Преобразователь электрической энергии

 

Использование: изобретение относится преимущественно к области сельскохозяйственного производства и может найти применение при хранении кормов и сельскохозяйственной продукции, а также для питания источников света и нагревателей, в аппаратах электродуговой сварки и других установках на основе многотактных преобразователей. Сущность изобретения: при внесении в контур с резонансной нагрузкой обрабатываемого объекта происходит его рассогласование, а КПД преобразователя существенно уменьшается. Однако автоматическая подстройка генерируемой частоты позволяет вести работу в оптимальном диапазоне. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение может найти применение в сельскохозяйственных работах при хранении кормов и сельскохозяйственной продукции, при обработке почвы, в парниковом хозяйстве, при обработке сельскохозяйственных орудий. Кроме того, возможно применение устройства в аппаратах высокочастотного нагрева, в высокочастотных преобразователях для питания источников света, в аппаратах электродуговой сварки и других установках с высокочастотным преобразованием энергии постоянного напряжения на основе двухтактных и многотактных преобразователей.

Известен преобразователь электрической энергии, содержащий резонансный инвертор, выполненный на статических индукционных транзисторах, резонансную нагрузку, формирователи импульсов управления [1] Недостаток известного устройства заключается в значительном снижении КПД и надежности устройства при изменении параметров нагрузки, связанном как с изменением степени насыщения индукционных транзисторов, так и с рассогласованием контура и задающего генератора.

Важнейшим достоинством устройства является жесткая зависимость его работы от электрического состояния силовых транзисторов и параметров нагрузки: формирование отпирающего импульса силового транзистора обеспечивается только при надежном выключении парафазного ключа и резонансе в нагрузке одновременно. Как следствие, преобразователь и транзисторы формирователя импульсов управления защищены от сбоев при коммутации и от возникающего при этом короткого замыкания в цепи источника силового питания. Высокая точность слежения за резонансом обеспечивает максимальный КПД передачи энергии в нагрузку. Обеспечивается также защита от короткого замыкания в цепи затвор-исток силовых транзисторов.

Упрощается система управления и улучшаются массогабаритные и энергетические показатели преобразователя, т.к. преобразователь отслеживает изменения режима комплексно: с помощью оптической обратной связи и с помощью автоподстройки частоты.

Повышается надежность вследствие роста помехоустойчивости преобразователя, т. к. момент включения парафазного силового транзистора определяется моментом срабатывания оптопары. До этого момента напряжение на запертом силовом транзисторе изменяется относительно медленно. В итоге снижается влияние эффекта Миллера и повышается помехоустойчивость преобразователя. Совместное действие оптической обратной связи и автоподстройки резонанса позволяет привязать все коммутации к нулю силового тока, что также повышает надежность преобразователя.

Существенным недостатком известного устройства является резкое изменение степени насыщения и глубины запирания силовых транзисторов. Введение дополнительной обратной связи по высокой частоте в дополнительном варианте преобразователя позволяет изменять отпирающий и запирающий токи силовых транзисторов пропорционально выходному току, что обеспечивает надежную работу преобразователя при пульсирующем силовом напряжении.

На чертеже представлена структурная схема преобразователя электрической энергии. Преобразователь содержит двухтактный резонансный инвертор 1 в виде статических индукционных транзисторов 2, 3, связанных с резонансной нагрузкой 4, формирователи импульсов управления 5, 6, блок согласования с нагрузкой 7, излучатель 8 оптопары 9, включенные последовательно резистором 10 подключен параллельно входу статического индукционного транзистора 2, излучатель 11 оптопары 12 включен последовательно с резистором 13 и они подключены параллельно входу статического индукционного транзистора 3, выходы оптопар 9, 12 соединены с первыми входами блоков совпадения 14, 15 соответственно, вход блока автоматической подстройки частоты 16 соединены с выходом блока согласования 7, а его парафазный выход связан с излучателями 17, 18 оптопар 20, 21, выход оптопары 20 соединены со вторым входом блока совпадения 15 выход оптопары 21 связан со вторым входом блока совпадения 14, выходы блоков совпадения 14, 15 соединены с входами формирователей импульсов управления 6, 5 соответственно.

В варианте преобразователя по п. 2 анод отсекающего диода 23 и катод отсекающего диода 24 соединены с выходом блока согласования 7, катод отсекающего 23 включен последовательно с резистором 25 и они соединены с стоком полевого транзистора 26 и с первой обкладкой форсирующего конденсатора 27, вторая обкладка этого конденсатора соединена с истоком статического индукционного транзистора 2, анод отсекающего диода 24 включен последовательно с резистором 28 и они соединены со стоком полевого транзистора 29 и с первой обкладкой форсирующего конденсатора 30, вторая обкладка соединена с истоком статического индукционного транзистора 2, катод отсекающего диода 31 соединен со стоком полевого транзистора 26, анод этого диода соединен с положительным полюсом источника напряжения 32, анод отсекающего диода 33 соединен со стоком полевого транзистора 29, катод этого диода с отрицательным полюсом источника напряжения 34.

