Автономный инвертор напряжения

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК в 1 1 4 Н 02 М 7/5 с с и,юкдЕ ИЗОБРЕТ ОП зводственноователь" 966. за 2,ние,ичч ную эн 1 табл ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ ССС ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫ А ВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВ(54) АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ(57) Изобретение относится к преобразовательной технике и м,б. использовано в различного вида преобразователях параметров электрическойэнергии для питания нагрузок средней и большой мощности, Целью изобретения является повышение энергетических показателей. Устр-во содержитмост основных ключевых элементов 2,3, 7, 8 с выходным тр-ром 5 и тр-рами возврата 19, 20. Основные 31-34и дополнительные 35-38 коммутирующиеконденсаторы подключены к источникуподзаряда через разделительные диоды39, 40Мост подключен к входным выводам через разделительный диод 45,а к разделительным диодам 39,40через ключи 41-44, Продолжительностьразряда коммутирующих конденсаторов,например, 31,35 определяет времяприложения обратного напряжения к выключенному ключевому элементОдновременно при этом происходиряд коммутирующих конденсаторо36. Ток заряда конденсатора 36текая через первичную обмоткутр-ра 19, создает на ней напрякоторое, трансформируясь во втную обмотку 21, возвращает избергию в источник, 4 ил.,Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым полупроводниковым преобразователям постоянного напряжения в переменное, выполненным на однооперационных тиристорах, и может быть использовано вкачестве выходного или промежуточного звена в различного вида преобразователях параметров электрическойэнергии для питания нагрузок среднейи большой мощности.елью изобретения является повышение энергетических показателей,На фиг, 1 представлена схема мостового инвертора; на фиг2 - кривые токов 1 и напряжений на соответствующих элементах схемы для случаяо = 60 и= 60 ; на фиг, 3 - схемамногофаэного многоячейкового инвертора; на фиг, 4 - полумостовой вариант схемы инвертора.Устройство содержит мост 1 с основными ключевыми элементами 2 и 3,образующими пару с включенными междуними коммутирующими дросселем 4 сполуобмотками 5 и 6 и основными ключевыми элементами 7 и 8, образующимивторую пару, с включенныммежду ними коммутирующим дросселем 9 с полуобмотками 10 и 11,Между средними точками дросселей4 и 9 подключена первичная обмотка12 выходного трансформатора 13, вторичная обмотка 14 которого подключена к активно-индуктивной нагрузке 15и 16,К средним точкам коммутирующихдросселей 4 и 9 подключены соответственно начала первичных обмоток 17и 18 трансформаторов 19 или 20 возврата с вторичными обмотками 21 и22, а концы первичных обмоток 17 и18 соединены с общими точками обрат.ных вентилей 23, 24 и 25, 26, Концывторичных обмоток 21 и 22 соединеныс общими точками вентилей 27, 28 и29, 30 соответственноРазветвленные коммутирующие контуры образуются соответственно основными группами коммутирующих конденсаторов 31-34, подключенными первыми обкладками к средним точкамкоммутирующих дросселей 4 и 9, и дополнительными группами коммутирующихконденсаторов 35-38, подключеннымипервыми обкладками к концам первичных обмоток 17 и 18 трансформаторов19 и 20 возврата. Вторые обкладки40 45 50 55 питания и отделяющего точку соединения катода четвертого ключа 43,анода второго ключа 44 и анодов основных ключевых элементов 2 и 7 отвходного вывода положительного полюса (+Е) основного источника питания и подключенных к нему катодовобратных вентилей 23, 25, 27, 29,46, 47.Аноды обратных вентилей 24, 26,28, 30, 48, 49 соединены с отрицательным полюсом (-Е) основного источника питания,Начала вторичных обмоток 21 и 22трансформаторов 19 и 20 возвратасоответственно соединены с общимиточками соединения обратных вентилей 46, 48 и 47, 49, Причемобратные вентили 27, 28, 46, 48 и 29, 30,47, 49 образуют обратные выпрямители, которые катодами обратных вен.