Инвертор тока
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для индукционного нагревателя. Техническим результатом является повышение надежности работы инвертора тока. В инверторе тока, выполненном в виде однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами и диодами, шунтирующими транзисторы, введены последовательные цепи, одна из которых содержит ограничитель напряжения, два резистора, другая - ограничитель напряжения, третья - два резистора, два диода, два конденсатора. Каждая последовательная цепь шунтирует однофазный мост на транзисторах, который подключен к входным выводам через дроссели фильтра. Третья последовательная цепь подключена к коллекторной и эмиттерной группам транзисторов однофазного моста через четвертую и пятую последовательные цепи, каждая из которых содержит диод, резистор и дроссель. При обрыве цепи индукционного нагревателя включается тиристор, шунтирующий однофазный мост через конденсатор, обеспечивающий ограничение входного напряжения инвертора при выходе из строя тиристора. Ограничение входного напряжения инвертора обеспечивается ограничителем напряжения первой последовательной цепи. В результате повышается помехоустойчивость инвертора тока, снижаются коммутационные потери и перенапряжения. 1 ил.
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для индукционного нагревателя.
Известен инвертор тока, содержащий однофазный мост на транзисторах, коллекторная группа которого подключена к положительному входному выводу через дроссель фильтра, с конденсатором, шунтирующим выходные выводы инвертора тока, эмиттерная группа однофазного моста на транзисторах подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока (Глазенко Т.А., Сеньков В.И. Схемотехнические и конструктивные методы обеспечения электромагнитной совместимости транзисторных преобразователей постоянного напряжения // Электричество. - 1989. - N 2. - C.37-43).
Недостатком инвертора тока является низкая надежность работы из-за высоких значений коммутационных потерь в транзисторах, высоких перенапряжений на элементах схемы инвертора тока при обрыве цепи нагрузки.
Известен инвертор тока, содержащий однофазный мост на транзисторах, коллекторная группа которого подключена к положительному входному выводу через дроссель фильтра, с конденсатором, шунтирующим выходные выводы инвертора тока, эмиттерная группа однофазного моста на транзисторах подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока (П. 2155433, Россия, МКИ Н 02 М 5/451. Преобразователь частоты / Силкин Е.М. - Заявл. 13.04.99, Опубл. 27.08.00. - Бюл. N 24).
Недостатком инвертора тока является низкая надежность работы из-за высоких значений коммутационных потерь в транзисторах, высоких перенапряжений на элементах схемы инвертора тока при обрыве цепи нагрузки.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является инвертор тока (Ruzsamyi Т., Baesanyi С. Transistor-wechelrichter fur Induktiwe Erwarmung // Period. polytechn. Mech. engineering. - 1986. - N 1. - S.99-122), который и рассматривается в качестве прототипа.
Прототип, содержит однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами, коллекторная группа которого подключена к положительному входному выводу через дроссель фильтра, с конденсатором, шунтирующим выходные выводы инвертора тока, тиристор, анод которого подключен к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами, второй конденсатор, диод, эмиттерная группа однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами подключена к отрицательному входному выводу.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы из-за высоких значений коммутационных потерь в транзисторах и диодах, пере напряжений на элементах схемы инвертора тока, возможных перегрузок тиристора при включении, возможных перегрузок транзисторов эмиттерной группы при выходе индукционного нагревателя из строя.
Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы инвертора тока, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что в инверторе тока, содержащем однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами, коллекторная группа которого подключена к положительному входному выводу через дроссель фильтра, с конденсатором, шунтирующим выходные выводы инвертора тока, тиристор, анод которого подключен к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами, второй конденсатор, диод, катод тиристора подключен к эмиттерной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через второй конденсатор, катод диода соединен с управляющим электродом тиристора, эмиттерная группа однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через второй дроссель фильтра, а выводы переменного тока однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами подключены к выходным выводам инвертора тока через коммутирующие дроссели, транзисторы зашунтированы встречными диодами, последовательные диоды зашунтированы последовательными цепями, содержащими резистор и конденсатор, однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами зашунтирован последовательной цепью, содержащей ограничитель напряжения, резистор и второй резистор, общая точка соединения ограничителя напряжения и резистора соединена с анодом диода, общая точка соединения резистора и второго резистора подключена к катоду тиристора, однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами зашунтирован вторым ограничителем напряжения, второй последовательной цепью, содержащей третий ограничитель напряжения и второй диод, анод которого соединен с третьим ограничителем напряжения, а катод подключен к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами, третьей последовательной цепью, содержащей третий резистор, третий диод, третий конденсатор, четвертый диод, четвертый резистор, точка соединения катода третьего диода и третьего конденсатора подключена к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через четвертую последовательную цепь, содержащую пятый диод, пятый резистор и дроссель, точка соединения анода четвертого диода и третьего конденсатора соединена с эмиттерной группой однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через пятую последовательную цепь, содержащую шестой диод, шестой резистор и второй дроссель.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы инвертора тока на индукционный нагреватель за счет снижения коммутационных потерь в транзисторах и диодах, коммутационных перенапряжений, ограничения токов тиристора и транзисторов эмиттерной группы.