Преобразователь электрической энергии работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии оба силовых транзистора 2, 3 инвертора 1 заперты и на затворы этих транзисторов подается отрицательное напряжение. При подаче силового питающего напряжения блок автоматической подстройки частоты 16 формирует импульс управления, который с положительного парафазного выхода поступает через резистор 19 на излучатель 17 оптопары 20 и далее с выхода оптопары 20 на вход блока совпадения 15. На обоих входах блока совпадения 15 оказывается логическая единица, на вход формирователя импульсов управления 5 поступает отпирающий импульс и силовой транзистор 2 включается. Высокочастотный сигнал с нагрузкой через блок согласования 7 вновь поступает на вход блока 16 и далее через резистор 22 и излучатель 18 оптопары 21 на вход блока совпадения 14. Однако вследствие действия оптической обратной связи через оптопару 9 с излучателем 8 и резистором 10 отпирающий импульс на силовой транзистор 3 подается только после появления между затвором и истоком транзистора 2 отрицательного отсекающего напряжения. Тогда на оба входа блока совпадения 14 поступит логическая единица, на входе формирователя импульсов управления 6 появляется отпирающий сигнал и включается силовой транзистор 3. Далее процессы повторяются, причем алгоритм коммутации преобразователя обеспечивает настройку в резонанс с абсолютной погрешностью меньшей времени рассасывания статических индукционных транзисторов 2, 3.

При питании изменяющимся в широких пределах постоянным напряжением или при пульсирующем питающем напряжении принцип действия преобразователя по п. 2 состоит в следующем. Запуск преобразователя обеспечивается аналогично запуску при питании стабильным силовым напряжением. Пусть режим работы преобразователя установился и оптическая обратная связь совместно с блоком автоматической подстройки частоты обеспечили резонанс в нагрузке. Тогда при отпирании полевого транзистора 26 в затвор силового транзистора 2 задается положительный ток от источника напряжения 32 через отсекающий диод 31, форсирующий конденсатор 27 разряжается через входную цепь силового транзистора 2, обеспечивая его быстрое включение при малых значениях силового напряжения. Через резистор 25 и отсекающий диод 23 от блока согласования 7 на вход силового транзистора 2 подается высокочастотный сигнал, промодулированный силовым напряжением. Отсекающий диод 31 запирается и в затвор силового транзистора задается ток, пропорциональный выходному току. При переключении выхода блока совпадения 15 из единичного состояния в нулевое полевой транзистор 26 запирается, а полевой транзистор 29 отпирается, в затвор силового транзистора 2 задается запирающий ток от источника напряжения 34 через отсекающий диод и за счет разряда форсирующего конденсатора 30. При достаточно больших значениях силового напряжения отсекающий диод 33 закрывается и запирающий ток, пропорциональный выходному току поступает от блока согласования 7 через отсекающий диод 23 и резистор 28. При переключении силового транзистора 3 происходят аналогичные процессы. В результате снижаются потери в полевых транзисторах 26, 29 и в силовых транзисторах преобразователя и увеличивается КПД преобразователя. Растет также КПД нагрева вследствие повышения точности согласования нагрузки и преобразователя. Увеличивается надежность преобразователя вследствие исчезновения сквозных токов и обеспечения коммутаций в нуле тока или напряжения.

Формула изобретения

1. Преобразователь электрической энергии, содержащий резонансный инвертор в виде первого и второго статических индукционных транзисторов, связанных с резонансной нагрузкой, а входами с выходами формирователей импульсов управления, блок согласования с нагрузкой, отличающийся тем, что он снабжен четырьмя оптопарами с токоограничивающими резисторами, двумя блоками совпадения, блоком автоматической подстройки частоты с парафазным выходом, причем излучатель первой оптопары включен последовательно с первым резистором, и они подключены параллельно входу первого статического индукционного транзистора, излучатель второй оптопары включен последовательно с вторым резистором и они подключены параллельно входу второго статического индукционного транзистора, выходы первой и второй оптопар соединены с первыми входами второго и первого блоков совпадения соответственно, вход блока автоматической подстройки частоты соединен с выходом блока согласования с нагрузкой, а его парафазный выход связан с излучателями третьей и четвертой оптопар, выход третьей оптопары соединен с вторым входом первого блока совпадения, выход четвертой оптопары связан с вторым входом второго блока совпадения, выходы первого и второго блоков совпадения соединены с входами первого и второго формирователей импульсов управления соответственно.

2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что каждый из формирователей импульсов управления снабжен первым и вторым отсекающими диодами, блоком обратной связи, содержащим первый и второй резисторы, третий и четвертый отсекающие диоды, два форсирующих конденсатора, а выходной каскад формирователя импульсов управления имеет два полевых транзистора и два источника напряжениям, включенных последовательно, причем анод третьего и катод четвертого отсекающих диодов соединены с выходом блока согласования, катод третьего отсекающего диода включен последовательно с первым резистором, и они соединены с стоком первого полевого транзистора и с первой обкладкой первого форсирующего конденсатора, вторая обкладка этого конденсатора соединена с истоком первого статического индукционного транзистора, анод четвертого отсекающего диода включен последовательно с вторым резистором, и они соединены с стоком второго полевого транзистора и с первой обкладкой второго форсирующего конденсатора, вторая обкладка соединена с истоком первого статического индукционного транзистора, катод первого отсекающего диода соединен с стоком первого полевого транзистора, анод этого диода соединен с положительным полюсом первого источника напряжения, анод второго отсекающего диода соединен с стоком второго полевого транзистора, катод этого диода с отрицательным полюсом второго источника напряжения, а общая точка соединения источников напряжения соединена с истоком соответствующего статического индукционного транзистора.

РИСУНКИ

Рисунок 1