тилей 27, 46 и 29, 47 подключены кположительной шине (+Е) основного 5 О 5 20 25 3035 основных 31, 33 и дополнительных 35, 37 коммутирующих конденсаторов соединены с катодом первого разделительного диода 39, включенного в проводящем напряжении в положительную шину (+Ус ) источника заряда конденсаторов, а вторые обкладки основных 32, 34 и дополнительных 36, 38 коммутирующих конденсаторов соединены с анодом второго разделительного диода 40, включенного в проводящем направлении в отрицательиую шину (-с) источника заряда конденсатора.Анод второго разделительного диода 40 и вторые обкладки групп 32, 34, 36, 38 коммутирующих конденсаторов катодной части моста соединены с катодом третьего ключа 41 и анодом первого ключа 42, а анод третьего ключа 41 и катод первого ключа 42 подключены к отрицательному полюсу (-Е) основного источника питания.Катод первого разделительного диода 39 и вторые обкладки коммутирующих конденсаторов 31, 33, 35, 37 анодной части моста 1 соединены с анодом четвертого ключа 43 икатодом второго ключа 44, а катод четвертого ключа 43 и анод второго ключа 44 соединены в общую точку с основными ключевыми элементами 2 и 7 анодной части моста 1 и катодом третьего разделительного диода 45, включенного в проводящем направлении в поло жительный полюс основного источника1312708 20 источника питания и аноду третьегодиода 45, а анодами обратных вентилей 28, 48 и 30, 49 - к отрицательной шине (-Е) основного источникапитания, 5Устройство работает следующим об"разом,Коммутация пар ключевых элементов2 и 3, 7 и 8 может происходить либопри положительном, либо при отрицательном значении тока нагрузки, Есели выполняется условие у + - с О,то коммутация вентильной пары 2 и 3имеет место при положительном значении тока нагрузки 1(о) ) О, еслиа(У + - ) О, то при отрицательном,где у - угол сдвига между напряженкием и током нагрузки в эл, град. (при индуктивной нагрузке - отстающий, фиг, 2, при емкостной - опережающий), с - угол регулирования инвертора значения в эл, град; 1(о) значение тока нагрузки для нулевого момента времени, Пара 7 и 8 коммутирует при отрицательном значении то-ка нагрузки, если )с 30При индуктивной нагрузке н 7 0 ипри любом угле регулирования а 1 пара2 и 3 коммутирует при отрицательномзначении тока нагрузки, для которыхусловия коммутации получаются болеетяжелыми. Поэтому рассмотрим процессы коммутации для случая, когда1(о) С О, полагая, что эа время коммутации ток нагрузки не успеваетзаметно измениться и остается равным1(о),Рассмотрим процесс коммутации сключевого элемента 3 на ключевойэлемент 2. Этапы коммутации.В исходном состоянии схемы ток на грузки 1 протекает по цепи (+Е)-45-7-10-12-6-3-(-Е). Ключевые элементы 2 и 8 закрыты, Основные и дополнительные группы 32, 36 и 33, 37коммутирующих конденсаторов разряжены (они шунтированы открытыми ключевыми элементами 3 и 7), напряжениена них равно нулю, следовательно,напряжение на основных и дополнительных группах заряда Б , которые сост"ветственно зарядились по цепям (полярность показана беэ скобок), равно(+11 с)-39-43-7-10- 18-38-40 (-П )еПервый 42 и второй 44, третий 41и четвертый 43 ключи закрыты, Обратное напряжение на обратных вентилях23, 26 и прямое напряжение на ключевых элементах 2 и 8 равно напряжению(Е) основного источника питания,В момент времени Т=О импульсамиуправления включаются ключевой элемент 2 и первый 42 и четвертый 43ключи, Напряжение на полуобмотке 5(Б ) коммутирующего дросселя 4 становится равным Б=Е (при Е ) Пс).Если считать коэффициент связи между полуобмотками 5 и 6 коммутирующего дросселя 4 равным единице, тотакое же напряжение по величине ин"дуктируется и на полуобмотке 6 сполярностью, указанной на фиг. 1.