ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЧАСТОТЫ
TRANSISTOR INVERTER

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности к преобразователям частоты, и может быть использовано в качестве источников питания электротехнологических установок: индукционных и сварочных, в частотно - регулируемом электроприводе, во вторичных источниках электропитания и др.
Известен преобразователь переменного тока для питания индуктора [RU 56741 U1, МПК H02M 5/45, опубл. 10.09.2006], содержащий входной сетевой выпрямитель, фильтр, первый инвертор, имеющий силовой вход, силовой выход и первый управляющий выход; индуктор и систему управления, имеющую первый задающий вход и первый управляющий выход, связанный с первым управляющим входом первого инвертора. Выход входного сетевого выпрямителя подключен к выходу фильтра, выход которого подключен к силовому входу первого инвертора.
Второй инвертор имеет силовой вход, силовой выход, первый и второй управляющие входы. Кроме того преобразователь содержит первый и второй трансформаторы с первичной и вторичной обмотками, первый и второй разделительные конденсаторы, резонансный конденсатор колебательного контура и датчик тока.
Система управления имеет второй задающий вход, информационный вход, а также второй и третий управляющие выходы. Силовой вход второго инвертора подключен к выходу фильтра. Силовые выходы первого и второго инверторов подключены соответственно к первичным обмоткам первого и второго трансформаторов через первый и второй разделительные конденсаторы.
Вторичные обмотки первого и второго трансформаторов соединены согласно и последовательно с резонансным конденсатором колебательного контура, индуктором и датчиком тока, выход которого подключен к информационному входу системы управления. Первый инвертор дополнительно снабжен вторым управляющим входом, связанным со вторым управляющим выходом системы управления. Первые управляющие входы первого и второго инверторов объединены и подключены к первому управляющему выходу системы управления. Второй управляющий вход второго инвертора подключен к третьему управляющему выходу системы управления.
Каждый из инверторов содержит четыре полностью управляемых силовых ключа, а преобразователь переменного тока - восемь таких ключей, что приводит к увеличению массогабаритных показателей устройства.
Известен преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока [RU 87379 U1, МПК B23K 9/00; H02M 3/22, опубл. 10.10.2009], содержащий подключенный к входным выводам мостовой инвертор на управляемых ключах. К положительному входному выводу инвертора подключен катод диода, а к выводам переменного тока инвертора через согласующий электромагнитный блок и выпрямитель подключена нагрузка. Согласующий электромагнитный блок выполнен в виде двух многообмоточных дросселей, первичные обмотки которых включены встречно-последовательно, при этом первые одноименные концы вторичных обмоток объединены и подключены к первому выводу нагрузки. Вторые одноименные выводы вторичных обмоток через диоды выпрямителя подключены ко второму выводу нагрузки. Преобразователь постоянного напряжения сварочной дуги постоянного тока дополнительно содержит конденсатор, подключенный параллельно нагрузке, и дополнительный управляемый ключ, первый вывод которого подключен к отрицательному входному выводу инвертора, а его второй вывод соединен с общей точкой объединенных первичных обмоток дросселей согласующего электромагнитного блока и соединен с анодом диода.
В таком преобразователе пять полностью управляемых силовых ключей, что приводит к завышению его массогабаритных показателей.
Известен преобразователь переменного тока для питания индуктора [RU 2031534 C1, МПК H02M 5/45, опубл. 20.03 1995, фиг. 1], выбранный в качестве прототипа, содержащий выпрямитель на диодах с емкостным фильтром, мостовой однофазный транзисторный инвертор с индуктором в диагонали переменного тока. Транзисторы моста инвертора зашунтированы коммутирующими конденсаторами и встречными диодами. Затворы транзисторов инвертора подключены к блоку управления.