Повышение надежности работы инвертора тока на индукционный нагреватель является полученным техническим результатом, обусловленным введением новых элементов и связей, т.е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого инвертора тока являются существенными.
На чертеже приведена схема инвертора тока.
Инвертор тока содержит однофазный мост на транзисторах 1-4 с последовательными диодами 5-8, коллекторная группа которого подключена к положительному входному выводу через дроссель фильтра 9, с конденсатором 10, шунтирующим выходные выводы 11 инвертора тока, тиристор 12, анод которого подключен к коллекторной группе однофазного на транзисторах с последовательными диодами, второй конденсатор 13, диод 14, катод тиристора подключен к эмиттерной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через второй конденсатор, катод диода соединен с управляющим электродом тиристоpa, эмиттерная группа онофазного моста на транзисторах с последовательными диодами подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через второй дроссель фильтра 15, а выводы переменного тока однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами подключены к выходным выводам инвертора тока через коммутирующие дроссели 16,17, транзисторы зашунтированы встречными диодами 18-21, последовательные диоды зашунтированы последовательными цепями, содержащими резистор 22-25 и конденсатор 26-29, однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами зашунтирован последовательной цепью, содержащей ограничитель напряжения 30, резистор 31 и второй резистор 32, общая точка соединения ограничителя напряжения и резистора соединена с анодом диода, общая точка соединения резистора и второго резистора подключена к катоду тиристора, однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами зашунтирован вторым ограничителем напряжения 33, второй последовательной цепью, содержащей третий ограничитель напряжения 34 и второй диод 35, анод которого соединен с третьим ограничителем напряжения, а катод подключен к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами, третьей последовательной цепью, содержащей третий резистор 36, третий диод 37, третий конденсатор 38, четвертый диод 39, четвертый резистор 40, точка соединения катода третьего диода и третьего конденсатора подключена к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через четвертую последовательную цепь, содержащую пятый диод 41, пятый резистор 42 и дроссель 43, точка соединения анода четвертого диода и третьего конденсатора соединена с эмиттерной группой однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через пятую последовательную цепь, содержащую шестой диод 44, шестой резистор 45 и второй дроссель 46.
Инвертор тока работает следующим образом. Транзисторы диагоналей моста инвертора 1, 4 и 2, 3 включаются поочередно с частотой, определяемой собственной частотой параллельного колебательного контура, образованного индукционным нагревателем 11 и конденсатором 10. Причем включение очередной пары транзисторов 1, 4 или 2, 3 происходит с опережением момента перехода напряжения на конденсаторе 10 контура через нулевое значение. Указанный контур обладает высокой добротностью, в результате чего напряжение на индукционном нагревателе 11 и конденсаторе 10 имеет близкую к синусоидальной форму. Индуктивность дросселей фильтра 9, 15 имеет большую величину. Поэтому входной ток инвертора тока сглажен, а ток, протекающий через транзистор 1-4 и последовательные диоды 5-8, имеет форму, близкую к прямоугольной. В момент включения транзисторов 2,3 напряжение на конденсаторе 10 условно отрицательное ("+" слева на фиг.1). Уровень (модуль) напряжения на конденсаторе 10 равен:
u=v·E·cosb·sinb;
u<Е,
где v - постоянный схемный коэффициент, Е - постоянное напряжение на входе инвертора тока, b - угол опережения (угол между моментом включения очередной пары транзисторов и моментом перехода напряжения на конденсаторе 10 через нулевое значение). Конденсатор 10 начинает разряжаться по цепям: 10-16-5-1-3-7-17-10 и 10-16-6-2-4-8-17-10. Дроссели 16, 17 ограничивают скорость разряда конденсатора 10 и скорость спада (нарастания) тока через последовательные диоды 5, 8 (6, 7). Ток транзисторов 1, 4 и последовательных диодов 5, 8 спадает от максимального значения до нулевого, а ток транзисторов 2, 3 и последовательных диодов 6, 7 нарастает от нулевого значения до максимального. При обрыве обратного тока последовательных диодов 5, 8 ток разряда конденсатора 10 замыкается через конденсаторы 26, 29 по цепям: 10-16--26-22-18-3-7-17-10 и 10-16-6-2-21-25-29-17-10. Энергия, накопленная в электромагнитном поле дросселей 16, 17 (а также соединительных шин), частично переходит в конденсаторы 26, 29 и частично рассеивается в резисторах 22, 25 и индукционном нагревателе 11. Коммутационные потери в транзисторах и последовательных диодах, а также уровни коммутационных перенапряжений на элементах схемы инвертора тока уменьшаются. При возрастании напряжения на конденсаторах 22, 29 выше напряжения Е на входе инвертора тока включаются диоды 37, 39 и энергия перенапряжения направляется на заряд конденсатора 38. В исходном состоянии конденсатор 38 заряжен до напряжения, близкого к напряжению на входе инвертора тока Е. После расходования энергии перенапряжения диоды 37, 39 выключаются. Энергия, переданная в конденсатор 38, далее возвращается (рекуперируется) в индукционный нагреватель 11, где потребляется через последовательные цепи: 41-42-43 и 44-45-46. Частично энергия рассеивается в резисторах 42, 45. Если в коммутационном интервале напряжение на конденсаторе 38 превысит уровень напряжения ограничения ограничителя напряжения 34 (резкое изменение параметров индукционного нагревателя или выход из строя диодов 37, 39) включается диод 35 и напряжение на входе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами ограничивается на уровне номинального напряжения ограничителя напряжения 34 (около 1,1 Е). При работе транзисторов 2, 3 после окончания коммутационного интервала энергия, накопленная в конденсаторах 26, 29, возвращается (рекуперируется) в индукционный нагреватель 11 до полного их разряда. Электромагнитные процессы в инверторе тока при включении транзисторов 1,4 протекают аналогично. Очередное включение транзисторов 2, 3 заканчивает период. В индукционном нагревателе 11 при этом формируется полная волна переменного напряжения.
