Автономный инвертор напряжения

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и м.б.использовано в различного вида преобразователях параметров электрической энергии для питания нагрузок средней и большой мощности. Целью изобретения является повышение энергетических показателей. Устр-во содержит мост основных ключевых элементов 2, 3, 7, 8 с выходным тр-ром 5 и тр-рами возврата 19, 20. Основные 31-34 и дополнительные 35-38 коммутирующие конденсаторы подключены к источнику подзаряда через разделительные диоды 39, 40. Мост подключен к входным выводам через разделительный диод 45, а к разделительным диодам 39,40 - через ключи 41-44. Продолжительность разряда коммутирующих конденсаторов, например, 31,35 определяет время приложения обратного напряжения к выключенному ключевому элементу 3. Одновременно при этом происходит заряд коммутирующих конденсаторов 32, 36. Ток заряда конденсатора 36, протекая через первичную обмотку 17 тр-ра 19, создает на ней напряжение, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию в источник. 4 ил., 1 табл. ш (Л со to « о 00

CQ103 СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК д11 4 Н 02 M 7/521

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOIVIY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 3953458/24-07 (22) 17.09.85 (46) 23,05.87. Бюл. У 19 (71) Запорожское производственное объединение Преобразователь" (72) А. А. Карпенко, Г, И, Плющаков и Н. Г. Приходько (53) 621.314.572(088.8) (56) Патент Великобритании

11 1048045, кл ° Н 02 M 7/52, 1966.

Патент Японии У 51-26972, кл. Н 02 М 7/1515, 1976. (54) АВТОНОМНЫЙ ИНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ (57) Изобретение относится к преобразовательной технике и м,б. использовано в различного вида преобразователях параметров электрической энергии для питания нагрузок средней и большой мощности, Целью изобретения является повышение энергетических показателей. Устр-во содержит мост основных ключевых элементов 2, „„SU, 1 12708 А1

3, 7, 8 с выходным тр-ром 5 и тр-рами возврата 19, 20. Основные 31-34 и дополнительные 35-38 коммутирующие конденсаторы подключены к источнику подзаряда через разделительные диоды

39, 40 ° Мост подключен к входным выводам через разделительный диод 45, а к разделительным диодам 39,40 через ключи 41-44. Продолжительность разряда коммутирующих конденсаторов, например, 31,35 определяет время приложения обратного напряжения к выключенному ключевому элементу 3.

Одновременно при этом происходит заряд коммутирующих конденсаторов 32, 36. Ток заряда конденсатора 36, протекая через первичную обмотку 17 тр-ра 19, создает на ней напряжение, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию в источник. 4 ил., 1 табл °

1312708

Изобретение относится к электротехнике, а именно к силовым полупроводниковым преобразователям постоянного напряжения в переменное, выполненным на однооперационных тиристорах, и может быть использовано в качестве выходного или промежуточного звена в различного вида преобразователях параметров электрической энергии для питания нагрузок средней и большой мощности.

Целью изобретения является повышение энергетических показателей, На фиг. 1 представлена схема мостоного иннертора; на фиг. 2 — кривые токов i и напряжений на соответствующих элементах схемы для случая о = 60 и = 60 ; на фиг. 3 - схема многофаэного многоячейкового инвертора; на фиг. 4 — полумостовой вариант схемы инвертора.

Устройство содержит мост 1 с основными ключевыми элементами 2 и 3, образующими пару с включенными между ними коммутирующими дросселем 4 с полуобмотками 5 и 6 и основными ключевыми элементами 7 и 8, образующими вторую пару, с включенным между ними коммутирующим дросселем 9 с полуобмотками 10 и 11.