Поскольку напряжение на основном 32и дополнительном 36 коммутирующихконденсаторах в первый момент послевключения ключевого элемента 2 остается равным нулю, полуобмотка 6закорачивается через основной коммутирующий конденсатор 32 и параллельно через первичную обмотку 17трансформатора 19 возврата, дополнительный коммутирующий конденсатор36, первый ключ 42 и ключевой элемент 3. Ток короткого замыканияв. контуре элементов (+6)-32-42-.3"(-6)нарастает быстро, так как он ограничен только индуктивностью рассеяниякоммутирующего дросселя 4, Ток 1,в:в контуре (+6)-17-36-42-3-(-6)нарастает медленнее, так как он ограничен индуктивностью рассеяниякоммутирующего дросселя 4 и индуктивностью первичной обмотки 17 трансформатора 19 возврата,Ток 1 меньше по амплитуде тока 1и изменяется с круговой частотой в два-три раза меньшей, чемток 1 , Ток 1;, протекая через первичную обмотку 17 трансформатора 19возврата, создает на ней напряжение,которое, трансформируясь Во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по цепи (-Е)-48-21-27-(+Е) или по цепи (-Е)-28-21-46-(+Е)при изменении направления токав конденсатор 50 фильтра постоянного тока основного источника питанияи на заряд основных и дополнительных групп коммутирующих конденсаторов через ключи 44 и 42, 1312708Токи 1 и 1 , накладываясь наток нагрузки ключевого элемента 3и являясь противоположными по направлению, уменьшают ток нагрузки донуля, включая ключевой элемент Э и 5первый ключ 42. Ток через ключенойэлемент 2 увеличивается от нуля донеличины - 1 я(о),Таким образом, ток с ключевогоэлемента 3 переходит на ключевойЮэлемент 2. Поскольку 1=1 З и1 ,следовательно, в момент нремение 0 суммарные токи 1 з, и и 1 з, 1 Мкоммутирующих конденсаторов скачкообразно возрастают до значения, равного -1 я(0).Время первого этапа, связанного свыключением ключевого элемента 3,мало, поэтому можно считать переходтока с ключевого элемента 3 на ключевой элемент 2 мгновенным,После выключения ключевого элемента 3 и первого ключа 42 начинаетсявторой этап коммутации, который характеризуется разрядом коммутирующихконденсаторов 31 и 35 через полуобмотки 5 коммутирующего дросселя 4 поцепям 31-43-2-5-31; 35-43-2-5-17-35.Ток разряда 1, протекая по последней цепи через первичную обмотку17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напряжение, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21,возвращает избыточную энергию по цепи (-Е)-48-21-27-(+Е) при указанном 35на фиг, 1 стрелкой токе 1 з и поцепи (-Е)- -28-21-46-(+Е) при противоположном направлении токав конденсатор 50 фильтраПродолжительность разряда коммутирующих конденсаторов 31 и 35 определяет времяприложения обратного напряжения квыключенному ключевому элементу 3Одновременно происходит заряд коммутирующих конденсаторов 32, 36 по цепям (+Б )-39-43-2-5-32-40-(-Ус) и(+Б )-39-43-2-5-17-36-40-(-Бс).Ток заряда 1 з протекая через первичную обмотку 17 трансформатора 19возврата, создает в ней напряжение,которое, трансформируясь но вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по описанным цепям, Второй этап заканчивается, когда напряжение коммутирующих конденсаторов31, 35 становится равным нулю и стремится поменять полярность, Однакоцепи перезаряда коммутирующих конденсаторов 31, 35 нет, так как заперт четвертый ключ 43Токи в кон"денсаторах 31 и 35 отсутствуют, поскольку они разряжены до нуля, а токи коммутирующих конденсаторов 32 и36 отсутствуют, поскольку они заряжены до напряжения 11Таким образом, в начале третьегоэтапа ток ключевого элемента 2 и токнагрузки я переходят на обратныйвентиль 23 по контуру 5"7-23-45-2-5.Этот этап можно считать этапом "разряда" полуобмотки 5 коммутирующегодросселя 4 по указанной цепи. Приэтом разрядный ток дросселя 4, замыкаясь через первичную обмотку 17трансформатора 19 возврата, создаетна ней напряжение аУ, которое, трансформируясь но вторичную обмотку 21,возвращает основную часть избыточнойэнергии по цепи (-Е)-48-21-27-(+Е)в основной источник питания,Введение в контур разряда дополнительного напряжения д Б первичнойобмотки 17 трансформатора 19 существенно уменьшает время й разрядакоммутирующего дросселя 4,На этом процесс коммутации тока сключевого элемента 3 на ключевойэлемент 2 заканчивается и схема готова к коммутации тока с ключевогоэлемента 7 на ключевой элемент 8 через нременный сдвиг определяемыйуглом а(эл. град.) регулированияинвертора,1 