Однофазный нерегулируемый мостовой транзисторный инвертор

 

Изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным нерегулируемым мостовым транзисторным инверторам, и может быть использовано в различных вторичных источниках питания. Технический результат - упрощение и удешевление однофазного нерегулируемого мостового транзисторного инвертора. Упомянутый инвертор имеет в силовой части четыре силовых транзистора, собранных в мост и шунтированных обратным диодным мостом. Диагональ постоянного тока однофазного нерегулируемого мостового трнзисторного инвертора подключена к регулируемому сетевому выпрямителю, снабженному системой регулирования и управления. Диагональ переменного тока подключена к нагрузке. Управляющие входы четырех упомянутых силовых транзисторов связаны с четырьмя соответствующими выходами системы управления инвертором, содержащей автогенератор, согласующий трансформатор, формирователь скважности управляющих импульсов и цепи гальванической развязки. Формирователь скважности управляющих импульсов и цепи гальванической развязки совмещены в каждом из четырех идентичных каналов управления четырьмя силовыми транзисторами и выполнены в виде цепи из последовательно соединенных быстронасыщающегося дросселя, токоограничивающего резистора и диода, подключенного в проводящем направлении к базе силового транзистора. Эмиттер указанного транзистора и свободный конец быстронасыщающегося дросселя подключены к одной из четырех соответствующей вторичной обмотке согласующего трансформатора. Между эмиттером силового транзистора и общей точкой быстродействующего дросселя и токоограничивающего резистора включен балластный резистор. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным мостовым транзисторным инверторам, и может быть использовано в различных вторичных источниках питания в диапазоне мощностей от десятков ватт до нескольких киловатт, например, в электросварочных аппаратах, однофазных плазмотронах, электронных стабилизаторах напряжения и т.п.

Известны однофазные мостовые транзисторные инверторы, содержащие в силовой части транзисторный мост, шунтированный обратным диодным мостом и подключенный диагональю постоянного тока к сетевому выпрямителю, а диагональю переменного тока к нагрузке [1, 2, 3].

Вторичные источники питания с инверторами разделяются на две группы: с регулируемым инвертором и нерегулируемым инвертором [4].

Наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков является однофазный мостовой нерегулируемый транзисторный инвертор, описанный в [4], (стр.317, рис.29.5 и стр.319, рис.29.7). Упомянутый однофазный нерегулируемый мостовой транзисторный инвертор диагональю постоянного тока подключен к регулируемому сетевому выпрямителю, содержащему собственную систему управления и регулирования, и принимается за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании как перечисленных выше в [1, 3] аналогов, так и прототипа, относится то, что в известном устройстве система управления силовыми транзисторами инвертора содержит, кроме типового автогенератора заданной частоты и согласующего трансформатора, формирователь скважности управляющих импульсов по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ) и устройство гальванической развязки оптоэлектронного типа, требующее выполнения силовых транзисторов инвертора в виде составных силовых модулей с оптоэлектронной развязкой, что усложняет и удорожает устройство в целом.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит регулируемый сетевой выпрямитель 1, выполняемый обычно по схеме полууправляемого моста со сглаживающим конденсатором на выходе. Управляющий вход сетевого выпрямителя 1 связан с выходом системы управления и регулирования 2, а к выходу сетевого выпрямителя 1 подключена диагональ постоянного тока однофазного нерегулируемого мостового транзисторного инвертора. Силовая часть упомянутого инвертора содержит четыре силовых транзистора 3, 4, 5, 6, собранных в мост и шунтированных обратным диодным мостом 7, 8, 9, 10, и нагрузку 11, подключенную к диагонали переменного тока инвертора.

Система управления инвертором состоит из автогенератора 12 с выходом в виде согласующего трансформатора (для простоты согласующий трансформатор на фиг.1 не показан), формирователя скважности импульсов 13, выполняемого обычно по принципу широтно-импульсной модуляции (ШИМ), и четырех цепей гальванической развязки и усиления оптоэлектронного типа 14, 15, 16, 17 по числу силовых транзисторов. Упомянутые цепи гальванической развязки и усиления 14, 15, 16, 17 конструктивно обычно объединяются с соответствующими силовыми транзисторами, образуя силовые транзисторные модули с гальванически развязанными, то есть изолированными, управляющими входами, соединяемыми с соответствующими выходами формирователя скважности импульсов 13.

На фиг.1 цепи гальванической развязки и усиления 14, 15, 16, 17 вынесены в отдельные от силовых транзисторов блоки лишь для простоты описания. Усиление сигнала в цепи с оптронной развязкой необходимо, так как сигнал на выходе оптрона мал для “раскачки” силового транзистора.

Формирователь скважности импульсов 13, то есть широтно-импульсный модулятор, выполняет лишь функцию преобразования переменного напряжения прямоугольной формы с автогенератора 12 в импульсы заданной скважности с целью исключения сквозных токов силовых транзисторов.