Между средними точками дросселей

4 и 9 подключена первичная обмотка

12 ныходного трансформатора 13 вторичная обмотка 14 которого подключена к активно-индуктинной нагрузке 15 и 16, К средним точкам коммутирующих дросселей 4 и 9 подключены соответственно начала первичных обмоток 17 и 18 трансформаторов 19 или 20 возврата с вторичными обмотками 21 и

22, а концы первичных обмоток 17 и

18 соединены с общими точками обрат.ных вентилей 23, 24 и 25, 26. Концы вторичных обмоток 21 и 22 соединены с общими точками вентилей 27, 28 и

29, 30 соответственно °

Разветвленные коммутирующие контуры образуются соответственно основными группами коммутирующих конденсаторов 31-34, подключенными первыми обкладками к средним точкам коммутирующих дросселей 4 и 9, и дополнительными группами коммутирующих конденсаторов 35-38, подключенными первыми обкладками к концам первичных обмоток 17 и 18 трансформаторов

19 и 20 возврата. Вторые обкладки

1О

f5

35 основных 31, 33 и дополнительных 35, 37 коммутирующих конденсаторов соединены с катодом первого разделительного диода 39, включенного в проводящем напряжении н положительную шину (+Ус ) источника заряда конденсаторов, а вторые обкладки оснонных

32, 34 и дополнительных 36, 38 коммутирующих конденсаторов соединены с анодом второго разделительного диода 40, включенного в проводящем направлении в отрицательиую шину (-Бс) источника заряда конденсатора.

Анод второго разделительного диода 40 и нторые 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 и катодом 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 источника питания и отделяющего точку соединения катода четвертого ключа 43, анода нторого ключа 44 и анодов основных ключевых элементов 2 и 7 от входного вывода положительного полюса (+Е) основного источника питания и подключенных к нему катодов обратных 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 22 трансформаторов 19 и 20 возврата соотнетстненно соединены с общими точками соединения обратных вентилей 46, 48 и 47, 49. Причем обратные вентили 27, 28, 46, 48 и 29, 30, 47, 49 образуют обратные выпрямители, которые катодами обратных вен. тилей 27, 46 и 29, 47 подключены к положительной шине (+Е) основного

1312708

25 источника питания и аноду третьего диода 45, а анодами обратных вентилей 28, 48 и 30, 49 — к отрицательной шине (-Е) основного источника питания, 5

Устройство работает следующим об" разом, Коммутация пар ключевых элементов

2 и 3, 7 и 8 может происходить либо при положительном, либо при отрицательном значении тока нагрузки. Еса ли выполняется условие „ + — < О, то коммутация вентильной пары 2 и 3 имеет место при положительном значе" нии тока нагрузки i(o) ) О, если а

Y + — 7 О, то при отрицательном, где у — угол сдвига между напряжен кием и током нагрузки в эл, град. (при индуктивной нагрузке — отстающий, фиг. 2, при еикостной — опережающий), с - угол регулирования инвертора значения в эл. град; i(o) значение тока нагрузки для нулевого момента времени, Пара 7 и 8 коммутирует при отрицательном значении то- ка нагрузки, если 4 Ду а

При индуктивной нагрузке н 7 О и при любом угле регулирования а пара

2 и 3 коммутирует при отрицательной значении тока нагрузки, для которых условия коммутации получаются более тяжелыми. Поэтому рассмотрим процессы коммутации для случая, когда

i(o) C О, полагая, что эа время коммутации ток нагрузки не успевает заметно измениться и остается равным

i (о), Рассмотрим процесс коммутации с ключевого элемента 3 на ключевой элемент 2. Этапы коммутации.

В исходном состоянии схемы ток на-45 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, 37 коимутирующих конденсаторов разряжены (они шунтированы открытыми ключевыми элементами 3 и 7), напряжение на них равно нулю, следовательно, напряжение на основных и дополнительных группах заряда Б, которые сост" ветственно зарядились по цепям (полярность показана беэ скобок), равно (+цс) 39 32 6-3-41-40 (-Бс) 1 (+U c) 39-35-1 7-6-3-4 1-4Л (-П с);

4 (+П )-39-43-7-10-34-40 (-Ц ); (+"с)-39-43-7-10-18-38-40 (-ц ), Первый 42 и второй 44, третий 41 и четвертый 43 ключи закрыты, Обратное напряжение на обратных вентилях

23, 26 и прямое напряжение на ключевых элементах 2 и 8 равно напряжению (Е) основного источника питания, В момент времени t=O импульсами управления включаются ключевой элемент 2 и первый 42 и четвертый 43 ключи. Напряжение на полуобмотке 5 (Б ) коммутирующего дросселя 4 становится равным Uy=E (при Е ) Uc) °

Если считать коэффициент связи между полуобмотками 5 и 6 коммутирующего дросселя 4 ""„àâíûì единице, то такое же напряжение по величине индуктируется и на полуобмотке 6 с полярностью, указанной на фиг. 1.

