конденсатора 4 и индуктора 5. При максимальном отрицательном напряжении на компенсирующем конденсаторе 4 на управляемом вентиле 7 присутствует максимальное положительное напряжение, равное сумме напряжений на конденсаторе фильтра 8 и компенсирующем конденсаторе 4 (приблизительно удвоенное напряжение питания). Третий интервал в работе автономного согласованного инвертора заканчивается при полном разряде компенсирующего конденсатора 4. В момент перехода напряжения на компенсирующем
конденсаторе 4 через ноль в положительную область значений заканчивается период в работе автономного согласованного инвертора, подается очередной импульс управления, включается управляемый вентиль 7 и начинается следующий период в работе автономного согласованного инвертора. При использовании двухоперационного управляемого вентиля 7 второй интервал целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов схемы, что обеспечивает более высокие энергетические показатели устройства. На интервале проводимости встречно-параллельного диода к выключившемуся управляемому вентилю 7 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на встречно-параллельном диоде, и управляемый вентиль может восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей). В этом случае длительность второго интервала устанавливается исходя из требуемого времени выключения используемого однооперационного управляемого вентиля 7.
Управляемый вентиль 7 при реализации автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, как указано выше, может быть выполнен как однооперационным симметричными или не имеющим обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, реверсивно-включаемые динисторы, газоразрядные вентили), так и двухоперационным, то есть полностью управляемым симметричными или несимметричными (запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи).
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Это достигается снижением величины напряжения на управляемом вентиле (более чем в два раза), уровней перенапряжений на управляемом вентиле, возникающих при его выключении, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемого вентиля и встречно-параллельного диода, нежесткой коммутацией управляемого вентиля, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях
выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра. Повышается устойчивость работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией и уменьшается вероятность срывов инвертирования (выполнение на однооперационном управляемом вентиле) при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель), а также сбоев в системе управления инвертора. Исключаются возможные броски тока большой амплитуды через управляемый вентиль при пуске или сбоях в системе управления.
Повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией оценивается по времени наработки устройства на отказ. Согласно экспериментальных исследований и экспертных оценок время наработки на отказ заявляемого инвертора может быть увеличено на 30-40%.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия инвертора за счет уменьшения коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах (снижение уровней коммутационных перенапряжений, начальных скоростей нарастания и скоростей спада тока при включениях и выключениях управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку).
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, возможности использования однооперационных вентилей.