Автономный последовательный инвертор

О П И С А Н И Е (11) 767920ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскииСоциалистическихРеспубликОпубликовано 30.09.80. Бюллетень 36Дата опубликования описания 10.10.80 иа делам изобретений и открытий(72) Авторы изобретения Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С, М. Кирова(71) Заявитель 54) АВТОНОМНЫЙ ПОС,ЛЕДОВАТЕ,ЛЬНЫЙ. ИНВЕР Эта схема поз ния на вентилях, дывается геометр ний на коммутиру мутирующем дрос ке питания в моме вентилей.Такие и р зовать в ул ву напряжем прикла- напряжеторе, коми источни- ивофазных воляет снизит поскольку к н ическая сумма ющем конденс селе, нагрузке нт работы про вертор, ко , в диагоющий кониз после целесообразно испольковом диапазоне частот,нвертоьтраз Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для индукционного нагрева металлов, а также в ультразвуковой технологии.Известны последовательные инверторы, в которых сброс избыточной рективной энергии, запасенной в коммутирующем контуре, осуществляется, с коммутирующих дроссе- лей на дополнительный конденсатор 1,В таких схемах достигается ограничение напряжения на элементах инвертора при малых эквивалентных сопротивлени О ях нагрузки. Однако для достаточно эффективного ограничения указанных напряжений необходимо всю коммутирующую индуктивность выносить из моста инвертора и охватывать контуром рекуперации. При этом к прямым вентилям инвертора на интервале времени работы противофазных вентилей прикладывается полное напряжение коммутирующего конденсатора, поэтому напряжение на прямых вентилях инвертора оказывается все же высоким.Наиболее близким является инторый содержит вентильный мостналь которого включен коммутируденсатор, две цепочки, состоящие довательно соединенных через половины противофазных коммутирующих дросселей, общий вывод которых служит для подключения нагрузки, двух фильтровых конденсаторов, причем первая цепочка включена между анодами вентилей моста, подключенными через фильтровые дроссели к положительному входному зажиму, а вторая - между катодами вентилей моста, подключенными через фильтровые дроссели, к отрицательному входному зажиму, а к отпайкам фильтровых дросселей подключен вспомогательный конденсатор, обкладки которого подсоединены через встречные вентили к обкладкам фильтровых конденсаторов соединенным с коммутирующими дросселями 2.поскольку к прямым вентилям прикладывается значительно обратное напряжение на " увеличенцом интервале времени, предоставляемом для их восстановления управляемости. Однако нагрузкой в ультразвуковой технологии обычно являются магнитострикционные или пьезокерамические преобразователи, В первом случае обмотка-магнитостриктора хотя и компенсируется параллельной емкостью, но нагрузочный контур оказывается низкодобротным и нелинейным, а во втором случае нагрузка носит характер, близкий к активному. В связи с этим и в первом и во втором случаях предъявляются повышенные требования к уровню гармонических составляющих в форме выходного тока. Поскольку в рассматриваемых инверторах осуществляется односторонняя подпитка высокочастотным током моста инвертора (снизу вверх), в выходном токе имеются как четные, так и нечетные гармонические составляющие, уровень которых достигает 40 О/О.20Недостатком рассматриваемой схемыявляется и то, что амплитуда напряжения йа нагрузке ограничивается на уровне, равном напряжению питания и выше, в зависимости от величины емкости вспомогательного конденсатора. Этого оказывается не достаточно для того, чтобы сохранить интервал времени, предоставляемый для восстановления управляемости прямых вентилей в широком диапазоне изменения активного и реактивного сопротивлений нагрузки.Цель изобретения - снижение уровнягармонических составляющих выходного тока и повышение надежности.Для достижения поставленной цели ицвертор, содержагций преобразовательную 25 ячейку, состоящую из тиристорного моста с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока и двух последовательных цепочек, состоящих каждая из двух фильтровых конденсаторов, соединеццых через полуобмотки противофазных комму 46тирующих дросселей, и включенных первая между анодами, а вторая - между катодами тиристоров моста, подключенных к крайним выводам полуобмоток фильтровых дросселей, соединенным через диоды, включенные в обратном направлении, с отпайками соответствующих полуобмоток коммутирующих дросселей, общие точки которых соединены с одним из выходных выводов, причем средние выводы фильтровых дросселей ячейки через ограничивающие дроссели и ф вспомогательный конденсатор связаны с вход ными выводами, а вспомогательный конденсатор через встречные диоды связан с точками соединения фильтровых конденсаторов с" кбЪЮ)тиЯющимй" Лросселями соответствующих последовательных цепочек ячейки и через два обратных диода по крайней мере с одций из выходных выводов, снабжен второй идентичной преобразовательной ячей 4кой, общая точка полуобмоток коммутирующих дросселей первой последовательной цепочки которой соединены с общей точкойкоммутирующих полуобмоток второй цепочки первой ячейки, общая точка коммутирующих полуобмоток первой цепочки первойячейки соединена с обшей точкой полуобмоток второй цепочки второй ячейки, а вспомогательный конденсатор соединен со средними выводами фильтровых дросселей второй ячейки и через дополнительные встречные диоды - с точками соединения конденсаторов с дросселями ее цепочек.