Поскольку напряжение на основном 32 и дополнительном 36 коммутирующих конденсаторах в первый момент после включения ключевого элемента 2 остается равным нулю, полуобмотка 6 закорачивается через основной коммутирующий конденсатор 32 и параллельно через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, дополнительный коммутирующий конденсатор

36, первый ключ 42 и ключевой элемент 3. Ток короткого замыкания в. контуре элементов (+6)-32-42-.3-(-6) нарастает быстро, так как он ограничен только индуктивностью рассеяния коммутирующего дросселя 4. Ток в контуре ([phone]-(-6) нарастает медленнее, так как он ограничен индуктивностью рассеяния коммутирующего дросселя 4 и индуктивностью первичной обмотки 17 трансформатора 19 возврата, Ток i3 меньше по амплитуде тока ized и изменяется с круговой частотой в два-три раза меньшей, чем ток i>>. Ток il;, пРотекая чеРез первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напряжение, которое, трансформируясь Во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по цепи (-Е)-48-21-27-(+Е) или по цепи (-E)-28-21-46-(+Е) при изменении направления тока в конденсатор 50 фильтра постоянного тока основного источника питания и на заряд основных и дополнительных групп коммутирующих конденсаторов через ключи 44 и 42.

1312708

ТОки 1 2 и 196 ° няклядывяясь ня ток нагрузки ключевого элемента 3 и являясь противоположными по направлению, уменьшают ток нагрузки до нуля, включая ключевой элемент Э и 5 первый ключ 42. Ток через ключевой элемент 2 увеличивается от нуля до величины — iö(о).

Таким образом, ток с ключевого элемента 3 переходит на ключевой

1О элемент 2. Поскольку i „=i32 и

i 4 iÄÄ,следовательно, в момент времени

t 0 суммарные токи igg, iqt и i3, i g коммутирующих конденсаторов скачкообразно ao3pacTaez до значения рав ного -1<(0).

Время первого этапа, связанного с выключением ключевого элемента 3, мало, поэтому можно считать переход тока с ключевого элемента 3 на ключевой элемент 2 мгновенным, После выключения ключевого элемента 3 и первого ключа 42 начинается второй этап коммутации, который характеризуется разрядом коммутирующих конденсаторов 31 и 35 через полуобмотки 5 коммутирующего дросселя 4 по цепям 31-43-2-5-31 35-43-2-5-17-35.

ТОк разрЯДЯ 135, прОтекая пО пОследней цепи через первичную обмотку

17 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 35 на фиг, I стрелкой токе i3< и по цепи (-Е)- -28-21-46-(+Е) при противоположном направлении тока в конденсатор 50 фильтра ° Продолжительность разряда коммутирующих кон- 40 денсаторов 31 и 35 определяет время приложения обратного напряжения к выключенному ключевому элементу 3 °

Одновременно происходит заряд коммутирующих конденсаторов 32, 36 по це- 45 пям (+U )-39-43-2-5-32-40-(-U ) и (+U )-39-43-2-5-17-36-40-(-U ), Ток заРЯДа 1З, пРотекаЯ чеРез пеРвичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает в ней напряжение, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по описанным цепям. Второй этап заканчивается, когда напряжение коммутирующих конденсаторов

31, 35 становится равным нулю и стремится поменять полярность. Однако цепи перезаряда коммутирующих конденсаторов 31, 35 нет, так как заперт четвертый ключ 43 ° Токи в конденсаторах 31 и 35 отсутствуют, поскольку они разряжены до нуля, а токи коммутирующих конденсаторов 32 и

36 отсутствуют, поскольку они заряжены до напряжения 0

Таким образом, в начале третьего этапа ток ключевого элемента 2 и ток нагрузки 1 переходят на обратный вентиль 23 по контуру 5-!7-23-45-2-5.

