Инвертор

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразовательной технике, а именно во вторичных источниках питания переменного тока. Сущность изобретения: инвертор содержит мост, в диаганаль переменного тока которого включены конденсатор и комплексная нагрузка, в два плеча моста включены тиристоры, а в два других - первый и второй дроссели насыщения. Последовательно с каждым дросселем насыщения включен трансформатор тока, вторичная обмотка которого соединена с соответствующим входом блока управления тиристорами. Система управления обеспечивает соответствие между степенью перемагничивания дросселей насыщения обратным током и моментом включения тиристоров. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике устройствам для преобразования постоянного напряжения в переменное, и может применяться во вторичных источниках питания переменного тока.

Известны инверторы, в качестве ключевых элементов использующие тиристоры [1] Тиристоры в инверторах подвергаются воздействию тепла от тока, протекающего по ним, и воздействию перенапряжений, возникающих при работе инвертора. Совместное воздействие тепла и перенапряжений приводит к пробою тиристоров, поэтому тиристоры надо охлаждать, что приводит к увеличению массы и габаритов инвертора и другим сложностям, если охлаждение принудительное, а ограничение тиристоров по напряжению ведет к применению различных схем их последовательного соединения, что также увеличивает массу, габариты, стоимость инвертора и усложняет силовую цепь.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является мостовой инвертор на четырех тиристорах, в котором два тиристора образуют анодную группу, а два тиристора катодную группу. В диагональ переменного тока включены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка, а в диагональ постоянного тока источник питания [2] Целью предлагаемого изобретения является увеличение надежности, расширение функциональных возможностей, упрощение силовой цепи.

Цель достигается тем, что в мостовом инверторе, содержащем два тиристора анодной группы и два тиристора катодной группы, блок управления тиристорами, конденсатор и нагрузку, тиристоры анодной группы заменены нелинейными индуктивностями первым и вторым дросселями насыщения, причем последовательно с каждым дросселем насыщения включен соответственно первый и второй датчики тока, выходы которых соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления тиристорами.

Дроссели насыщения можно изготовить высоковольтными, малогабаритными, с небольшим омическим сопротивлением, дешевыми, поэтому частичная замена тиристоров ведет к частичному улучшению таких качеств инвертора, как надежность и функциональная возможность.

Сущность изобретения состоит в том, что два тиристора мостового инвертора заменены дросселями насыщения и организован такой режим включения двух оставшихся тиристоров, при котором управляемо и частично подавлена способность дросселей насыщения переключать ток в обратном направлении, зато в полной мере используется способность работать в режиме "Включено выключено".

Известно, что нелинейные индуктивности дроссели насыщения можно применять в качестве переключающих дросселей, это свойство основано на нелинейности намагничивания сердечника дросселя (Меерович Л.А. и др. Магнитные генераторы импульсов. М. Советское радио, 1968, с. 7). Пока сердечник не насыщен, напряженность Н магнитного поля в нем не превышает некоторой величины Н_н, зависящей от свойств магнитного материала. В силу закона Ампера IN Hl ограничен и ток I, текущий по обмотке дросселя (N число витков; l длина сердечника). Магнитное состояние сердечника при этом определяется согласно закону Фарадея Φ (1/N)∫ E dt (1), где Φ магнитный поток через сердечник; Е напряжение, приложенное к обмотке дросселя. Так как Φ B S (2), где В индукция сердечника; S площадь поперечного сечения сердечника, то представим (1) в виде B (1/NS) ∫ Edt (3). Если напряжение Е постоянно, то (3) упрощается Δ B (E Δ t)/NS (4). Поскольку в ненасыщенном состоянии сердечника ток I по обмотке мал и возрастает линейно с течением времени, то так же малы и линейно возрастают магнитное поле Н и индукция В в сердечнике дросселя, т.е. индуктивное сопротивление дросселя очень велико в этот момент. В процессе насыщения сердечника соответствие В μ Н, где μ магнитная проницаемость материала, исчезает, магнитное поле Н может вырасти в тысячи раз, а индукция В всего на несколько десятков процентов, т.е. индуктивное сопротивление насыщенного дросселя очень мало, а ток велик. Промежуток времени Δ t от начала приложения напряжения Е к обмотке дросселя до появления состояния насыщения сердечника называют интервалом ожидания. Интервал ожидания можно определить из (4) Δ t Δ BNS/E (5), отсюда следует, что интервал ожидания обратно пропорционален приложенному к обмотке напряжению Е, это является наиболее важным для понимания работы предлагаемого инвертора.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема инвертора; на фиг.2 функциональная схема одной секции блока управления тиристорами, состоящего из двух одинаковых секций.

