Инвертор напряжения

 

Использование: в преобразовательной технике, а именно, во вторичных источниках питания переменного тока. Сущность изобретения: устройство содержит мост, в диагональ переменного тока которого включены конденсатор и комплексная нагрузка, в два синфазных плеча - дроссели насыщения, а в два других - тиристоры. Последовательно с дросселями насыщения включен трансформатор тока, вторичная обмотка которого введена в блок 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, может применяться во вторичных источниках питания переменного тока.

Известны инверторы, выполняющие указанные функции, 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, т.е. к ненадежной работе инвертора, поэтому тиристоры надо охлаждать, что приводит к увеличению массы и габаритов инвертора и к 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 близок по технической сути известный мостовой инвертор на четырех тиристорах, в котором первый и второй тиристоры образуют анодную группу, а третий и четвертый тиристоры катодную группу [2] в котором в диагональ переменного тока включены последовательно соединенные конденсатор и нагрузка, в диагональ постоянного тока источник питания, а последовательно с каждым тиристором соединен токоограничивающий линейный дроссель.

Целью изобретения является увеличение надежности, расширение функциональных возможностей, упрощение силовой цепи.

Цель достигается тем, что в известном инверторе, содержащем первый и второй тиристоры анодной группы, третий и четвертый тиристоры катодной группы, блок управления тиристорами, первый, второй, третий и четвертый линейные дроссели, последовательно соединенные с соответствующими тиристорами, конденсатор и нагрузку, первый и четвертый тиристоры с присоединенными к ним линейными дросселями заменены нелинейными индуктивностями дросселями насыщения, причем последовательно с одним из дросселей насыщения включен датчик тока, выход которого соединен с входом блока управления тиристорами.

Дроссель насыщения можно изготовить высоковольтным, малогабаритным, с небольшим омическим сопротивлением, дешевым, поэтому частичная замена тиристоров ведет к частичному улучшению таких качеств инвертора, как надежность и функциональная возможность, по крайней мере, так как тиристоров стало вдвое меньше, то и вероятность порчи тиристоров уменьшилась вдвое.

Изобретательский уровень данного технического решения состоит в том, что, во-первых, два тиристора мостового инвертора заменены дросселями насыщения, во-вторых, 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. 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, протекающий по обмотке дросселя (где N число витков; l длина сердечника). Магнитное состояние сердечника при этом определяется согласно закону Фарадея Ф (I/N) ∫ Edt (1), где Ф магнитный поток через сердечник; Е напряжение, приложенное к обмотке дросселя. Так как Ф BS (2), где В индукция сердечника; S площадь поперечного сечения сердечника, то (1) представим в виде В (I/NS) ∫ Edt (3), если напряжение Е постоянное, 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, другими словами, 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, другими словами, индуктивное сопротивление насыщенного дросселя очень мало, а ток (в соответствии с IN Hl) велик. Промежуток Δ t времени 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 дросселя насыщения напряжению Е, это является наиболее важным для понимания работы предложенного инвертора.

На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема инвертора; на фиг.2 функциональная схема блока управления тиристорами.

Инвертор содержит дроссели 1 и 2 насыщения, последовательно соединенные конденсатор 3 и нагрузку 4, тиристоры 5 и 6, линейные дроссели 7 и 8, трансформатор 9 тока в качестве датчика тока, блок 10 управления тиристорами.

Дроссель 1 насыщения соединен первым выводом с положительной шиной источника питания, а вторым выводом с конденсатором 3, дроссель 2 насыщения соединен первым выводом с нагрузкой 4 и катодом тиристора 5, связанного линейным дросселем 7 с положительной шиной источника питания, второй вывод дросселя 2 насыщения связан через трансформатор 9 тока с отрицательной шиной источника питания, тиристор 6 катодом соединен с отрицательной шиной источника питания, а анодом через линейный дроссель 8 связан с общей точкой соединения дросселя 1 насыщения и конденсатора 3, выход трансформатора 9 тока соединен с входом блока 10 управления тиристорами.

При включении инвертора в сеть постоянного тока с фильтровой емкостью, например пускателем (не показано) (запуск инвертора можно осуществить одиночными внешними импульсами, подаваемыми на управляющие электроды тиристоров) к дросселям 1 и 2 насыщения, конденсатору 3, нагрузке 4, трансформатору 9 тока прикладывают напряжение источника питания Е_п, что вызывает в указанной цепи небольшой, линейно растущий ток, приводящий через промежуток времени Δ t, равный интервалу ожидания, к прямому насыщению дросселей 1 и 2, индуктивное сопротивление которых резко падает, а ток в обмотках дросселей 1 и 2 насыщения резко возрастает. Конденсатор 3 при этом заряжается прямым током до напряжения Е_с ≈ 2Е_п с полярностью, указанной без скобок на фиг.1, затем ток уменьшается до нуля, дроссели 1 и 2 насыщения выходят из состояния насыщения с остаточной индукцией +В₀, их индуктивное сопротивление резко возрастает. К тиристорам 7 и 8 в этот момент приложено прямое напряжение. Так как напряжение на конденсаторе 3 больше напряжения источника питания Е_с > Е_п, то по вышеуказанной цепи пойдет обратный ток, перемагничивающий дроссели 1 и 2 насыщения в обратном направлении.

Обратный ток вызывает появление соответствующего напряжения на вторичной обмотке трансформатора 9 тока. При некоторой величине этого напряжения срабатывает блок 10 управления тиристорами 5 и 6 и включает их, конденсатор 3 и нагрузка 4 подключаются к источнику питания посредством тиристоров 5 и 6 и соединенных с ними дросселей 7 и 8, начинается перезарядка конденсатора 3 под воздействием суммарного напряжения Е Е_с + Е_п.