Этот этап можно считать этапом "разряда" полуобмотки 5 коммутирующего дросселя 4 по указанной цепи. Прн этом разрядный ток дросселя 4, замыкаясь через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напряжение дУ, которое, трансформируясь во вторичную обмотку 21 возвращает основную часть избыточной энергии по цепи (-Е)-48-21-27-(+Е) в основной источник питания.

Введение в контур разряда дополнительного напряжения д U первичной обмотки 17 трансформатора 19 существенно уменьшает время tp разряда коммутирующего дросселя 4, Ня этом процесс коммутации тока с ключевого элемента 3 на ключевой элемент 2 заканчивается и схема готова к коммутации тока с ключевого элемента 7 на ключевой элемент 8 через временный сдвиг> определяемый углом д (эл. град.) регулирования инвертора.

1Т- мОкс Е4 с

P U s где 1 „ „ — амплитудное значение тока ключевого элемента 2 в конце второго этапа;

L — индуктивность полуоб4 мотки 5 дросселя 4;

Ж вЂ” дополнительное напряжение первичной обмот-, ки !7 трансформатора

19, вводимое в контур для ускорения разряда, Если в течение интервала времени разряда дросселя 4 ток нагрузки не изменит знак, то в конце этого интервала ключевой элемент 2 отключается и ток нагрузки переходит на диод 23 °

В этом случае для обеспечения нормальной работы схемы управляющий импульс, подаваемый на ключевой эле1 312708

20 ра оо L5>

Энергия мутирующем коммутации равна

EOOD Г 2С С, Частота переключений

ВключеВключение ключевых элементов

Элемент

N ние ключей N

N тока напряэл, угол, эл. град жения

44

180

180+el 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 t должно быть меньше полоР вины периода выходного напряжения инвертора. По заданному времени t< можно определить необходимое напряжение gU и рассчитать коэффициент трансформации трансформаторов 19 и

20 возврата.

Максимальное значение тока в ключевом элементе 2 равно амплитуде суммарного разряда тока конденсатора i фдкс 1с.макс, rAe

iñ макс- амплитудное значение суммарного разрядного тока основной и дополнительной групп коммутирующих конденсаторов

Uc Uс агап ц> с+ --, 81пя

Т, маКс о о

Го Ро где U — напряжение разряда коммутирующих конденсаторов 31 и 35; сОо — круговая частота собственных колебаний контура включающего основного конденсатора 31, М вЂ” круговая частота собственных о колебаний контура включающего дополнительного конденсатора

I

1 (д) о t (Lê+L,) с6 (при этом ыо/ ы 7, 2 — 3);

5 L — индуктивность полуобмот5 ки 5 коммутирующего дрос" селя 4; — индуктивность первичной обмотки 17 трансформаторь

19 возврата;

C>, " емкость коммутирующего конденсатора 31;

С - емкость коммутирующего кондснсатора 35; напряжение источника подзаряда коммутирующих конден аторов; волновое сопротивление о коммутирующим конденсатором 31, о — волновое сопротивление коно тура с дополнительным коммутирующим конденсатором

35, о ", (L л) °

Wg<, записываемая в комдросселе 4 в процессе (без учета потерь), ° 2 2

35 ц . л1™" . -HJ +52 1j

Частота переключений пар ключевых элементов 2 и 3, 7 и 8 задается

40 частотой управляющих импульсов системы управления.

Алгоритм и частота переключений ключевых элементов и диодов приведены в таблице.

1312 708

П родолжение таблицы

Частота переключений

Элемент

Включение ключе- Включение ключей

И вых элементов

IV эл. угол, эл. г рад тока напряжения

2f

13

22

4f

2f

46,47

48,49

Л р и м е ч а н и е: f. — частота напряжения на первичной обмотке 12 трансформатора 13 нагрузки.

19, 20

23-30

31-38

39, 40

4I, 43

42, 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 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

7!. При с(=0 ключевые элементы 2 и 8, а ТВКхр 3 и 7 отпираются одновременно и на выходе трансформатора 13 нагрузки формируется напряжение прямоугольной формы, а в многофаэных многоячейковых инверторах напряжения

40 (фиг. 3), состоящих из однофаэных мостов (фиг, 1), формируется напряжение многоступенчатой (квазисинусоидальной) формы.

