Однофазный мостовой транзисторный инвертор с обратным диодным мостом

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным мостовым инверторам. Однофазные инверторы широко применяются в различных вторичных источниках питания в диапазоне мощностей от десятков ватт (бытовая видео и аудио аппаратура) до нескольких киловатт (электросварочные аппараты инверторного типа, небольшие плазмотроны и т.д.). Технический результат - устранение резонанса напряжений в однофазном мостовом инверторе с конденсатором в цепи силового сглаживающего трансформатора. Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве содержится однофазный мостовой транзисторный инвертор с обратным диодным мостом. Инвертор подключен диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через последовательно включенный конденсатор - к первичной обмотке силового согласующего трансформатора. Вторичная обмотка упомянутого силового согласующего трансформатора через диодный выпрямитель и сглаживающий дроссель связана с нагрузкой. Указанный трансформатор снабжен дополнительной обмоткой с числом витков, вдвое меньшим, чем у первичной обмотки. Упомянутая дополнительная обмотка подключена к диагонали переменного тока обратного диодного моста, не связанной с диагональю переменного тока мостового транзисторного инвертора. Это позволило осуществить возврат реактивной энергии в каждом полупериоде работы инвертора обратно в источник питания, минуя конденсатор, и, таким образом, исключить резонанс напряжений при любом сочетании параметров силового согласующего трансформатора и конденсатора. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным мостовым инверторам на транзисторах. Однофазные инверторы широко применяются в различных вторичных источниках питания в диапазоне мощностей от десятков ватт (бытовая видео и аудио аппаратура) до нескольких киловатт (электросварочные аппараты инверторного типа, небольшие плазмотроны и т. д).

Известны однофазные мостовые инверторы, содержащие транзисторный мост из четырех силовых транзисторов, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока - к нагрузке. Источник питания обычно представляет собой сетевой диодный или диодно-тиристорный мостовой выпрямитель с фильтровым конденсатором на выходе, а нагрузка содержит силовой согласующий трансформатор, вторичная обмотка которого через диодный выпрямитель и сглаживающий дроссель подключена к собственно нагрузке. Для возврата реактивной мощности транзисторный мост шунтируется обратным диодным мостом (см. стр.317, рис.29.5 в кн. В.А.Прянишников. Электроника. С. -Петербург "Корона-Принт", 1998 г., 400 с., Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1983).

Высокая частота на выходе инвертора позволяет резко уменьшить габариты силового согласующего трансформатора. Современные фирмы-производители источников питания инверторного типа доводят частоту инверторов до 100 кГц [3] (см. "Transpoket" - Австрия, Каталог 1995-6 г.г., "DC200 А1 - Технотрон" - Россия, "Invertec V-130-S" - Linkoln - США).

Однако повышение частоты инвертора порождает ряд проблем: увеличиваются коммутационные потери в силовых транзисторах и других полупроводниковых элементах инвертора; растут требования к частотным характеристикам элементной базы и, следовательно, растет ее стоимость; из-за неизбежной асимметрии в диагонали переменного тока транзисторного моста появляется постоянная составляющая, что делает неэффективной мостовую схему. Трансформатор требуется выполнять с зазором в сердечнике и использовать лишь на частной петле гистерезиса. Именно последняя из перечисленных проблем обусловила переход от "классических" мостовых инверторов к однотактным инверторам [3].

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является устройство, у которого последовательно с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора включен конденсатор и, таким образом, исключена постоянная составляющая в выходном напряжении инвертора (см. патент РФ 2131640, Б.И. 16, 1999 г., прототип).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что в известном устройстве возможно возникновение резонанса напряжений в диагонали переменного тока однофазного мостового инвертора.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит транзисторный мост 1, 2, 3, 4 из четырех силовых транзисторов, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор 5, диодный выпрямитель 6 и сглаживающий дроссель 7 непосредственно к нагрузке 8. Последовательно с первичной обмоткой 9 силового согласующего трансформатора 5 включен конденсатор 10. Вторичная обмотка 11 силового согласующего трансформатора 5 подключена к входу упомянутого выпрямителя 6. Транзисторный мост 1, 2, 3, 4 шунтирован обратным диодным мостом 12, 13, 14, 15. Конденсатор 10 не пропускает постоянную составляющую, поэтому трансформатор 5 может выполняться с замкнутым сердечником, использоваться на полной петле гистерезиса, что позволяет в 2-4 раза, в зависимости от параметров сердечника, уменьшить его массогабаритные показатели при заданной частоте либо сохранить эти показатели, уменьшив соответственно частоту в 2-4 раза. Однако наличие последовательной L-C цепи, где L - индуктивность трансформатора 5, а С - емкость конденсатора 10, может привести к резонансу напряжений на одной из гармоник, даже если X_L≠Х_C на основной гармонике, где X_L и Х_C - реактансы трансформатора и конденсатора.

Технический результат - устранение резонанса напряжений в однофазном мостовом инверторе с конденсатором в цепи силового согласующего трансформатора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем однофазный мостовой транзисторный инвертор с обратным диодным мостом, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока подключенный через последовательно включенный конденсатор к первичной обмотке силового согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через диодный выпрямитель и сглаживающий дроссель связана с нагрузкой. Упомянутый силовой согласующий трансформатор снабжен дополнительной обмоткой с числом витков, вдвое меньшим, чем у первичной обмотки, причем дополнительная обмотка подключена к диагонали переменного тока обратного диодного моста, не связанной с диагональю переменного тока мостового транзисторного инвертора.