Неуправляемый выпрямитель выполнен по мостовой схеме и подключен с одной стороны к питающей сети, с другой стороны - к емкостному фильтру, к положительному и отрицательному выводам которого подключен однофазный транзисторный инвертор напряжения. Инвертор напряжения содержит четыре силовых полевых транзистора, каждый из силовых транзисторов моста инвертора зашунтирован коммутирующим конденсатором и встречным диодом. Сток первого силового транзистора соединен с катодом первого обратного диода и с положительным выводом емкостного фильтра, исток первого силового транзистора подключен к аноду первого обратного диода. Сток второго силового транзистора соединен с катодом второго обратного диода и с положительным выводом емкостного фильтра, исток второго силового транзистора подключен к аноду второго обратного диода.
Сток третьего силового транзистора подключен к истоку первого силового транзистора и к катоду третьего обратного диода, исток третьего силового транзистора подключен к аноду третьего обратного диода и к отрицательному выводу емкостного фильтра. Сток четвертого силового транзистора подключен к истоку второго силового транзистора и к катоду четвертого обратного диода, исток четвертого силового транзистора подключен к аноду четвертого обратного диода и к отрицательному выводу емкостного фильтра. Затворы всех четырех силовых полевых транзисторов подключены к блоку управления инвертором. Один вывод нагрузки инвертора - индуктор соединен с истоком первого силового транзистора, другой вывод нагрузки инвертора соединен с истоком второго силового транзистора.
В инверторе такого преобразователя переменного тока прототипа использованы четыре силовых полевых транзистора, что приводит к завышению массогабаритных показателей.
Кроме того, недостатками прототипа являются: ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения, составляющий 60-75% от максимального уровня, поскольку регулирование осуществляется изменением интервала времени паузы; отсутствие гальванической развязки нагрузки (индуктора) и высоковольтной цепи преобразователя переменного тока.
Задачей изобретения являются: уменьшение числа силовых полевых транзисторов; увеличение диапазона регулирования выходного напряжения на активно-индуктивной нагрузке; обеспечение гальванической развязки высоковольтной части инвертора и нагрузки.
Предложенный транзисторный преобразователь частоты, так же как в прототипе, содержит неуправляемый выпрямитель, выполненный по мостовой схеме, подключенный с одной стороны к питающей сети, с другой стороны к конденсатору фильтра. К положительному и к отрицательному выводам конденсатора фильтра подключен однофазный инвертор напряжения, содержащий четыре полевых транзистора - два силовых и два вспомогательных, два обратных диода и блок управления инвертором. Сток первого силового транзистора соединен с катодом первого обратного диода и с положительным выводом конденсатора фильтра, исток первого силового транзистора подключен к аноду первого обратного диода. Сток второго силового транзистора соединен с катодом второго обратного диода и с положительным выводом конденсатора фильтра, исток второго силового транзистора подключен к аноду второго обратного диода. Затворы всех четырех полевых транзисторов подключены к блоку управления инвертором. Транзисторный преобразователь частоты имеет в своем составе конденсатор, диод.
Согласно изобретению в инверторе напряжения исток первого силового транзистора соединен с истоком первого вспомогательного транзистора, сток которого подключен к отрицательному выводу конденсатора фильтра. Исток второго силового транзистора соединен с истоком второго вспомогательного транзистора, сток которого подключен к отрицательному выводу конденсатора фильтра. Трансформатор содержит первую и вторую первичные полуобмотки, соединенные последовательно и согласно, образуя средний вывод. Начало первой первичной полуобмотки подключено к истокам первого силового транзистора и первого вспомогательного транзистора, а конец второй первичной полуобмотки подключен к истокам второго силового транзистора и второго вспомогательного транзистора. К вторичной обмотке трансформатора параллельно подсоединена активно-индуктивная нагрузка. К среднему выводу трансформатора подключено начало основной обмотки двухобмоточного дросселя, конец основной обмотки которого соединен с отрицательным выводом конденсатора фильтра. Конец дополнительной обмотки двухобмоточного дросселя соединен с анодом диода заряда конденсатора накопителя электрической энергии, катод которого подключен к одному выводу конденсатора накопителя электрической энергии и одновременно к аноду тиристора, катод которого подключен к среднему выводу трансформатора. Другой вывод дополнительной обмотки двухобмоточного дросселя и второй вывод конденсатора накопителя электрической энергии подключены к отрицательному выводу конденсатора фильтра. Управляющий электрод тиристора соединен с блоком управления инвертором.