Пусть фаза интервалов проводимос45 ти ключевых элементов 8 и 7 изменяется относительно фазы интервалов проводимости тиристоров 2 и 3 в сторону отставания на эл. угол. На фиг. 2 представлены кривые токов и напряжений на элементах схемы для случая с1 = 60 и Ч„ = 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 12 трансформатора 13 нагрузки равно нулю, поскольку соответствующие пары

2, 7 или 3, 8 закорачивают первичную

12708

1, 2-3, 1 где

50

11 13 обмотку 12 трансформатора 13 нагрузки. В кривой выходного напряжения попоявляются нулевые участки длительностью d.. Кривая выходного напряжения Е„ (фиг. 2) в этом случае может быть представлена как сумма двух кривых такой же формы, как и при

ЫО, но сдвинутых по времени на эл. угол с/ и уменьшенных вдвое по амплитуде. Изменяя угол ф от нуля до 6, принципиально можно регулировать выходное напряжение от максимального значения, определяемого величиной Е, цо нуля.

Иногда с целью сохранения неиэ" менной фазы выходного напряжения ключевые элементы 2 и 3 открывают раньше некоторого опорного момента времени на эл. угол вЂ, а

0 ключевые элементы 8 и 7 открывают позже некоторого опорного момента о времени также на эл. угол —.

Формула изобретения

Автономный инвертор напряжения, содержащий однофазный мост, катодная группа основных ключевых элементов которого подключена к отрицательному входному выводу, и параллельные разветвленные коммутирующие ЬС-контуры с включенными между парами основных ключевых элементов моста коммутирующими дросселями, к средним точкам которых подключены первичная обмотка трансформатора нагрузки и начала первой и второй трансформаторных обмоток возврата, соединенных концами через обратные вентили с положительными и отрицательными входными выводами, а третья трансформаторная обмотка возврата подключена к входным выводам через вентили обратного выпрямителя, а также основные коммутирующие конденсаторы, соединенные попарно последовательно и подключенные общими точками к соответствующим общим точкам соединения средней точки соответствующих коммутирующего дросселя и начала трансформаторной обмотки возврата, о т л и ч а ю— шийся тем, что, с целью повышения энергетических показателей, он снабжен тремя разделительными диодами, четырьмя ключами, источником подзаряда и четырьмя дополнительны12 ми, попарно последовательно соединенными конденсаторами, включенными между катодом первого разделительного диода, соединенного анодом с положительной шиной источника подзаряда и анодом второго разделительного диода, соединенного катодом с отрицательной шиной источника подзаряда, а общая точка каждой пары дополниf0 .тельных конденсаторов подключена к концу соответствующей первой или второй трансформаторной обмотки возврата, в качестве которых использованы первичные обмотки двух введенf5 ных трансформаторов возврата, причем в качестве третьей обмотки использована вторичная обмотка одного из введенных трансформаторов возврата, вторичная обмотка другого из которых

20 подключена к входным выводам через вентили введенного дополнительного обратного выпрямителя, а положительный входной вывод соединен с анодной группой основных ключевых элементов

25 моста через третий разделительный диод, включенный в прямом направлении, соединенный катодом через два встречно параллельно включенных указанных ключа с катодом первого раэ30 делительного диода, а катодная группа моста через два других встречно параллельно включенных ключа соединена с анодом второго разделительного диода, причем

ЛР "1 собственная круговая частота (†-) коммутирующего

Р д

С контура, образованного емкостью С дополнительных коммутирующих конденсаторов, индуктивностью Ь nept вичной обмотки трансформатора возврата и иидуктивностью L полуобмотки хоммутирующего дросселя; собственная круговая часрад тота (-- ) коммутирующего

С контура, образованного емкостью С основных коммутирующих конденсаторов и индуктивностью L полуобмотки коммутирующего дросселя.

1312708

ФигЗ

1312 708

Фиг.4

Составитель И. Жеребина

Редактор А. Шандор Техред Л.Сердюкова Корректор Г. Репетник

I Заказ 1978/54 Тираж 661 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий !

13035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4