При обрыве цепи индукционного нагревателя 11 (или отключении инвертора тока) возрастает напряжение на входе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами. Если напряжение превысит уровень ограничения ограничителя напряжения 30, через него возрастает ток и включается тиристор 12. Входной ток инвертора тока замыкается по цепи: "+"-9-12-13-15-"-""+". В исходном состоянии конденсатор 13 незаряжен. Напряжение на входе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами ограничивается на уровне напряжения на конденсаторе 13. Заряд конденсатора 13 приводит к уменьшению входного тока инвертора тока. Энергия, накопленная в электромагнитном поле дросселей фильтра 9, 15 на предыдущих интервалах работы, переходит в конденсатор 13. Тиристор 12 выключается. Далее конденсатор 13 разряжается через резистор 32. Если напряжение на конденсаторе 13 по какой-либо причине превысит уровень напряжения ограничения ограничителя напряжения 33, а также в случае выхода из строя, например, тиристора 12, ограничитель напряжения 33 включится и ограничит напряжение (около 2,1 Е) на входе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами. Диод 14 и резистор 31 предотвращают разряд конденсатора 13 через управляющий электрод тиристора 12 и повышают помехоустойчивость тиристора 12.
По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы инвертора тока за счет снижения коммутационных потерь и перенапряжений. Это обеспечивается рациональным набором и взаимным резервированием защитных цепей. Импульсные перенапряжения на транзисторах отсутствуют. Надежность повышается также за счет ограничения токов тиристора при заряде второго конденсатора и токов транзисторов эмиттерной группы при выходе из строя индукционного нагревателя. Время наработки на отказ заявляемого инвертора тока по сравнению с прототипом увеличивается по вышеперечисленным причинам в 2-3 раза.
По сравнению с прототипом увеличивается коэффициент полезного действия инвертора тока за счет уменьшения потерь в элементах схемы.
По сравнению с прототипом уменьшается стоимость элементов инвертора за счет возможности использования элементов (транзисторов, диодов и др.) на меньшие допустимые токи.
Инвертор тока, содержащий однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами, коллекторная группа которого подключена к положительному входному выводу через дроссель фильтра, с конденсатором, шунтирующим выходные выводы инвертора тока, тиристор, анод которого подключен к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами, второй конденсатор, диод, отличающийся тем, что катод тиристора подключен к эмиттерной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через второй конденсатор, катод диода соединен с управляющим электродом тиристора, эмиттерная группа однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами подключена к отрицательному входному выводу инвертора тока через второй дроссель фильтра, а выводы переменного тока однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами подключены к выходным выводам инвертора тока через коммутирующие дроссели, транзисторы зашунтированы встречными диодами, последовательные диоды зашунтированы последовательными цепями, содержащими резистор и конденсатор, однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами зашунтирован последовательной цепью, содержащей ограничитель напряжения, резистор и второй резистор, общая точка соединения ограничителя напряжения и резистора соединена с анодом диода, общая точка соединения резистора и второго резистора подключена к катоду тиристора, однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами зашунтирован вторым ограничителем напряжения, второй последовательной цепью, содержащей третий ограничитель напряжения и второй диод, анод которого соединен с третьим ограничителем напряжения, а катод подключен к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами, третьей последовательной цепью, содержащей третий резистор, третий диод, третий конденсатор, четвертый диод, четвертый резистор, точка соединения катода третьего диода и третьего конденсатора подключена к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через четвертую последовательную цепь, содержащую пятый диод, пятый резистор и дроссель, точка соединения анода четвертого диода и третьего конденсатора соединена с эмиттерной группой однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через пятую последовательную цепь, содержащую шестой диод, шестой резистор и второй дроссель.