Предлагаемый транзисторный преобразователь частоты выполнен на двух силовых полевых транзисторах, что уменьшает его массогабаритные показатели. Этот преобразователь частоты позволяет регулировать выходное напряжения на активно-индуктивной нагрузке в диапазоне до 90%, так как изменение напряжения осуществляется широтно-импульсным регулированием. Активно-индуктивная нагрузка подключена к инвертору напряжения через трехобмоточный трансформатор, что позволяет осуществить ее гальваническую развязку от высоковольтной части инвертора.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема силовых цепей транзисторного преобразователя частоты.
На фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие работу транзисторного преобразователя частоты.
Транзисторный преобразователь частоты (фиг. 1) содержит неуправляемый диодный выпрямитель 1, выполненный по мостовой схеме, подключенный с одной стороны к питающей сети, с другой стороны - к конденсатору 2 фильтра. К положительному выводу 3 и отрицательному выводу 4 конденсатора 2 фильтра подключен однофазный инвертор напряжения 5, который содержит два силовых транзистора - первый 6 и второй 7. Стоки первого 6 и второго 7 силовых транзисторов соединены с положительным выводом 3 конденсатора 2 фильтра. Каждый из силовых транзисторов 6 и 7 соответственно шунтирован обратным диодом 8 и 9. Затворы первого 6 и второго 7 силовых транзисторов подключены к блоку управления инвертором 10.
Блок управления инвертором 10 может быть выполнен на аналоговых, цифровых элементах или микропроцессоре.
Исток первого силового транзистора 6 соединен с истоком первого вспомогательного транзистора 11, сток которого подключен к отрицательному выводу 4 конденсатора 2 фильтра. Исток второго силового транзистора 7 соединен с истоком второго вспомогательного транзистора 12, сток которого подключен к отрицательному выводу 4 конденсатора 2 фильтра. Затворы первого 11 и второго 12 вспомогательных транзисторов подключены к блоку управления инвертором 10.
Трансформатор 13 транзисторного инвертора напряжения 5 содержит две первичные полуобмотки - первую 14 и вторую 15, соединенные последовательно и согласно. Начало первой первичной полуобмотки 14 подключено к истокам первого силового транзистора 6 и первого вспомогательного транзистора 11, а конец второй первичной полуобмотки 15 подключен к истокам второго силового транзистора 7 и второго вспомогательного транзистора 12. Конец первой первичной полуобмотки 14 трансформатора 13 и начало второй первичной полуобмотки 15 трансформатора 13 объединены и образуют средний вывод 16.
К вторичной обмотке 17 трансформатора 13 параллельно подсоединена активно-индуктивная нагрузка 18. Начала обмоток трансформатора 13 обозначены точками.
К среднему выводу 16 трансформатора 13 подключено начало основной обмотки 19 двухобмоточного дросселя 20. Конец основной обмотки 19 двухобмоточного дросселя 20 соединен с отрицательным выводом 4 конденсатора 2 фильтра. Начала обмоток двухобмоточного дросселя 20 обозначены точками.
Конец дополнительной обмотки 21 двухобмоточного дросселя 20 соединен с анодом диода 22, катод которого подключен к одному выводу конденсатора 23 накопителя электрической энергии и одновременно к аноду тиристора 24, катод которого подключен к среднему выводу 16 трансформатора 13. Другой вывод дополнительной обмотки 21 двухобмоточного дросселя 20 и второй вывод конденсатора 23 - накопителя электрической энергии подключены к отрицательному выводу 4 конденсатора 2 фильтра. Управляющий электрод тиристора 24 соединен с блоком управления инвертором 10.
