Инвертор

ОП ИСАНИ Е ИЗОБРЕТЕНИЯ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союз СоветскихСоциалистическихРеспубликОпубликовано 30.10.81. Бюллетень40Дата опубликования описания 05.11.8 . па делам изобретений и открытий(54) ИНВЕРТОР 1Устройство относится к преобразовательной технике, предназначено для преобразования постоянного напряжения в перемен-.ное и может быть использовано для питаниямощных нагрузок,Известны схемы мощных инверторов. Такие схемы подразделяются на полумостовые,мостовые, однофазные, трехфазные с одноступенчатой коммутацией, с двухступенчатой коммутацией и др. 1 и 2.Известно, что при работе инверторов вдросселе и конденсаторе накапливается избыточная энергия. В большинстве разновидностей инверторов накопление возникает приработе устройства на нагрузку, а в некоторых инверторах накопление имеет место также и в режиме холостого хода (в инвертОрах, у которых перезарядка коммутирующе-,го конденсатора происходит через источникпитания) 3.Избыточная энергия возрастает от тактак такту работы устройства, при этом накопление увеличивается с ростом частоты так.,тов и тока нагрузки.Накопление избыточной энергии проявляется в увеличении напряжения на конден 2саторе и связанных с ним элементах.Это. приводит к перенапряжениям, выходу из .строя элементов и понижению КПД,Эти недостатки отчасти ослабляются винверторах с цепями сброса избыточной энергии.Жесткое ограничение накопления можетбыть осуществлено с помощью простейшейцепи сброса-диода, который фиксирует напряжение на конденсаторе на уровне напря.жения источника питания. Менее жесткое 1 О ограничение получается при введении последовательно с диодамн резистора 14.Однако в этих случаях КПД низкий, таккак избыточная энергия рассеивается на диодах и резисторах в виде тепла.Более эффективное ограничение накоп ления и повышение КПД обеспечивается вслучае применения трансформаторного сбро.са, когда избыточная энергия возвращаетсяв источник питания. Реализация этого видасброса может быть выполнена несколькимиметодами.Например, ещи нагрузка подключаетсяк инвертору с помощью силового трансформатора, то трансформаторный (автотранс877754 тиристоры 1 и 2 50 3форматорный) сброс получается при подсоединении вентилей (диодов) к части его первичной .обмотки 3. Если силовой трансформатор отсутствует, то сброс может быть осуществлен за счет дополнительной обмотки в дросселе 5.Совмещение цепей сброса и цепей, выполняющих другие функции, в одном элементе вызывает существенное усложнение этого элемента и, кроме того, не всегда можно удовлетворить противоречивым требованиям по электрическим параметрам к .цепям.Наиболее близким к предлагаемому является инвертор, содержащий силовые тиристоры, конденсатор (конденсаторы) и . дроссель. Цепь сброса выполнена с применением трансформатора, первичная обмотка Которого подсоединена через вентиль к дросселю, а вторичная обмотка через двухполупернодный выпрямитель - к источнику напряжения 6.Известное устройство имеет повышенное значение напряжения на конденсаторе и относительно низкий КПД. Цель изобретения - ограничение перенапряжений и повышение КПД.Указанная цель достигается тем, что в инверторе, содержащем подключенную ко входным выводам преобразовательную ячейку на тиристорах с последовательным коммутирующим 1 Х:-контуром, соединенным с первичной обмоткой трансформатора сброса, подключенной ко входным выводам через обратные вентили, причем вторичная обмотка указанного трансформатора соединена со входными выводами через выпрямитель, первичная обмотка трансформатора сброса включена между дросселем и конденсатором последовательного 1 С-контура.