ИНВЕРТОР ТОКА С КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ 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 инвертора тока с квазирезонансной коммутацией.
Известен инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссель фильтра однофазный мост на управляемых вентилях, зашунтированный встречным диодом, выходные выводы переменного тока однофазного моста подключены к выходным выводам инвертора тока через последовательно соединенные коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель (А.с. 1690117 СССР, МКИ Н 02 М 1\08. Способ управления инвертором тока со стабилизирующим диодом \ Силкин Е.М. - Заявл. 08.06.89, Опубл. 07.11.91, Б.И. №41).
Недостатком инвертора тока является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречного диода, высокими скоростями нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречного диода, отсутствием симметричного ограничения тока источника питания инвертора тока при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора тока на корпус нагрузки.
Известен инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях, зашунтированный встречным диодом, выходные выводы переменного тока однофазного моста подключены к выходным выводам инвертора тока через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора тока зашунтированы коммутирующим конденсатором (А.с. 1683150 СССР, МКИ Н 02 М 5\45 Преобразователь частоты
\ Силкин Е.М. - Заявл. 03.03.89, Опубл. 07.10.91, Б.И. №37).
Недостатком инвертора тока является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречного диода, высокими скоростями нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречного диода.
Известен инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссель фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора тока через коммутирующий дроссель, выходные выводы инвертора тока зашунтированы коммутирующим конденсатором (А.с. 1742961 СССР, МКИ Н 02 М 5\45. Преобразователь частоты \ Силкин Е.М. - Заявл. 02.08.89, Опубл. 23.06.92, Б.И. №23).
Недостатком инвертора тока является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, высокими скоростями нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, отсутствием симметричного ограничения тока источника питания инвертора тока при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора тока на корпус нагрузки.
Известен инвертор тока с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора тока через последовательно соединенные коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель
(Тиристорные преобразователи частоты / А.К.Белкин, Т.П.Костюкова, Л.Э.Рогинская и др. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - С.88)
Указанный инвертор тока с квазирезонансной коммутацией является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком инвертора тока является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, высокими скоростями нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, а также возможной несимметрией в работе встречно-параллельных диодов, различием в амплитудах величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, времен проводимости встречно-параллельных диодов и времен, предоставляемых управляемым вентилям для восстановления управляющих свойств (при использовании управляемых вентилей с неполной управляемостью).
Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы инвертора тока, что является целью полезной модели.
Указанная цель достигается тем, что в инверторе тока с квазирезонансной коммутацией, содержащем подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора тока через последовательно соединенные коммутирующий конденсатор и коммутирующий дроссель, последовательно с каждым управляемым вентилем включен дроссель насыщения.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы инвертора тока, что достигается снижением уровней перенапряжений
на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов в интервалах коммутаций, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора тока при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора тока на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра, обеспечение симметрии в работе встречно-параллельных диодов.
Повышение надежности работы инвертора тока является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора тока, порядком их включения и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого инвертора тока с квазирезонансной коммутацией являются существенными.
На рисунке приведена схема инвертора тока.
Инвертор тока с квазирезонансной коммутацией содержит подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра 1, 2 однофазный мост на управляемых вентилях 3-6 с встречно-параллельными диодами 7-10, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора тока через последовательно соединенные коммутирующий конденсатор 11 и коммутирующий дроссель 12, последовательно с каждым управляемым вентилем включен дроссель насыщения 13-16. Нагрузка 17 подключена к выходным выводам инвертора тока
Инвертор тока с квазирезонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 3, 6 и 4, 5 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала инвертора тока. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 2 выбраны достаточными для качественной
фильтрации тока на входе однофазного моста. Ток на входе однофазного моста имеет практически сглаженную форму (квазипостоянный ток). Коммутирующий конденсатор 11 обеспечивает последовательную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (нагрузки) 17 и коммутирующего дросселя 12. Коммутирующий дроссель 12 может выполняться в виде самостоятельного элемента или представлять собой индуктивность нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей).
Полный цикл (период) выходного сигнала инвертора тока с квазирезонансной коммутацией состоит из двух временных интервалов (полупериодов), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10. В каждом полупериоде можно выделить три временных интервала (одновременной работы всех управляемых вентилей однофазного моста, двух управляемых вентилей и двух смежных встречно-параллельных диодов, а также двух управляемых вентилей). Основной интервал соответствует интервалу одновременной проводимости двух управляемых вентилей однофазного моста 3, 6 или 4, 5. Два других интервала соответствуют времени (интервалу) коммутации. На интервале одновременной проводимости двух управляемых вентилей и двух смежных встречно-параллельных диодов к выключившимся управляемым вентилям прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на встречно-параллельном диоде, и управляемые вентили могут восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей).