Преобразователь частоты работает следующим образом. При подаче трехфазного напряжения на неуправляемый выпрямитель 1 на его выходе получается пульсирующее постоянное напряжение, которое поступает на конденсатор 2 фильтра. Конденсатор 2 фильтра заряжается до напряжения на выходе выпрямителя 1, так что на его выходе образуются положительный вывод 3 и отрицательный вывод 4.
1
1
2
2
В момент времени t, когда ток  активно-индуктивной нагрузки 18 проходит через ноль (фиг. 2, а), первый силовой транзистор 6 открыт напряжением управления  (фиг. 2, б). На интервале времени t-t через открытый первый силовой транзистор 6 начинает протекать ток по цепи: положительный вывод 3 конденсатора 2 фильтра, первый силовой транзистор 6, первая первичная полуобмотка 14 трансформатора 13, основная обмотка 19 двухобмоточного дросселя 20, отрицательный вывод 4 конденсатора 2 фильтра. Во вторичной обмотке 17 трансформатора 13 наводится постоянная по амплитуде положительная полуволна ЭДС (фиг. 2, в). В момент времени t с затвора первого силового транзистора 6 снимается напряжение управления  (фиг. 2, б) и первый силовой транзистор 6 закрывается.
2
3
На интервале времени t-t с блока управления инвертором 10 на первый вспомогательный транзистор 11 подается напряжение управления  (фиг. 2, г). Первый вспомогательный транзистор 11 открывается и под действием ЭДС самоиндукции, возникающей в первой первичной полуобмотке 14 трансформатора 13 и основной обмотке 19 двухобмоточного дросселя 20 через основную обмотку 19 двухобмоточного дросселя 20 продолжает протекать ток по контуру: конец первой первичной полуобмотки 14, основная обмотка 19 двухобмоточного дросселя 20, первый вспомогательный транзистор 11, начало первой первичной полуобмотки 14 трансформатора 13.
2
3
3
В результате на интервале времени t-t ток  активно-индуктивной нагрузки 18 начинает уменьшаться по экспоненциальному закону. При этом на конце дополнительной обмотки 21 двухобмоточного дросселя 20 наводится ЭДС положительной полярности, под действием которой открывается диод 22 заряда конденсатора-накопителя электрической энергии и конденсатор 23 заряжается так, что на его верхней обкладке накапливается положительный потенциал. В момент времени t напряжение управления  (фиг. 2, г) становится равным нулю и первый вспомогательный транзистор 11 закрывается. После чего, от блока управления инвертором 10 импульсом напряжения управления  (фиг. 2, д) открывается тиристор 24. Под действием напряжения заряженного конденсатора 23 и ЭДС второй первичной полуобмотки 15 трансформатора 13 продолжает протекать ток по контуру: плюс верхней обкладки конденсатора 23 - накопителя электрической энергии, тиристор 24, вторая первичная полуобмотка 15 трансформатора 13, второй обратный диод 9, положительный вывод 3 конденсатора 2 фильтра, конденсатор 2 фильтра, отрицательный вывод 4 конденсатора 2 фильтра, нижняя обкладка конденсатора 23 - накопителя электрической энергии. Сброс энергии, накопленной в конденсаторе 23, индуктивностях трансформатора 13 и нагрузки 18 будет продолжаться до тех пор, пока ток разряда конденсатора 23 не станет равным нулю, а тиристор 24 не закроется.