Т мОкС Е 4су 1где 1- амплитудное значениетока ключевого элемента 2 н конце второгоэтапа;Е - индуктивность полуобмотки 5 дросселя 4;дБ - дополнительное напряжение первичной обмот-,ки 7 трансформатора9, вводимое в контурдля ускорения разряда,Если и течение интервала времени разряда дросселя 4 ток нагрузки не изменит знак, то н конце этого интервала ключевой элемент 2 отключается и ток нагрузки переходит на диод 23В этом случае для обеспечения нормальной работы схемы управляющий импульс, подаваемый на ключевой эле1312708 10 20 Ро "о 1 25 Энергия мутирующем коммутации равна 1ЮГ 2 С С,Частота пере- ключений ВключеВключение ключевых элементов ЭлементН ние ключей ЯН эл, угол, эл. град тока напряжения 42 44 180 180+с 42 мент 2 (также и 3), должен быть достаточно длительным по времени, чтобы ключевой элемент 2 находился в проводящем состоянии к моменту изменения полярности тока нагрузки. Если в течение интервала времени разряда дросселя 4 ток нагрузки изменяет знак и возрастает в сторону положительных значений, то ключевой элемент 2 проводит ток непрерывно.Время с должно быть меньше полоРвины периода выходного напряжения инвертора. По заданному времени с можно определить необходимое напряжение ЛО и рассчитать коэффициент трансформации трансформаторов 19 и 20 возврата,Максимальное значение тока 1 м с в ключевом элементе 2 равно амплитуде суммарного разряда тока 1 с.мас конденсатора 1 т,дкс 1 с.максамплитудное значение суммарного разрядного тока основной и дополнительной групп коммутирующих конденсаторов 13 с Бс в 1 пы с+вдпы т, макс о л о в Го уогде У - напряжение разряда коммутирующих конденсаторов 31и 35;Оо - круговая частота собственных колебаний контура включающего основного конденсатора 31,М - круговая частота собственныхоколебаний контура включающегодополнительного конденсатора35 1(д) М ю.о У2 5 1 т) 6 (при этом ы / о)о 7 2 - 3);- индуктивность полуобмот"5ки 5 коммутирующего дрос"селя 4;- индуктивность первичнойобмотки 17 трансформаторь19 возврата;С, " емкость коммутирующегоконденсатора 31;С - емкость коммутирующегокондснсатора 35;напряжение источника подзаряда коммутирующих конден аторов;волновое сопротивлениеокоммутирующим конденсатором 31,о - волновое сопротивление контура с дополнительным коммутирующим конденсатором35,Ро о о .+М фМ 1 , записываемая в комдросселе 4 в процессе(без учета потерь),2 235 и Л 1% "1 Л+Й 1 Частота переключений пар ключевых элементов 2 и 3, 7 и 8 задается40 частотой управляющих импульсов системы управления,Алгоритм и частота переключенийключевых элементов и диодов приведены в таблице,10 1312708 П родолжение таблицы Частота переключенийЭле- мент Включение ключе- Включение ключейИ вых элементов М эл. угол,эл. градтока напря- жения 44 13 16 46,47 48,49 Л р и м е ч а н и е: Е - частота напряжения напервичной обмотке 12 трансформатора 13 нагрузки. 19, 2023-3031-3839, 4041, 4342, 44 Коммутация с ключевого элемента 7 на ключевой элемент 8 происходит аналогично описанному процессу,Однофазный мостовой инвертор напряжения (фиг, 1) выполнен с широтным регулированием выходного напряжения, При этом система регулирования инвертором допускает временной сдвиг на электрический угол Ы моментов отпирания ключевых элементов 7 и 8 относительно моментов отпирания ключевых элементов 3 и 2, причем моменты отпирания ключевых элементов 2 и 3, 7 и 8 всегда сдвинуты на угол Т, При с=О ключевые элементы 2 и 8, а также 3 и 7 отпираются одновременно и на выходе трансформатора 13 нагрузки формируется напряжение прямоугольной формы, а в многофаэных многоячейковых инверторах напряжения(фиг, 3), состоящих из однофаэныхмостов (фиг, 1), формируется напряжение многоступенчатой (квазисинусо"идальной) формы,Пусть фаза интервалов проводимос ти ключевых элементов 8 и 7 изменяется относительно фазы интерваловпроводимости тиристоров 2 и 3 в сторону отставания на эл, угол, Нафиг. 