После перезарядки конденсатора 3 на нем появляется напряжение с полярностью, указанной в скобках на фиг.1, это напряжение обратное, и оно выключает тиристоры 5 и 6. После выключения тиристоров 5 и 6 к цепи из дросселей 1 и 2, конденсатора 3, нагрузки 4, трансформатора 9 тока будет приложено напряжение Е Е_с + Е_п, при этом будет происходить зарядка конденсатора 3 прямым током под воздействием суммарного напряжения. Если рабочее напряжение на конденсаторе 3 значительно больше напряжения источника питания, т.е. Е_ср >> Е_п, то вхождение в рабочий режим инвертора будет происходить при увеличивающейся частоте переменного тока за счет уменьшения интервала ожидания (см. формулу (5)). Этого можно избежать, если предварительно зарядить конденсатор 3 напряжением, равным рабочему, и включить его в цепь, тогда рабочий режим начинается сразу, при этом инвертор должен быть подключен к источнику питания. Суммарная индуктивность линейных дросселей 7 и 8 равна суммарной индуктивности дросселей 1 и 2 насыщения в насыщенном состоянии, поэтому по нагрузке 4 проходит симметричный переменный ток. На фиг.1 представлен мостовой последовательный инвертор, но все вышеизложенное применимо к параллельному и к последовательно-параллельному инверторам. Представленный инвертор самовозбуждающийся, система трансформатор 9 тока и блок 10 управления тиристорами 5 и 6 обеспечивает соответствие между степенью перемагничивания дросселей 1 и 2 насыщения обратным током и моментом включения тиристоров 5 и 6. Когда включаются тиристоры 5 и 6, к дросселям 1 и 2 насыщения прикладывается напряжение Е Есо ˙ cos ω t E_п, где Есо амплитуда рабочего напряжения на конденсаторе 3; ω частота собственных колебаний контура конденсатор 3 дроссели 7 и 8 индуктивность нагрузки и соединительных проводов, при этом cos ω t меняется от +1 до -1, т.е. за время включенного состояния тиристоров 5 и 6 напряжение на дросселях насыщения меняется от обратного напряжения Е Е_со Е_п до прямого напряжения Е Е_со + Е_п, причем прямое напряжение за время включенного состояния тиристоров 5 и 6 действует на дроссели 1 и 2 насыщения вторую половину времени включения тиристоров, когда на конденсаторе 3 напряжение меняется на обратное (полярность указана в скобках) и по отношению к тиристорам 5 и 6 становится запирающим. В этом случае успевает произойти перезарядка конденсатора 3, но не успевает произойти прямое насыщение дросселей 1 и 2, в результате тиристоры 5 и 6 закрываются и схема приходит в исходное состояние.

Тиристоры 5 и 6 включаются одновременно блоком 10 управления, который содержит входной переменный резистор 11, усилитель-ограничитель 12, формирователь 13 прямоугольных импульсов, устройство 14 дифференцирования и выбора импульсов, формирователь 15 прямоугольных коротких импульсов, формирователь 16 прямоугольных импульсов, конечный усилитель 17.

С вторичной обмотки трансформатора 9 тока импульс напряжения, соответствующий определенной величине обратного тока, поступает на входной переменный резистор 11, с выхода которого сигнал поступает на вход усилителя-ограничителя 12, выполненного на операционном усилителе в варианте однополярного питания, положительный, ограниченный сверху сигнал поступает на вход формирователя 13 прямоугольных отрицательных импульсов, выполненный на одной ячейке 2И-НЕ, затем сигнал дифференцируется в устройстве 14, в нем же производится выбор отрицательной части продифференцированного импульса, который поступает на вход формирователя 15 отрицательного короткого импульса, выполненного на двух ячейках 2И-НЕ, соединенных последовательно, с выхода формирователя 15 сигнал поступает на вход формирователя 16 прямоугольных положительных импульсов, выполненного в виде моновибратора на таймере (типа КР1006ВИ1), выход моновибратора соединен с входом конечного усилителя 17 с трансформаторным выходом. Переменным резистором 11 задается начальная точка включения тиристоров 5 и 6 при запуске инвертора, т.е. задается такое начальное соответствие между величиной обратного тока, перемагничивающего дроссели 1 и 2 насыщения в обратном направлении, и моментом включения тиристоров, что становится возможным инвертирование. Однажды заданное соответствие сохраняется при изменениях нагрузки и питающего напряжения при работе инвертора. Имеется определенная минимальная величина обратного тока I_{мин.обр.}, при которой инвертирование еще возможно, точку включения тиристоров 5 и 6 можно передвигать от минимального значения обратного тока до его амплитудной величины, при этом меняются частота инвертирования и среднее напряжение на нагрузке.

Формула изобретения

ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ, содержащий первый и второй тиристоры, первый и второй линейные дроссели, последовательно соединенные конденсатор и нагрузку, блок управления тиристорами, причем первый тиристор связан анодом через первый линейный дроссель с положительной шиной источника питания, а катодом соединен с нагрузкой, второй тиристор соединен катодом с отрицательной шиной источника питания, а анодом связан через второй линейный дроссель с конденсатором, отличающийся тем, что дополнительно введены первый и второй дроссели насыщения и датчик тока, причем первый дроссель насыщения одним выводом соединен с положительной шиной источника питания, а другим выводом с общей точкой соединения конденсатора и второго линейного дросселя, второй дроссель насыщения соединен одним выводом с нагрузкой и катодом первого тиристора, а другим выводом связан через датчик тока с отрицательной шиной источника питания, причем выход датчика тока соединен с входом блока управления тиристорами.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2