На фиг. 1 - 4 изображены варианты схем устройства. Схемы содержат силовые тиристорыи 2, коммутирующий 1 Х:-контур, состоящий из конденсатора 3 и дросселя 4, нагрузку 5, трансформатор 6 сброса, с первичной 7 и вторичной 8 обмотками, причем первичная обмотка 7 присоединена через обратные вентили, 9 и 10 и тиристоры 1 и 2 к дрссселю, а вторичная обмотка 8 через выпрямитель (вентили 1 в 14) - к источнику питания, Первичная обмотка 7 включена между конденсатором 3 и дросселем 4 и последовательно с ними. Некоторые разновидности инверторов содержат также и друхие элементы. Для индивидуальной коммутации силовых тиристоров служат дополнительные тиристоры 15 и 6 (фиг. 3 и 4), а с целью уменьшения обратных напряжений параллельно силовым тиристорам подсоединены обратные диоды 17 и 18. Вместо одного конденсатора 3 и тогда применяют равноценную схему с двумя конденсаторами, как это пока. зано штриховой линией иа фиг. 1 - 3,4За исключением процесса сброса избыточной энергии устройство работает аналогично известным.Рассмотрим работу инвертора на примере варианта по схеме на фиг, 1. Допустим, вначале открыт тиристор . Напряжение источника питания +Еприкладывается к нагрузке 5 через дроссель 4. Конденсатор 3 заряжен в предыдущем такте до напряжения +Ес полярностью, показанной на фиг. 1 без скобок. В следующий такт импульс управления открывает тиристор 2. При этом напряжение конденсатора.З через обмотку 7 трансформатора прикладывается к нижней полуобмотке дросселя 4. В силу электромагнитной связй между полуобмотками на,верх-.ней полуобмотке возникает напряжение,равное Е,которое, складываясь с напряжением на конденсаторе 3, запирает тиристор.1. Нагрузка через тиристор 2 подключается к отрицательному выводу источника питания. Конденсатор 3 разряжается по цепи 20 3 - 7 - 4 - 2 ( - Е) - 3. Ток разрядки имеетколебательный характер (колебательный контур образован элементами 3 и 4). Поэтому конденсатор, разрядившись до нуля, перезаряжается до напряжения Ес противоположной полярностью (на фиг. 1 показана в скобках) н далее стремится перезарядиться до более высокого напряжения. Последнее вызвано тем, что в контуре с конденсатором уже имелась энергия дросселя, запасенная при протекании через него тока на грузки, и, кроме того, при перезарядке конденсатора через источник питания Е в контуре накопилась дополнительная энергия.Дальнейшему росту напряжения на конденсаторе 3 начинает препятствовать вентиль 10, открывающийся при .достижении 35Ус --- Еп. В этот момент образуется контур сброса 4 - 2 - 10 - 6 - 4, в котором дроссель 4 подключен через вентили 2 н 10 параллельно первичной обмотке. 7 трансформатора 6.Поскольку вторичная обмотка трансформа тора подсоединеиа через выпрямитель к источнику питания, то вся избыточная энергия возвращается в этот источник. В следующем такте процессы в схеме протекают аналогично.Частота тактов задается управляющими 4 импульсами, поступаю 1 цими поочередно на В схеме первичная обмотка 7 трансформатора включена последовательно в цепь разрядки и зарядки (перезарядкн) конденсатора 3, т,е. в цепь переменного тока, Поэтому вторичная обмотка 8 подсоединена к двухполупериодному выпрямителю 11 -4 При рассмотрении, взаимодействия элементов в схеме можно видеть, что в течение сброса открыты одновременно вентили 9 ия13 (или 11) либо вентили 10 и 14 (или 12). Отсюда следует, что функции этих пар веитилей можно совместить. На фиг. 2 показан такой вариант: вместо вентилей 9 и 13877754 6Возможные варианты устройства не ис-фчерпываются рассмотренными схемами.Фиг. 1 и 2 иллюстрируют практические примеры выполнения инвертора по однофазнойполумостовой схеме с одноступенчатой ком 5 мутациеи, а фиг. 3 и 4 - по однофазной полумостовой схеме с двухступенчатой коммутацией, Данное устройство может быть выполнено также по мостовым и многофаэным(в частности, трехфазным) схемам,Во всех вариантах устройства включениепервичной обмотки трансформатора сбросамежду и последовательно с конденсатором идросселем по току коммутации предопределяет жесткое ограничение напряжения на .конденсаторе и элементах на минимальнодопустимом уровне при повышенном КПД.Ограничение напряжения в схемах осуществляется фиксацией возрастающего напряжения на конденсаторе вентилями. В момент открывания вентилей ток дросселя переходит из конденсатора и замыкается в20 контуре (цепи) сброса: Контур образуетсяна момент сброса избыточной энергии и представляет собой параллельное соединениедросселя и трансформатора (через вентили),Поскольку вторичная обмотка через двухполупериодный выпрямитель подсоединенакисточнику питания, то в последний возвращается вся избыточная энергия и используеъся в последующей работе.