2 представлены кривые токов инапряжений на элементах схемы дляслучая с = 60 и у = 60 . В те интервалы времени, когда одновременно включены ключевые элементы, подсоединенные к одному полюсу основного источника питания (2 и 7, 3 и 8)напряжение на первичной обмотке 12трансформатора 13 нагрузки равно ну"лю, поскольку соответствующие пары2, 7 или 3, 8 закорачивают первичную13 2 708 12ми, попарно последовательно соединенными конденсаторами, включенными между катодом первого разделительного диода, соединенного анодом с положительной шиной источника подзаряда и анодом второго разделительного ди" ода, соединенного катодом с отрицательной шиной источника подзаряда,а общая точка каждой пары дополни" .тельных конденсаторов подключена кконцу соответствующей первой или второй трансформаторной обмотки возврата, в качестве которых использованы первичные обмотки двух введенных трансформаторов возврата, причемв качестве третьей обмотки использована вторичная обмотка одного из введенных трансформаторов возврата, вторичная обмотка другого из которых подключена к входным выводам через вентили введенного дополнительногообратного выпрямителя, а положительный входной вывод соединен с аноднойгруппой основных ключевых элементов моста через третий разделительный диод, включенный в прямом направлении, соединенный катодом через двавстречно параллельно включенных указанных ключа с катодом первого разделительного диода, а катодная группа моста через два других встречно параллельно включенных ключа соединена с анодом второго разделительного диода, причем 0 15 20 25и зо бре тени я Формула 2-3,обмотку 12 трансформатора 13 нагрузки, В кривой выходного напряжения по- появляются нулевые участки длительностью 3 Кривая выходного напряжения Е (фиг. 2) в этом случае может быть представлена как сумма двух кривых такой же формы, как и при Ы О, но сдвинутых по времени на эл. угол д и уменьшенных вдвое по амплитуде, Изменяя угол е от нуля до 3, принципиально можно регулировать выходное напряжение от максимального значения, определяемого величиной Е, до нуля.Иногда с целью сохранения неиэ" менной фазы выходного напряжения ключевые элементы 2 и 3 открывают раньше некоторого опорного момен" та времени на эл. угол в , а ключевые элементы 8 и 7 открывают позже некоторого опорного момента времени также на эл, угол - . Автономный инвертор напряжения, содержащий однофазный мост, катодная группа основных ключевых элементов которого подключена к отрицательному30 входному выводу, и параллельные разветвленные коммутирующие ЬС-контуры с включенными между парами основных ключевых элементов моста коммутиру" ющнми дросселями, к средним точкам которых подключены первичная обмотка трансформатора нагрузки и начала первой и второй трансформаторных обмоток возврата, соединенных концами через обратные вентили с поло 40 жительными и отрицательными входными выводами, а третья трансформаторная обмотка возврата подключена к входным выводам через вентили обратноговыпрямителя, а также основные коммутирующие конденсаторы, соединенныепопарно последовательно и подключенные общими точками к соответствующимобщим точкам соединения средней точки соответствующих коммутирующегодросселя и начала трансформаторнойобмотки возврата, о т л и ч а ю -щ и й с я тем, что, с целью повышения энергетических показателей, онснабжен тремя разделительными диодами, четырьмя ключами, источникомподзаряда и четырьмя дополнительныи - собственная круговая час тота ( в -) коммутирующег Рд Сконтура, образованного емкостью С дополнительных коммутирующих конденсаторов, индуктивностью Ь пер вичной обмотки трансформатора возврата и индуктивностью Ь полуобмотки коммутирующего дросселя;- собственная круговая часрадтота ( ) коммутирующегоСконтура, образованного емкостью С основных коммутирующих конденсаторов и индуктивностью Ь полуобмотки коммутирующего дросселя.1312708 Составитель И. Жеребинадактор А. ШандорТехред Л.Сердюкова Корректор Г. Репе Пота СССР Зак крытийнаб д роектная, 4 роиэводственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород 78/54ВНИИПИ Гпо дел3035, Мо аж 661ного комитений иРаушска Тир сударстве ам изобр ква, Ж