Это позволило осуществить возврат реактивной энергии в каждом полупериоде работы инвертора обратно в источник питания, минуя конденсатор и, таким образом, исключить резонанс напряжений при любом сочетании параметров силового согласующего трансформатора и конденсатора.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности, заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования: - дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений; - замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены; - исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и прочее); - увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов; - выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала; - создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций, и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.2 представлена схема однофазного мостового инвертора, на фиг.3,а, б, в - временные диаграммы, а на фиг.3, г - зависимость напряжения от тока.

Устройство содержит транзисторный мост из четырех силовых транзисторов 1, 2, 3, 4, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор 5, диодный выпрямитель 6 и сглаживающий дроссель 7 к нагрузке 8. Последовательно с первичной обмоткой 9 силового согласующего трансформатора 5 включен конденсатор 10. Вторичная обмотка 11 силового согласующего трансформатора 5 подключена к входу диодного выпрямителя 6. Обратный диодный мост 12, 13, 14, 15 диагональю постоянного тока подключен к источнику питания, а диагональю переменного тока, не связанной с диагональю переменного тока мостового транзисторного инвертора, к дополнительной обмотке 16 силового согласующего трансформатора 5.

Устройство функционирует следующим образом. При наличии напряжения источника питания U₁* (фиг.3,а) и включении одной из диагональных пар силовых транзисторов, например 1 и 4, через конденсатор 10 к первичной обмотке 9 силового согласующего трансформатора 5 прикладывается напряжение источника питания плюс напряжение конденсатора 10. На холостом ходу, когда через конденсатор 10 протекает только намагничивающий ток силового согласующего трансформатора 5, амплитуда напряжения U_с* на конденсаторе 10 мала (фиг.3, б). С ростом тока нагрузки соответственно увеличивается амплитуда напряжения на конденсаторе 10. При запирании силовых транзисторов 1 и 4 накопленная в силовом согласующем трансформаторе 5 электромагнитная энергия через дополнительную обмотку 16 и обратный диодный мост 12, 13, 14, 15 разряжается в источник питания. Для лучшей магнитной связи эта обмотка выполняется вмотанной в первичную обмотку 9 силового согласующего трансформатора 5, а число ее витков вдвое меньше числа витков первичной обмотки 9. Это условие необходимо, чтобы напряжение, трансформируемое в дополнительную обмотку 16 при включенных силовых транзисторах любой диагональной пары, было не больше по амплитуде напряжения источника питания.

Таким образом, возврат реактивной энергии в источник питания возможен только в моменты пауз при переключении диагональных пар силовых транзисторов 1, 2, 3, 4. Когда ток нагрузки I_d достигает определенной "критической" величины I_d=I_kp (фиг.3,г) амплитуда напряжения U_с* на конденсаторе 10 достигает максимума, то есть напряжения источника питания. Напряжение на первичной обмотке 9 в моменты коммутации очередной диагональной пары силовых транзисторов достигает двойного напряжения источника питания. Дальнейший рост амплитуды напряжения на конденсаторе 10 и, соответственно, на первичной обмотке 9 силового согласующего трансформатора 5 невозможен, поэтому при дальнейшем увеличении тока нагрузки I_d > I_kp в выпрямленном напряжении U_2d* (фиг.3,в) появляются участки нулевого значения, а в токе силового согласующего трансформатора - паузы. Средневыпрямленное напряжение U_d* начинает уменьшаться (фиг.3, г) и внешняя характеристика инвертора из линейной превращается в гиперболическую: U_d*•I_d=const. Уместно отметить, что если линейный участок внешней характеристики устройства (на фиг. 3,г этот участок для простоты изображен абсолютно жестким, то есть без учета импеданса устройства) пригоден для большинства электротехнических и электротехнологических установок, то участок постоянной мощности U_d*•I_d=const идеально подходит, например, для электродуговой сварки в воздухе. Как упоминалось, конденсатор 10 исключает постоянную составляющую в токе силового согласующего трансформатора 5, а дополнительная обмотка 16 этого трансформатора осуществляет циклический возврат реактивной энергии в источник, исключая тем самым резонанс напряжений. Мощность, передаваемая дополнительной обмоткой 16 в источник питания, весьма невелика, особенно если сердечник трансформатора выполнен на железе с прямоугольной петлей гистерезиса и малым током намагничивания, поэтому дополнительная обмотка 16 практически не увеличивает объем меди силового согласующего трансформатора. Необходимый технический результат достигнут простым средством.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий: - средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области электротехники; - для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов; - средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".

Формула изобретения

Однофазный мостовой транзисторный инвертор с обратным диодным мостом, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через последовательно включенный конденсатор - к первичной обмотке силового согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через диодный выпрямитель и сглаживающий дроссель связана с нагрузкой, отличающийся тем, что упомянутый силовой согласующий трансформатор снабжен дополнительной обмоткой с числом витков вдвое меньшим, чем у первичной обмотки, причем дополнительная обмотка подключена к диагонали переменного тока обратного диодного моста, не связанной с диагональю переменного тока мостового транзисторного инвертора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3