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 с резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, два последовательно соединенных плеча которого содержат управляемые вентили со встречно-параллельными диодами, а два других последовательно соединенных плеча содержат конденсаторы, выводы переменного тока однофазного моста через последовательно соединенные коммутирующий дроссель и коммутирующий конденсатор соединены с выходными выводами инвертора (Тиристорные преобразователи частоты / А.К.Белкин, Т.П.Костюкова, Л.Э.Рогинская и др. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - С.37)
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями токов через управляемые вентили и встречно-параллельные диоды в инверторе, выполненном на заданную мощность, что может привести к выходу их из строя из-за перегрева полупроводниковых структур управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов. В инверторе не обеспечивается симметричное ограничение тока источника питания при аварийных замыканиях выходных выводов на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, два последовательно соединенных плеча которого содержат управляемые
вентили со встречно-параллельными диодами, а два других последовательно соединенных плеча содержат конденсаторы, выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора (П. 2024177 РФ, МКИ Н02М 7\538. Преобразователь переменного тока для питания индуктора \ Е.М.Силкин, Г.В.Мизин, А.И.Пахалин и др. - Заявл. 04.07.91, Опубл. 30.11.94, Б.И. №22).
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями токов через управляемые вентили и встречно-параллельные диоды в инверторе, выполненном на заданную мощность, что может привести к выходу их из строя из-за перегрева полупроводниковых структур управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов. В инверторе не обеспечивается симметричное ограничение тока источника питания при аварийных замыканиях выходных выводов на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, два последовательно соединенных плеча которого содержат управляемые вентили со встречно-параллельными диодами, а два других последовательно соединенных плеча содержат конденсаторы, выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора (П. 2025881 РФ, МКИ Н02М 7\538. Преобразователь переменного тока для питания индуктора \ Е.М.Силкин, Г.В.Мизин, А.И.Пахалин и др. - Заявл. 03.09.91, Опубл. 30.12.94, Б.И. №24).
Указанный автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией является наиболее близким по технической сущности к полезной модели и выбран в качестве прототипа.
Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией является низкая надежность работы. Это обусловлено высокими уровнями токов через
управляемые вентили и встречно-параллельные диоды в инверторе, выполненном на заданную мощность, что может привести к выходу их из строя из-за перегрева полупроводниковых структур управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов. В инверторе не обеспечивается симметричное ограничение тока источника питания при аварийных замыканиях выходных выводов на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра. Имеют место большие уровни перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах и высокие уровни электромагнитных помех из-за высоких уровней и скоростей нарастания и спада тока управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов.
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 подключенный через дроссели фильтра к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, два последовательно соединенных плеча которого содержат управляемые вентили со встречно-параллельными диодами, а два других последовательно соединенных плеча содержат конденсаторы, выводы переменного тока однофазного моста через последовательно соединенные дроссели насыщения и коммутирующие дроссели соединены с выходными выводами инвертора, зашунтированными компенсирующим конденсатором.
Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что достигается снижением уровней токов через управляемые вентили и встречно-параллельные диоды, снижением коммутационных потерь, перенапряжений и электромагнитных помех, исключением режимов перегрева структуры управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
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 подключенный через дроссели фильтра 1, 2 к входным выводам инвертора выводами постоянного тока однофазный мост, два последовательно соединенных плеча которого содержат управляемые вентили 3, 4 со встречно-параллельными диодами 5, 6, а два других последовательно соединенных плеча содержат конденсаторы 7, 8, выводы переменного тока однофазного моста через последовательно соединенные дроссели насыщения 9, 10 и коммутирующие дроссели 11, 12 соединены с выходными выводами инвертора, зашунтированными компенсирующим конденсатором 13. К выходным выводам инвертора подключен индуктор 14.
Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 3, 4 подаются поочередно в моменты перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 13 через ноль. Параметры дросселей насыщения 9, 10, коммутирующих дросселей 11, 12, емкость компенсирующего конденсатора 13 и конденсаторов 7, 8 выбраны из условия обеспечения колебательного характера тока в контурах: 7-3(5)-10-12-(13, 14)-11-9-7 и 8-9-11-(13, 14)-12-10-4(6)-8, образующихся при включении управляемых вентилей 3, 4 и встречно-параллельных диодов 5, 6. Собственная частота контуров приблизительно в два раза превышает выходную частоту устройства. За полный цикл работы
управляемых вентилей 3, 4 и встречно-параллельных диодов 5, 6 в нагрузке (13, 14) получаем полный период выходного переменного напряжения. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 2 выбраны достаточными для качественной фильтрации тока на входе однофазного моста, содержащего в двух последовательно соединенных плечах управляемые вентили 3, 4 со встречно-параллельными диодами 5, 6, а в двух других последовательно соединенных плечах конденсаторы 7, 8. Компенсирующий конденсатор 13 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (индуктора или нагрузки) 14 и последовательную компенсацию, совместно с конденсаторами 7, 8 (при конечном значении их емкости), реактивной мощности дросселей насыщения 9, 10 и коммутирующих дросселей 11, 12. Дроссели насыщения 9, 10 имеют большую индуктивность при малых начальных токах в коммутирующих контурах. При нарастании тока индуктивность дросселей насыщения 9, 10 снижается до малой величины, и они далее не оказывают влияния на электромагнитные процессы в межкоммутационном интервале. Коммутирующие дроссели 11, 12 могут выполняться в виде самостоятельных элементов или представлять собой индуктивности нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей). Дроссели насыщения 9, 10 и коммутирующие дроссели 11, 12, соответственно, могут быть конструктивно объединены в один элемент с нелинейной характеристикой. Период выходного сигнала автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией состоит из шести временных интервалов, соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3, 4 и встречно-параллельных диодов 5, 6. В качестве управляемых вентилей могут быть использованы как однооперационные, так двухоперационные вентили с обратной проводимостью (со встречно-параллельными диодами) или без обратной проводимости. При этом электромагнитные процессы в схеме автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией качественно аналогичны. Рассмотрим вариант выполнения схемы на основе управляемых двухоперационных вентилей (транзисторов)
со встречно-параллельными диодами. Основной (первый, четвертый) интервал соответствует интервалу прямой проводимости управляемого вентиля 3 (4). При включении управляемого вентиля 3 начинается колебательный заряд с положительной полярностью компенсирующего конденсатора 13 по цепи: 7-3-10-12-(13, 14)-11-9-7 от конденсатора 7 и источника питания автономного согласованного инвертора. Одновременно происходит разряд компенсирующего конденсатора 13 через индуктор 14 в параллельном контуре: 13-14-13. После колебательного спада тока в цепи: 7-3-10-12-(13, 14)-11-9-7 до нуля компенсирующий конденсатор 13 заряжен до максимального положительного напряжения, которое превышает напряжение на конденсаторе 7. Начинается разряд (второй интервал) компенсирующего конденсатора 13 по цепи: (13, 14)-12-10-5-7-9-11-(13, 14). Через встречно-параллельный диод 5 управляемого вентиля 3 протекает обратный ток, который складывается с постоянным током заряда конденсатора 7. Через нагрузочный контур 13, 14 ток протекает также в противоположном направлении. Во втором интервале снимается импульс управления с управляемого вентиля 3. Одновременно происходит разряд компенсирующего конденсатора 13 через индуктор 14 в контуре: 13-14-13. После колебательного спада тока в цепи: (13, 14)-12-10-5-7-9-11-(13, 14) до нуля встречно-параллельный диод 5 управляемого вентиля 3 выключается. При этом напряжение на компенсирующем конденсаторе 13 продолжает уменьшаться и через интервал паузы (третий интервал) становится отрицательным. На третьем временном интервале паузы компенсирующий конденсатор 13 продолжает перезаряжаться в контуре: 13-14-13 до напряжения, как указано, отрицательной полярности (+ на правой по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 13). Третий интервал в работе автономного согласованного инвертора заканчивается при полном разряде компенсирующего конденсатора 13. В момент перехода напряжения на компенсирующем конденсаторе 13 через ноль в отрицательную область значений заканчивается полупериод в работе автономного согласованного инвертора, подается очередной импульс управления, включается управляемый
вентиль 4 и начинается следующий полупериод (четвертый-шестой временные интервалы) в работе автономного согласованного инвертора. Электромагнитные процессы при работе управляемого вентиля 4 и встречно-параллельного диода 6 полностью аналогичны рассмотренным. Токи через элементы диагонали переменного тока однофазного моста инвертора на втором полупериоде имеют противоположное направление. При использовании двухоперационных управляемых вентилей 3, 4 третий интервал целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов схемы, что обеспечивает более высокие энергетические показатели устройства. На интервалах проводимости встречно-параллельных диодов 5, 6 к выключившемся управляемым вентилям 3, 4 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на встречно-параллельном диоде 5, 6, и управляемые вентили 3, 4 могут восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей). В этом случае длительность второго интервала устанавливается выбором параметров элементов схемы исходя из требуемого времени выключения используемых однооперационных управляемых вентилей 3, 4.
Управляемый вентили 3, 4 при реализации автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, как указано выше, 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).
Дроссели насыщения 9, 10 работают в моменты включения и выключения управляемых вентилей 3, 4 и встречно-параллельных диодов 5, 6 ограничивая (снижая) скорости нарастания и спада токов, что существенно уменьшает коммутационные потери и перенапряжения
на элементах схемы инвертора и управляемых вентилях 3, 4 и встречно-параллельных диодах 5, 6.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Это достигается снижением величины токов через управляемые вентили (более чем в два раза) за счет изменения схемы компенсации, уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет дросселей фильтра.
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.
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.