Технический результат - упрощение и удешевление однофазного нерегулируемого мостового транзисторного инвертора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем однофазный нерегулируемый мостовой транзисторный инвертор, имеющий в силовой части четыре транзистора, собранных в мост и шунтированных обратным диодным мостом, причем диагональ постоянного тока упомянутого однофазного нерегулируемого мостового транзисторного инвертора подключена к регулируемому сетевому выпрямителю, снабженному системой регулирования и управления, диагональ переменного тока подключена к нагрузке, а управляющие входы четырех упомянутых силовых транзисторов связаны с четырьмя соответствующими выходами системы управления инвертором, содержащей автогенератор, согласующий трансформатор, формирователь скважности управляющих импульсов и цепи гальванической развязки, упомянутый формирователь скважности управляющих импульсов и цепи гальванической развязки совмещены в каждом из четырех идентичных каналов управления четырьмя силовыми транзисторами и выполнены каждый в виде цепи из последовательно соединенных быстронасыщающегося дросселя, токоограничивающего резистора и диода, подключенного в проводящем направлении к базе силового транзистора, эмиттер которого и свободный конец быстронасыщающегося дросселя подключены к одной из четырех соответствующей вторичной обмотке согласующего трансформатора, причем между эмиттером силового транзистора и общей точкой быстронасыщающегося дросселя и токоограничивающего резистора включен балластный резистор.

Это позволило исключить из устройства широтно-импульсный модулятор, а вместо составных силовых транзисторных модулей с элементами оптронной развязки использовать обычные силовые транзисторы и, таким образом, существенно упростить и удешевить однофазный нерегулируемый мостовой транзисторный инвертор.

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 известных 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 одноименным 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 и закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “изобретательский уровень”.

Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой представлена схема однофазного нерегулируемого мостового транзисторного инвертора; на фиг.3 - диаграмма напряжений.

Устройство (фиг.2) содержит регулируемый сетевой выпрямитель 1, выполняемый обычно по схеме полууправляемого моста со сглаживающим конденсатором на выходе. Управляющий вход сетевого выпрямителя 1 связан с выходом системы управления и регулирования 2, а к выходу сетевого выпрямителя 1 подключена диагональ постоянного тока однофазного нерегулируемого мостового транзисторного инвертора. Силовая часть упомянутого инвертора содержит четыре силовых транзистора 3, 4, 5, 6, собранных в мост и шунтированных обратным диодным мостом 7, 8, 9, 10. К диагонали переменного тока подключена нагрузка 11. Система управления инвертором состоит из автогенератора 12, согласующего трансформатора 13, подсоединенного первичной обмоткой к автогенератору 12. Первичная обмотка согласующего трансформатора 13 имеет две одинаковые полуобмотки 14 и 15, соединенные согласно и имеющие дополнительный средний вывод. Все три вывода первичной обмотки подключены к выходу автогенератора 12, что является типовым решением. Четыре вторичные обмотки 16, 17, 18 и 19 по числу силовых транзисторов включены попарно-встречно в каналах управления плечами и попарно-согласно в диагональных каналах транзисторного моста 3, 4, 5, 6, что также является типовым решением. Формирователь скважности управляющих импульсов и цепи гальванической развязки совмещены в каждом из четырех идентичных каналов управления силовыми транзисторами и содержит соединенные последовательно быстронасыщающийся дроссель 20, токоограничивающий резистор 21 и диод 22, подключенный к базе соответствующего силового транзистора, например транзистора 3, в проводящем направлении. Для простоты на фиг.2 показан один канал управления. Эмиттер силового транзистора 3 подключен к одному из выводов соответствующей вторичной обмотки 16 согласующего трансформатора 13, а свободный конец быстронасыщающегося дросселя 20 подключен ко второму концу вторичной обмотки 16 согласующего трансформатора 13. Кроме того, эмиттер силового транзистора 3 и общая точка быстронасыщающегося дросселя 20 и токоограничивающего резистора 21 шунтированы балластным резистором 23.

Работа устройства осуществляется следующим образом.

