Однофазный мостовой транзисторный инвертор

 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к однофазным мостовым инверторам с трансформаторной нагрузкой, широко применяющимся в различных вторичных источниках питания для электротехнических и электротехнологических установок. Технический результат - устранение резонанса напряжений в однофазном мостовом транзисторном инверторе с последовательно включенным конденсатором в цепи первичной обмотки силового согласующего трансформатора. Однофазный мостовой транзисторный инвертор снабжен дополнительной обмоткой возврата реактивной мощности, подключенной к диагонали переменного тока обратного диодного моста, а между одним из полюсов обратного диодного моста и одноименным полюсом источника питания включен в проводящем по отношению к упомянутому диодному мосту направлении транзисторный ключ, управляющий вход которого связан с логической схемой И в составе двух оптоэлектронных пар и резисторного делителя напряжения, причем светодиоды упомянутых оптоэлектронных пар соединены согласно-последовательно друг с другом и объединены общей точкой с одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста, а их выводы через токоограничивающие резисторы подключены в проводящем направлении к полюсам источника питания, фотодиоды упомянутых оптоэлектронных пар соединены согласно-последовательно, анод одного из которых подключен к управляющему входу транзисторного ключа, а катод другого фотодиода - к общей точке упомянутого резисторного делителя напряжения в составе двух последовательно соединенных резисторов, концы которых подключены параллельно упомянутому транзисторному ключу. Это позволило исключить резонанс напряжения и, таким образом, решить поставленную задачу. 2 ил.

Изобретение относится к области электротехники, а именно, к однофазным мостовым транзисторным инверторам. Однофазные транзисторные инверторы широко применяются в различных вторичных источниках питания в диапазоне мощностей от десятков Вт (бытовая видео- и аудиоаппаратура) до нескольких кВт (электросварочные аппараты инверторного типа, однофазные плазмотроны, низковольтные электроприводы специального назначения и т.д.).

Известны однофазные инверторы, содержащие транзисторный мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока - к трансформаторной нагрузке в виде силового согласующего трансформатора, связанного вторичной обмоткой с упомянутой нагрузкой. Для возврата реактивной мощности в источник питания транзисторный инвертор шунтируется обратным диодным мостом (см. Прянишников В.А. Электроника. С.Петербург, "Корона-Принт", 1998 г. , стр.317, рис.29.5 и "Источники вторичного электропитания". Под редакцией Конева Ю.И. М.: "Радио и связь", 1983 г.).

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 при выходной мощности в 3 кВт и более. 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 (см. Transpoket - Австрия, каталог 1996 г., "ДС 200А1 - Технотрон" - Россия, "Invertec V-130-S - Lincoln - США).

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению 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, БИ 16, 1999).

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа, относится то, что в известном устройстве возможно возникновение резонанса напряжений из-за последовательного соединения индуктивности (трансформатор) и емкости (конденсатор) даже если Хс≠Х_L, где Хс - реактанс конденсатора, a Х_L - реактанс трансформатора. Резонанс напряжений, как известно, может привести к существенным перенапряжениям, особенно на холостом ходу установки, то есть при отсутствии нагрузки, и нарушить работоспособность устройства.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит в силовой части однофазный мостовой транзисторный инвертор 1, 2, 3, 4, транзисторы которого шунтированы обратным диодным мостом 5, 6, 7, 8, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания со сглаживающим конденсатом 9 на выходе, а диагональю переменного тока - к трансформаторной нагрузке 10 через конденсатор 11.

Технический результат - исключение резонанса напряжений при любых соотношениях реактансов трансформатора и последовательно соединенного с ним конденсатора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем обратный диодный мост и подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания со сглаживающим конденсатором на выходе, а диагональю переменного тока к трансформаторной нагрузке через последовательно включенный с первичной обмоткой трансформатора конденсатор, упомянутый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой возврата реактивной мощности, подключенной к диагонали переменного тока обратного диодного моста, а между одним из полюсов диагонали постоянного тока обратного диодного моста и одноименным полюсом источника питания включен в проводящем направлении по отношению к упомянутому диодному мосту транзисторный ключ, управляющий вход которого связан с логической схемой И в составе двух оптоэлектронных пар и резисторного делителя напряжения, причем светодиоды упомянутых оптоэлектронных пар соединены согласно-последовательно друг с другом и объединены общей точкой с одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста, а их свободные выводы через токоограничивающие резисторы подключены в проводящем направлении к полюсам источника питания. Фотодиоды упомянутых оптоэлектронных пар также соединены согласно-последовательно, анод одного из которых подключен к управляющему входу транзисторного ключа, а катод другого фотодиода - к общей точке упомянутого резисторного делителя напряжения в составе двух последовательно соединенных резисторов, концы которых подключены параллельно упомянутому транзисторному ключу. Это позволило исключить резонанс напряжений, таким образом, решить поставленную задачу.