Кроме того, инвертор снабжен третьимобратным диодом и дополнительным конденсатором, одна обкладка которого подключена к одному выходному выводу, а втораячерез один обратный диод - к положительной обкладке вспомогательного конденсатора, через второй обратный диод - к другому выходному выводу, соединенному черезтретий обратный диод с отрицательной обкладкой вспомогательного конденсатора,Ицвертор снабжен третьим и четвертымобратными диодами иидвумя дополнительными последовательными цепочками, подключенными параллельно вспомогательному конденсатору и состоящими каждая издвух дросселей и двух конденсаторов, общие точки которых подключены к одному извыходных выводов, связанному через дваобратных диода с точками соединения дросселей с конденсаторами соответствующейдополнительной цепочки,Схемы инвертора представлены нафиг,и 2.Инвертор (фиг. 1) содержит два тиристорных моста, собранных на тиристорах 1 - 8,в диагонали которых включены коммутирующие конденсаторы 9, 1 О, коммутирующиедроссели 11 - 14, фильтровые дроссели 15,фильтровые конденсаторы 16 - 23, встречные диоды 24 - 31, обратные диоды 32 - 34,ограничивающий дроссель 35, вспомогательный конденсатор 36, нагрузка 37, диоды38 - 45, дополнительный конденсатор 46.Инвертор работает следующим образом.В первом такте открываются тиристоры1, 2 и импульс тока, близкий к синусоидальному, протекает по контуру: 1-9 - 2.41,11 - 37 - 11з Во второй половине полуперйода выходного тока, когданапряжение на коммутирующем дросселе 11меняет знак и превышает напряжение питания, до которого заряжен конденсатор 36,открываются тиристоры 25, 30 и протекаетток сброса избыточной реактивной энергии,запасенной в указанном дросселе по контуру: 11 - 25 - 36 - 30 - 11 - 37 - 11, т. е.по нагрузке в ту же сторону (снизу вверх),что и ток моста инвертора. Во втором тактеоткрываются тиристоры 5, 6 второго моста,и ток протекает. по контуру 5 в 10 - 6 (чЕЗ13 - 37 - 13,5. Во второй половинеполупериода тока, когда напряжение на коммутирующем дросселе 13 меняет знак ипревосходит напряжение на,конденсаторе 36, открываются диоды 24, 31 и протекает ток сброса избыточной энергии, запасенной в указанном дросселе по контуру: 13 - 24 - 36 - 31 - 13 - 37 - 13,т.е. по нагрузке в ту же сторону, что и ток второго моста, но теперь уже сверху вниз, За два такта работы инвертора формируется полный период выходного тока. В последующих тактах инвертор работает аналогично описанному, При этом в 111 такте открываются тиристоры 3, 4 ток протекает сначала по контуру: 3 - 9 - 4, - 12 - 37 - 12щ- 3, а затем по контуру 12 - 26 - 36 - 29 - 12 - 37 - 12.В четвертом такте открываются тиристоры 7, 8, и ток протекает вначале по контуру: 7 - 10 - 8 -. 0- 14 - 37 - 14- 7, а затем по контуру: 14 - 27 - 36 - 28 - 14 - 37 -4.С ростом эквивалентного сопротивления нагрузки на ней возрастает напряжение, при этом возрастает напряжение и на конденсаторе 46, который подзаряжается до уровня, равного амплитуде выходного напряжения. С момента, когда амплитуда напряжения на нагрузке достигает, равного половине напряжения питания, к диодам 32, 34 будет приложено положительное напряжение, поскольку сумма напряжений ча конденсаторе 46 и нагрузке 37 превосходит напряжение на конденсаторе 36, заряженном до напряжения питания. С момента отпирания диодов 32, 34 протекает ток сброса избьггочной реактивной энергии, запасенной в нагрузке, по контуру: 37 - 46 - 32 - 36 - 34 - 37 и образуются дополнительные пути тока мостов инвертора помимо нагрузки, например, в первом такте ток вначале протекает по контуру: 17 в 1 в 9 в 2 в 22 в 11- -37 - 11 - 17, а затем, когда откроются диоды 32, 34 по контуру: 17 - 1 в 9 в 2 в 22 в 06 в 32 в 36 в- 1 7. При этом конденсатор 46 подразряжается.Во втором такте под действием напряжения на нагрузке откроется диод 33 и конденсатор 35 будет подзаряжен током сброса избыточной энергии, запасенной в нагрузке, и также образуется путь тока моста инвертора помимо нагрузки. Так например, во втором такте открываются тиристоры 5, 6 и ток вначале протекает по контуру: 1 б - 5 10 в 6 в 23 в 13 в 37 в, затем, когда откроется диод 33, по контуру: - 16 - 5 -- 10 - 6 - 23 - 13 - 33 - 46 - 13 - 16. В следующих тактах процессы повторяются аналогично описанным. При этом среднее напряжение на конденсаторе 46 поддерживается равным половине напряжения питания.