В момент включения (начало полупериода), например, управляемых вентилей 3, 6 ток через индукционный нагреватель 17 протекает от источника постоянного тока инвертора тока по цепи: +-1-5-15-12-17-11-14-4-2--. Коммутирующий конденсатор 11 заряжен с полярностью «+» на правой по схеме обкладке. Коммутирующий конденсатор 11 в момент включения управляемых вентилей 3, 6 начинает разряжаться по
контурам: 11-17-12-15-5-3-13-11 и 11-17-12-16-6-4-14-11. Таким образом, в данном интервале времени одновременно проводят все управляемые вентили 3-6 однофазного моста. Параметры контуров коммутации выбираются такими, чтобы электромагнитные процессы в них имели колебательный характер. То есть, указанные цепи представляют собой последовательные колебательные контуры. Ток управляемых вентилей 4, 5 спадает, а ток управляемых вентилей 3, 6 нарастает по квазиколебательному закону, в том числе и за счет действия дросселей насыщения 13-16. В момент равенства тока управляемых вентилей 3, 6 входному току однофазного моста (току дросселей фильтра 1, 2) ток управляемых вентилей 4, 5 становится равным нулю, и они выключаются. В момент выключения управляемых вентилей 4, 5 заканчивается интервал одновременной проводимости всех управляемых вентилей 3-6 однофазного моста. После выключения управляемых вентилей 4, 5 включаются встречно-параллельные диоды 8, 9. Ток разряда конденсатора 11 продолжает протекать по контурам 11-17-12-15-9-3-13-11 и 11-17-12-16-6-8-14-11. На интервале одновременной проводимости двух управляемых вентилей 3, 6 и двух смежных встречно-параллельных диодов 8, 9 к выключившимся управляемым вентилям 4, 5 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на встречно-параллельном диоде 8, 9, и управляемые вентили 4, 5 могут восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей). Коммутирующий конденсатор 11 перезаряжается до напряжения противоположной полярности («+» на левой по схеме обкладке) Далее ток контуров прекращается и встречно-параллельные диоды 8, 9 выключаются. К управляемым вентилям 4, 5 прикладывается положительное напряжение. За счет работы дросселей насыщения 14, 15 скорость спада тока встречно-параллельных диодов 8, 9 перед их выключением снижена, за счет чего снижается скорость нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях 4, 5 и уровень коммутационных перенапряжений в момент
выключения встречно-параллельных диодов 8, 9. Параметры дросселей насыщения 13-16 являются одинаковыми, что делает симметричными контуры коммутации и выравнивает токи, времена проводимости управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10, а также времена приложения отрицательного напряжения к управляемым вентилям 4, 5. С момента выключения встречно-параллельных диодов 8, 9 заканчивается интервал одновременной проводимости двух управляемых вентилей 3, 6 и двух смежных встречно-параллельных диодов 8, 9 и, следовательно, интервал коммутации. Далее в работе остаются только управляемые вентили 3, 6. Коммутационный интервал занимает незначительную часть полупериода. В нагрузке (индукционном нагревателе) 17 при работе вентилей 3, 6 формируется положительная полуволна тока и в нее передается мощность из источника питания инвертора тока по цепи: +-1-3-13-11-17-12-16-6-2--. Полупериод заканчивается включением управляемых вентилей 4, 5.
Во втором полупериоде при работе управляемых вентилей 4, 5 и встречно-параллельных диодов 7, 10 электромагнитные процессы в инверторе тока протекают аналогично, но токи через индукционный нагреватель 17 на интервалах их работы имеют противоположное направление.
По окончании второго полупериода снова включается управляемые вентили 3, 6. Далее электромагнитные процессы в инверторе (новый период выходного сигнала) полностью повторяются.
Снижение уровня электромагнитных помех при работе инвертора, возникающих при коммутациях управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10 обеспечивается работой дросселей насыщения 13-16. Дроссели насыщения 13-16, как отмечено выше, снижают скорость изменения тока при включении и спаде тока управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10 за счет изменения индуктивности при изменении величины тока через них.
Дроссели фильтра 1, 2 служат для повышения качества сглаживания входного тока однофазного моста и для ограничения амплитуды тока источника питания инвертора тока в интервалах коммутации и предотвращения возможного аварийного глухого закорачивания и существенного возрастания тока через управляемые вентили 3-6 при замыкании индукционного нагревателя 17 на корпус инвертора тока (замыкание на «землю»).
Управляемые вентили 3-6 при реализации инвертора тока с квазирезонансной коммутацией могут быть выполнены как однооперационными симметричными или не имеющими обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, реверсивно-включаемые динисторы, газоразрядные вентили), так и двухоперационными, то есть полностью управляемыми симметричными или несимметричными (запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи) Двухоперационные вентили также могут быть включены только в два плеча или в одну из групп (анодную или катодную) однофазного моста инвертора тока. При этом в двух других плечах или другой группе однофазного моста могут быть использованы однооперационные вентили.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы инвертора тока. Это достигается снижением за счет действия дросселей насыщения, включенных последовательно с управляемыми вентилями со стороны выходных выводов переменного тока однофазного моста, уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов в интервалах коммутаций, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении встречно-параллельных диодов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра, а также симметрии в работе управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов (симметрия токов, времен
проводимости и времен, предоставляемых для восстановления управляющих свойств). Повышается устойчивость работы инвертора тока и уменьшается вероятность срывов инвертирования при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку.
Повышение надежности инвертора тока оценивается по времени наработки устройства на отказ. Согласно экспериментальных исследований и экспертных оценок время наработки на отказ заявляемого инвертора тока с квазирезонансной коммутацией может быть увеличено на 30-40%.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия инвертора тока 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 тока с квазирезонансной коммутацией и уменьшена его стоимость за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.