Инвертор содержит дроссели 1 и 2 насыщения, трансформаторы 3 и 4 тока в качестве датчиков тока, последовательно соединенные конденсатор 5 и нагрузку 6, тиристоры 7 и 8, блок 9 управления тиристорами.

Дроссель 1 насыщения через трансформатор 3 тока, а дроссель 2 насыщения через трансформатор 4 тока связаны первыми выводами с положительной шиной источника питания, а вторыми выводами дроссель 1 насыщения соединен с конденсатором 5, дроссель 2 насыщения с нагрузкой 6. Тиристоры 7 и 8 катодами соединены с отрицательной шиной источника питания, а анодами тиристор 7 соединен с общей точкой соединения конденсатора 5 и дросселя 1 насыщения, тиристор 8 с общей точкой соединения нагрузки 6 и дросселя 2 насыщения. При этом выход с трансформатора 3 тока соединен с первым входом блока 9, а выход с трансформатора 4 тока соединен с вторым входом блока 9 управления тиристорами 7 и 8.

Если инвертор подключен к источнику питания с напряжением Е_п, то запустить его можно двумя способами: подать внешний импульс на один из тиристоров, например на тиристор 8, либо предварительно зарядить конденсатор 5 и включить в цепь инвертора. Пусть конденсатор 5 заряжен предварительно от дополнительного источника питания до напряжения Е_сп с полярностью, указанной без скобок на фиг.1. Тогда, поскольку тиристоры 7 и 8 не включены, по внутренней цепи инвертора: конденсатор 5 дроссель 1 насыщения трансформатор 3 тока трансформатор 4 тока дроссель 2 насыщения нагрузка 6 конденсатор 5 идет ток, небольшой и линейно растущий. Этот ток для дросселя 1 насыщения является обратным, а для дросселя 2 насыщения прямым. Обратный ток определенной величины вызывает во вторичной обмотке трансформатора 3 тока напряжение, от которого срабатывает блок 9 и включает тиристор 7. После включения тиристора 7 на дроссель 1 насыщения действует прямое напряжение источника питания Е_п, а на дроссель 2 насыщения прямое напряжение Е Е_п + Е_сп, т.е. на дроссель 2 насыщения действует большее напряжение, чем на дроссель 1 насыщения. Поэтому согласно (5) сердечник дросселя 2 насыщения быстрее приходит в состояние насыщения, его индуктивное сопротивление резко падает, а ток через обмотку резко возрастает. Конденсатор 5 перезаряжается до напряжения Е_с ≈ Е_п + Е_сп с полярностью, указанной в скобках на фиг.1. Это напряжение является обратным для тиристора 7 и прямым для тиристора 8, поэтому оно запирает тиристор 7 после окончания перезарядки конденсатора 5. Так как опять оба тиристора заперты, по внутренней вышеуказанной цепи начинает течь очень небольшой ток, но в обратном направлении. Теперь ток, текущий по дросселю 2 насыщения, является обратным, а ток, текущий по дросселю 1 насыщения, прямым. Обратный ток определенной величины вызывает во вторичной обмотке трансформатора 4 тока напряжение, от которого срабатывает блок 9 и включает тиристор 8. После включения тиристора 8 к дросселю 2 насыщения прикладывается прямое напряжение Е_п источника питания, а к дросселю 1 насыщения прямое напряжение Е Е_с + Е_п >> Е_п, поэтому согласно (5) дроссель 1 насыщения значительно быстрее входит в насыщение, заряжает конденсатор 5 с полярностью напряжения, указанной без скобок на фиг.1. Поскольку напряжение является обратным для тиристора 8, то оно выключает последний после окончания зарядки конденсатора 5. Схема вернулась в исходное состояние, так как оба тиристора выключены, а полярность напряжения на конденсаторе 5 первоначальная. Если рабочее напряжение Е_ср на конденсаторе 5 значительно больше напряжения источника питания Е_п, т.е. Е_ср >> Е_п, то вхождение в рабочий режим происходит с увеличением частоты переменного тока за счет уменьшения интервала ожидания, согласно (5), этого можно избежать, если предварительно зарядить конденсатор 5 до рабочего напряжения, тогда рабочий режим начинается сразу. Так как индуктивность дросселей 1 и 2 насыщения одинакова, то по нагрузке 6 идет симметричный переменный ток.