На фиг. 2 изображена схема инвертора, в которой сброс избыточной энергии, запасенной в нагрузке, осуществляется на конденсаторе 46 - 49 посредством диодов 31 - 34, 50, заряженные до половины питающего на благоприятные условия работы прямых вентилеи, поскольку к ним прикладывается пониженное на 20 - 30% прямое и обратное напряжение по отношению к первой из рассматриваемых схем, а сброс избыточной реактивной энергии, запасенной в коммутирующих контурах, осуществляется как в первой, так и во второй половинах полупериода тока,что также повышает эффективностьограничения напряжения на элементах инвертора. формула изобретения 1, Автономный последовательный инвертор, содержагций преобразовательную ячейку, состоящую из тиристорного моста с коммутируюгцим конденсатором в диагонали переменного тока и двух последовательных цепочек, состоящих каждая из двух фильтровых конденсаторов, соединенныхчерез полу- обмОтки противофазных коммутирующих дросселей, и включенных первая между анодами, а вторая - между катодами тиристоров моста, подключенных к крайним выводам полуобмоток фильтровых дросселей, соединенным через диоды, включенные в обратном направлении, с отпайками соответствующих полуобмоток коммутирующих дросселей, общие точки которых соединены с одним из выходных выводов, причем средние выводы фильтровых дросселей ячейки через ограничивающие дроссели и вспомогательный конденсатор связаны с входными 45 0 55 пряжения по контурам: 37 - 32 - 47 - 37; 37-48 - 35 - 37 в первом полупериоде выходногонапряжения и 37 - 33 - 46 - 37; 37 - 49 - 34 в 37 - во втором полупериоде выходного напряжения. Так же как и в предыдущем случае образуются дополнительные конту-, ры через диоды 32 - 34, 50 для тока мостов инвертора помимо нагрузки, что обеспечивает коммутационную устойчивость инвертора при возрастании сопротивления нагрузки.10 Таким образом, схема обеспечивает симметричную подпитку нагрузки высокочастотным током мостов инвертора в каждый полупериод выходного напряжения, что снижает уровень гармонических составляющих в выходном токе, повышает КПД установки, позволяет ограничить амплитуду выходного напряжения на уровне, равном половине питающего напряжения и выше. в зависимости от величины емкости дополнительного конденсатора 46 (оптимальным является со 2 о отноцгение амплитуды выходного напряжения и напряжения литания в диапазоне 0,8 - 0,9), что позволяет обеспечить устойчивую работу инвертора (без сокращения времени предоставляемого для восстановления управляемости прямых вентилей) в диапазоне изменения эквивалентного сопротивления нагрузки от 0 до дО.Кроме того, в схеме создаются наиболеевыводами, а вспомогательный конденсатор через встречные диоды связан с точками соединения фильтровых конденсаторов с коммутирующими дросселями соответствующих последовательных цепочек ячейки и через два обратных диода по крайней мере с одним из выходных выводов, отличающийся -тем, что, с целью снижения уровня гармонических составляющих выходного тока и повышения надежности, он снабжен второй идентичной преобразовательной ячейкой, общая точка полуобмоток коммутирующих 1 о дросселей первой последовательной цепочки которой соединены с общей точкой коммутирующих полуоб моток второй цепочки первой ячейки, общая точка коммутирующих полуобмоток первой цепочки первой ячейки соединена с общей точкой полуобмоток второй цепочки второй ячейки, а вспомогательный конденсатор соединен со средними выводами фильтровых дросселей второй ячейки и через дополнительные встречные диоды - с точками соединения конденсаторов с дрос- у селями ее цепочек. 2. Инвертор по и. 1, отличающийся тем, что, он снабжен третьим обратным диодом и дополнительным конденсатором, одна обкладка которого подключена к одному выходному выводу, а вторая через один обратный диод - к положительной обкладке вспомогательного конденсатора, через второйобратный диод - к другому выходному выводу, соединенному через третий обратныйдиод с отрицательной обкладкой вспомогательного конденсатора.3. Инвертор по п, 1, отличающийся тем,что он снабжен третьим и четвертым обратными диодами и двумя дополнительнымипоследовательными цепочками, подключенными параллельно вспомогательному конденсатору и состоящими каждая из двухдросселей и двух конденсаторов, общие точки которых подключены к одному из выходных выводов, связанному через два обратных диода с точками соединения дросселей с конденсаторами соответствующей дополнительной цепочки.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Авторское свидетельство СССР позаявке2512556/07, кл. Н 02 М 7/515,1977.2. Авторское свидетельство СССР позаявке - 2588185/07, кл, Н 02 М 7/515,09.03,78,Составитель И.аулова Техред К. ШуфриТираж 783 Редактор Е. КаЗаказ 7215/50ВН твенного комит ретений и от 35, Раушская г, Ужгород, у 1130 ФилиалИИПИ Государс по делам изо5, Москва, Ж -ППП Патент,ЖеребинаКорректорПодписноеета СССРрытийна 6, д. 4/5Проектная, 4 Пожо