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 фиг.2, на которой представлена схема однофазного мостового транзисторного инвертора. Устройство содержит источник питания 1, транзисторный мост 2, 3, 4, 5, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания 1, обратный диодный мост 6, 7, 8, 9, силовой согласующий трансформатор, первичная обмотка 10 которого последовательно с конденсатором 11 включена в диагональ переменного тока транзисторного моста 2, 3, 4, 5. Вторичная обмотка 12 силового согласующего трансформатора подключена к нагрузке, содержащей диодный выпрямитель 13, сглаживающий дроссель 14 и собственно нагрузку 15. Силовой согласующий трансформатор снабжен дополнительной обмоткой 16 возврата реактивной мощности, включенной в диагональ переменного тока обратного диодного моста 6, 7, 8, 9. Диагональ постоянного тока обратного диодного моста 6, 7, 8, 9 подключена одним полюсом, например положительным, к одноименному полюсу источника питания 1, а вторым полюсом, например отрицательным, через транзисторный ключ 17 к одноименному полюсу источника питания 1. Транзисторный ключ 17 включен в проводящем направлении по отношению к обратному диодному мосту 6, 7, 8, 9. Управляющий вход транзисторного ключа 17 соединен с логической схемой И, содержащей две оптоэлектронные пары 18, 19 и резисторный делитель напряжения 20, 21. Светодиоды оптоэлектронных пар 18, 19 соединены согласно-последовательно между собой, подключены общей точкой к одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста 2, 3, 4, 5, например, к общей точке транзисторов 2, 3, а их выводы через токоограничивающие резисторы 22, 23 подключены в проводящем направлении к источнику питания 1. Фотодиоды оптоэлектронных пар 18, 19 также соединены между собой согласно-последовательно, анод одного из которых подключен к управляющему входу транзисторного ключа 17, а катод другого фотодиода - к общей точке резисторного делителя напряжения 20, 21, концы которого подключены параллельно транзисторному ключу 17.

Устройство работает следующим образом. При включении любой из диагональных пар 2-5 или 3-4 транзисторов инвертора светодиод 18 или 19 оказывается зашунтирован соответствующим включенным транзистором, поэтому один из двух фотодиодов 18 или 19 заперт и, соответственно, заперт транзисторный ключ 17. Обратный диодный мост 6, 7, 8, 9 отделен от источника питания 1, поэтому "сброс" энергии дополнительной обмоткой 16 возврата реактивной мощности в источник питания 1 невозможен. При выключении диагональной пары 2-5 или 3-4 транзисторов инвертора некоторое время, необходимое для восстановления запирающих свойств транзисторов, все четыре транзистора 2, 3, 4, 5 заперты, оба светодиода 18 и 19 проводят ток и, следовательно, оба фотодиода 18 и 19 переходят в проводящее состояние. Дополнительная обмотка 16 силового согласующего трансформатора отдает накопленную электромагнитную энергию в источник питания 1 по цепи, например, диод 6 - плюс источника питания 1 - минус источника питания 1 - транзисторный ключ - 17 - диод 9 - обмотка 16. В следующем такте инвертора процесс возврата накопленной энергии в источник питания 1 повторяется.

Для улучшения магнитной связи между первичной обмоткой 12 и дополнительной обмоткой 16 силового согласующего трансформатора дополнительную обмотку 16 целесообразно выполнять вмотанной в первичную обмотку 12 с таким же числом витков. При этом максимальное напряжение на транзисторах 2, 3, 4, 5 инвертора и транзисторном ключе 17 не будет превышать напряжение источника питания 1.

Количество транзисторов в предлагаемом устройстве на один больше (ключ 17). Однако ключ 17 проводит ток лишь кратковременными импульсами, поэтому тепловые потери в нем невелики. Аналогично дополнительная обмотка 16 проводит ток лишь кратковременно, может быть выполнена проводом малого сечения и поэтому практически не увеличивает объем меди силового согласующего трансформатора.

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, содержащий обратный диодный мост и подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания со сглаживающим конденсатором на выходе, а диагональю переменного тока к трансформаторной нагрузке через последовательно включенный с первичной обмоткой трансформатор конденсатор, отличающийся тем, что упомянутый трансформатор снабжен дополнительной обмоткой возврата реактивной мощности, подключенной к диагонали переменного тока обратного диодного моста, а между одним из полюсов диагонали постоянного тока обратного диодного моста и одноименным полюсом источника питания включен в проводящем по отношению к упомянутому диодному мосту направлении транзисторный ключ, управляющий вход которого связан с логической схемой И в составе двух оптоэлектронных пар и резисторного делителя напряжения, причем светодиоды упомянутых оптоэлектронных пар соединены согласно-последовательно друг с другом и объединены общей точкой с одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста, а их выводы через токоограничивающие резисторы подключены в проводящем направлении к полюсам источника питания, фотодиоды упомянутых оптоэлектронных пар соединены согласно-последовательно, анод одного из которых подключен к управляющему входу транзисторного ключа, а катод другого фотодиода - к общей точке упомянутого резисторного делителя напряжения в составе двух последовательно соединенных резисторов, концы которых подключены параллельно упомянутому транзисторному ключу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

MM4A Досрочное прекращение действия патента из-за неуплаты в установленный срок пошлины заподдержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 20.04.2009

Дата публикации: 10.12.2011

---