В данном устройстве уровень ограничения напряжения на конденсаторе не зависитз 0 от коэффициента трансформации Ктр трансформатора, поэтому К, может быть выбрантаким, чтобы обеспечить наиболее высокийКПД процесса сброса избыточной энергии.В предлагаемом устройстве по сравнениюс известными устройствами уровень перенапряжений снижается на 20 - 60/О (в зависимости от тока нагрузки), а КПД составля-,ет 70 - 800/О. установлен вентиль 9, а вместо вентилей О и 14 - вентиль 10. Схема инвертора в этом случае более проста. В схеме (фиг. 2) у обмоток 7 и 8 имеется общая точка, поэтому вместо трансформатора возможно применение автотрансформатора, что, как известно, позволяет уменьшить габариты и массу этого элемента.На фиг. 3 показан еще один вариант схемы инвертора. В схеме дроссель выполнен однообмоточным и вынесен из цепи силовых тиристоров и нагрузки (в отличие от схем на фиг, 1 и 2).За исключением процесса сброса (воз-врата) избыточной энергии схема этого ва-, рианта работает аналогично известным. Первый управляющий импульс открывает тиристор 1. Напряжение источника питания +Е прикладывается к нагрузке 5, Второй уп,равляющий импульс открывает тиристор 15 и с помощью предварительно заряженного в предыдущем такте конденсатора 3 (полярность показана без скобок) запирает тиристор 1. Напряжение на конденсаторе переполюсовывается (полярность - в скобках), но вследствие потерь не достигает первоначального значения, равного 2 Ег, В момент открывания тиристора 2 третьим управляю щим импульсом. к нагрузке прикладывается напряжение - Е, а конденсатор 3 восполняет недостаток энергии по цепи 3 в . 7 - 4 - 2 - ( - Еп) - ( + Еп) - 3. При этом конденсатор 3 стремится зарядиться до более высокого напряжения, чем в предыдущем такте. Но при достижении напряжения на конденсаторе 1=2 Еоткрывается вентиль 10. Напряжение .1 фиксируется на этом уровне, а избыточная энергия. возвращается в источник питания с помощью цепи сброса. Цепь сброса образуют элементы 4 - 6 - О - 2 - 4.Четвертый управляющий импульс отпирает тиристор 16, напряжение конденсатора прикладывается к тиристору 2 и запирает его, Напряжение на конденсаторе переполюсовывается (полярность показана без скобок). С приходом следующего отпирающего импульса на тиристорпроцессы в схеме повторяются. формула изобретения В случае индуктивной нагрузки поступление энергии в конденсатор становится еще большим, напряжение на конденсаторе может достигать высоких значений. Однако включение первичной обмотки трансформатора указанным образом исключает увеличение. напряжения, а тем самым и перенапряжений на элементах устройства.По аналогии со схемой на фиг. 2 схема на фиг. 3 может быть упрощена. В схеме на фиг, 4 функции вентилей 9 и 3 (фиг. 3) выполняет вентиль 9, а функции вентилей 10 и 14 - вентиль 10. Так как обмотки 7 и 8 трансформатора имеют общую точку, то вместо трансформатора возможно применение автотрансформатора. Инвертор, содержащий подключеннуюко входным выводам преобразовательнуюячейку на тиристорах с последовательнымкоммутирующим 1 С-контуром, соединеннымс первичной обмоткой трансформатора сброса, подключенной ко входным выводам черезобратные вентили, причем вторичная обмотка указанного трансформатора соединена. со входными выводами через выпрямитель,отличающийся тем, что, с целью ограниче 50 ния перенапряжений и повышения КПД, первичная обмотка трансформатора сбросавключена между дросселем и конденсаторомпоследовательного 1.С-контура.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Справочник по преобразовательнойтехнике. Под ред. И. М. Чиженко, Киев,Техника, 1978.У2. Лабунцов В, А., Ривкин Г, А., Шевченко Г. И, Автономные тиристорные инеерторы М, - Л., Энергия, 1967,3. Бедфорд Б., Хофт Р, Теория автоном.ных инверторов. Перевод с англ., М., Энер- згия, 1969, рнс. 5 - 16, 5 - 9. 8777544. Забродин Ю. С. Узлы принудительнойконденсаторной коммутации тиристоров. МЭнергия, 1974.5. Заявка Японии51 - 42297,кл. Н 02 М 7/515, 1975,6 Заявка ФРГ Ж 1513736,кл. Н 02 М 7/505, 975.