На фиг.1 представлен последовательный мостовой инвертор, но все вышесказанное применимо к параллельному и последовательно-параллельному инверторам. Представленный инвертор самовозбуждающийся, система трансформаторы 3 и 4 тока, блок 9 управления тиристорами 7 и 8 обеспечивает соответствие между степенью перемагничивания дросселей 1 и 2 насыщения обратным током и моментом включения тиристоров.

Тиристоры 7 и 8 включаются поочередно блоком 9 управления, который состоит из двух одинаковых секций, причем каждая содержит входной переменный резистор 10, усилитель-ограничитель 11, формирователь 12 прямоугольных импульсов, устройство 13 дифференцирования и выбора импульсов, формирователь 14 прямоугольных коротких импульсов, формирователь 15 прямоугольных импульсов, конечный усилитель 16.

С вторичной обмотки трансформатора тока, например трансформатора 3 тока, импульс напряжения, соответствующий определенной величине обратного тока, поступает на входной переменный резистор 10, с которого сигнал поступает на вход усилителя-ограничителя 11, выполненного на операционном усилителе в варианте однополярного питания, положительный ограниченный сверху сигнал поступает на вход формирователя 12 прямоугольных отрицательных импульсов, выполненный на одной ячейке 2И-НЕ, затем сигнал дифференцируется в устройстве 13. В нем же производится выбор отрицательной части продифференцированного импульса, который поступает на вход формирователя 14 отрицательного короткого импульса, выполненного на двух ячейках 2И-НЕ, соединенных последовательно. С выхода формирователя 14 сигнал поступает на вход формирователя 15 прямоугольных положительных импульсов, выполненного в виде моновибратора на таймере типа КР1006ВИ1, выход моновибратора соединен с входом конечного усилителя 16 с трансформаторным выходом. Переменным резистором 10 задается начальная точка включения тиристоров 7 и 8 при запуске инвертора, т.е. задается такое начальное соответствие между величиной обратного тока, перемагничивающего дроссели насыщения в обратном направлении, и моментом включения тиристоров, что становится возможным инвертирование. Однажды заданное соответствие сохраняется при изменениях нагрузки и питающего напряжения. Имеется минимальная величина обратного тока I_{мин.обр.}, при котором инвертирование еще возможно. Точку включения тиристоров 7 и 8 можно передвигать от минимального значения обратного тока до амплитудной величины обратного тока, таким образом можно регулировать среднюю величину напряжения на нагрузке 6.

Формула изобретения

ИНВЕРТОР, содержащий первый и второй тиристоры, катодами соединенные с отрицательной шиной источника питания, блок управления тиристорами, последовательно соединенные конденсатор и нагрузку, причем к аноду первого тиристора подключен конденсатор, а к аноду второго тиристора нагрузка, отличающийся тем, что дополнительно введены нелинейные индуктивности первый и второй дроссели насыщения, первый и второй датчики тока, причем первый и второй дроссели насыщения первыми выводами через соответствующие им датчики тока связаны с положительной шиной источника питания, а вторыми выводами соединены: первый дроссель насыщения с общей точкой соединения конденсатора и анода первого тиристора, второй дроссель насыщения с общей точкой соединения нагрузки и анода второго тиристора, выходы датчиков тока соединены соответственно с первым и вторым входами блока управления тиристорами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2