При включении устройства в сеть на выходе сетевого выпрямителя 1 появляется постоянное напряжение, сглаживаемое конденсатором большой емкости. Система управления и регулирования 2 обеспечивает плавное увеличение этого напряжения, чем и ограничивается “пусковой” ток заряда сглаживающего конденсатора. Именно для ограничения “пускового” тока сетевые выпрямители мощностью более 1 кВт делаются регулируемыми независимо от того, регулируемый инвертор или нет. При включении устройства в сеть появляется также напряжение на входе автогенератора 12. Для простоты типовой блок питания автогенератора 12 на фиг.2 не показан. На выходе автогенератора 12 появляется переменное напряжение U₁ высокой частоты в виде прямоугольного “меандра” (фиг.3, диаграмма 1). Согласующим трансформатором 13 это напряжение понижается до нужной для управления силовыми транзисторами 3, 4, 5, 6 величины 3-5 В и подается через формирователь скважности управляющих импульсов на управляющие входы соответствующих силовых транзисторов 3, 4, 5, 6. Непосредственная подача напряжения U₁ на управляющие входы силовых транзисторов 3, 4, 5, 6 недопустима, так как в этом случае в моменты коммутации силовых транзисторов 3, 4, 5, 6 неизбежно появление сквозных токов. Включение в цепь формирователя скважности управляющих импульсов быстронасыщающегося дросселя 20, который насыщается за интервал τ (см. фиг.3, диаграмма 2), преобразует “меандр” U₁ в напряжение U₃ (см. фиг.3, диаграмма 3), где пауза между импульсами равна τ≥ времени, необходимого для запирания силовых транзисторов 3, 4, 5, 6. Балластный резистор 23 обеспечивает ограничение напряжения в интервале τ на близком к нулю уровне, а диод 22 создает дополнительную нелинейность в цепи управления силового транзистора 3, не пропуская малый сигнал. Токоограничивающий резистор 21 ограничивает ток управления на необходимом уровне. Аналогично действуют остальные каналы управления силовыми транзисторами 4, 5, 6.

Необходимая выходная мощность автогенератора 12 при, например, напряжении вторичных обмоток 16, 17, 18, 19 согласующего трансформатора 13 порядка 3÷5 В составит 2·(3÷5)(iδ, где iδ - ток отпирания силовых транзисторов: iδ=i_k:α, где α - коэффициент усиления силового транзистора, а i_k - коллекторный ток (ток “запирания” пренебрежимо мал). Отсюда следует, что, например, при i_k=30 А α=15, выходная мощность автогенератора 12 составит всего

что легко обеспечить без всякого предварительного усиления, в отличие от формирователей с оптронной развязкой, где ток измеряется миллиамперами и требуется усиление.

Быстронасыщающийся дроссель 20, обеспечивающий необходимый интервал τ, рассчитывается при известных τ и напряжении вторичной обмотки согласующего трансформатора 13 по формуле

где U≈3÷5 B, f≈5·10⁵ Гц (при τ≈1·10^-6 с), В≈0,2 TS (для ферритовых сердечников), S - сечение сердечника, м² и W - число витков дросселя. Расчеты по формуле (2) показывают, что необходимый интервал τ обеспечивает дроссель с обмоткой 4-7 витков на сердечнике S≈5 мм², то есть размеры и масса быстронасыщающегося дросселя весьма малы.

Таким образом, достаточно сложная и дорогая часть устройства в составе широтно-импульсного модулятора и силовых транзисторных модулей с оптоэлектронной гальванической развязкой заменена элементарной цепью из миниатюрного быстронасыщающегося дросселя, диода и двух резисторов на один канал управления и обычных силовых транзисторов вместо дорогостоящих силовых транзисторных модулей. Технический результат изобретения достигнут.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в электротехнике, в различных вторичных источниках питания;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “промышленная применимость”.

ЛИТЕРАТУРА

1. “Transpoket” - Австрия, каталог 1995-6 г.г.

2. “Invertec V-130-S-Lincoln” - США, каталог 1998-9 г.г.

3. “Al-Технотрон” -Россия. Проспект фирмы, 1995 г.

4. В.А. Прянишников. "Электроника", С.-Петербург, 1998 г., 400 с.

Формула изобретения

Однофазный нерегулируемый мостовой транзисторный инвертор, имеющий в силовой части четыре силовых транзистора, собранные в мост и шунтированные обратным диодным мостом, причем диагональ постоянного тока упомянутого однофазного нерегулируемого мостового транзисторного инвертора подключена к регулируемому сетевому выпрямителю, снабженному системой регулирования и управления, диагональ переменного тока подключена к нагрузке, а управляющие входы четырех упомянутых силовых транзисторов связаны с четырьмя соответствующими выходами системы управления инвертором, содержащей автогенератор, согласующий трансформатор, формирователь скважности управляющих импульсов и цепи гальванической развязки, отличающийся тем, что формирователь скважности управляющих импульсов и цепи гальванической развязки совмещены в каждом из четырех идентичных каналов управления четырьмя силовыми транзисторами и выполнены каждый в виде цепи из последовательно соединенных быстронасыщающегося дросселя, токоограничивающего резистора и диода, подключенного в проводящем направлении к базе силового транзистора, эмиттер которого и свободный конец быстронасыщающегося дросселя подключены к одной из четырех соответствующих вторичных обмоток согласующего трансформатора, причем между эмиттером силового транзистора и общей точкой быстронасыщающегося дросселя и токоограничивающего резистора включен балластный резистор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3