3
3
5
18
Под действием тока, протекающего по второй первичной полуобмотке 15 трансформатора 13, во вторичной обмотке 17 трансформатора 13 наводится отрицательная полуволна ЭДС, а ток нагрузки  продолжает уменьшаться по экспоненциальному закону. Одновременно в момент времени t, в течение интервала времени t-t от блока управления инвертором 10 на затвор второго силового транзистора 7 подается напряжение управления  (фиг. 2, е), но второй силовой транзистор 7 продолжает оставаться закрытым, так как от падения напряжения на открытом диоде 9 к его истоку приложено напряжение положительной полярности относительно стока. Как только тиристор 24 закроется, к стоку второго силового транзистора 7 будет приложено напряжение положительной полярности вывода 3 конденсатора 2 фильтра и второй силовой транзистор 7 откроется. Через открытый второй силовой транзистор 7 начинает протекать ток по контуру: положительный вывод 3 конденсатора 2 фильтра, второй силовой транзистор 7, вторая первичная полуобмотка 15 трансформатора 13, основная обмотка 19 двухобмоточного дросселя 20, отрицательный вывод 4 конденсатора 2 фильтра. Во вторичной обмотке 17 трансформатора 13 наводится ЭДС отрицательной полярности E (фиг. 2, в). Под действием этой ЭДС в активно-индуктивной нагрузке 18 будет протекать ток, сначала уменьшающийся до нуля, а затем увеличивающийся (по абсолютной величине) в отрицательном направлении.
5
5
5
6
В момент времени t напряжение управления  (фиг. 2, е) снимается с затвора второго силового транзистора 7 и второй силовой транзистор 7 закрывается. После чего в момент времени t от блока управления инвертором 10 напряжение управления  подается на затвор второго вспомогательного транзистора 12. Второй вспомогательный транзистор 12 открывается и под действием ЭДС самоиндукции второй первичной полуобмотки 15 трансформатора 13 и основной обмотки 19 двухобмоточного дросселя 20 продолжает протекать ток по цепи: начало второй первичной полуобмотки 15 трансформатора 13, основная обмотка 19 двухобмоточного дросселя 20, второй вспомогательный транзистор 12, конец второй первичной полуобмотки 15 трансформатора 13. При этом ток  активно-индуктивной нагрузки 18 на интервале времени t-t - начинает уменьшаться по абсолютной величине (фиг. 2, а). На конце дополнительной обмотки 21 двухобмоточного дросселя 20 наводится ЭДС положительной полярности, открывается диод 22 и конденсатор 23 заряжается так, что на его верхней обкладке накапливается положительный потенциал.
6
В момент времени t импульсом напряжения управления  (фиг. 2, д) от блока управления инвертором 10 открывается тиристор 24 и конденсатор 23 - накопитель электрической энергии начинает разряжаться по цепи: плюс верхней обкладки конденсатора 23, тиристор 24, первая первичная полуобмотка 14 трансформатора 13, первый обратный диод 8, положительный вывод 3 конденсатора 2 фильтра, конденсатор 2 фильтра, отрицательный вывод 4 конденсатора 2 фильтра, нижняя отрицательная обкладка конденсатора 23 - накопителя электрической энергии.
Этот процесс продолжается до тех пор, пока ток разряда конденсатора 23 - накопителя электрической энергии не станет равным нулю и тиристор 24 не закроется. Под действием тока, протекающего по первой первичной полуобмотке 14 трансформатора 13, во вторичной обмотке 17 трансформатора 13 наводится положительная полуволна ЭДС, а ток нагрузки  продолжает уменьшаться по абсолютной величине (фиг. 2, а).
Далее процессы в преобразователе частоты повторяются.
3
5
5
6
3
5
5
6
Длительности интервалов времени t-t и t-t - определяют половину периода выходного напряжения транзисторного преобразователя частоты, а следовательно, и частоту выходного напряжения преобразователя. Соотношение длительности интервалов времени t-t и t-t определяют выходное напряжение преобразователя в полупериоде.
Приведенный пример выполнения транзисторного преобразователя частоты не ограничивает другие возможные типы силовых транзисторов: полевых типа MOSFET и биполярных транзисторов с изолированным затвором типа IGBT.