Транзисторный преобразователь постоянного напряжения в переменное высокой частоты с электронным устройством защиты

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники и предназначено для питания электротехнологических установок. Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является сокращение времени переходного режима аварийного отключения преобразователя и уменьшение максимального значения тока короткого замыкания, т.е. обеспечение быстродействия защиты от коротких замыканий и исключение ложных срабатываний. Предлагаемый преобразователь выполнен на основе автономного инвертора напряжения, содержащего транзисторы (1-4), встречные диоды (5-8), трансформатор (9) и фильтр переменной составляющей напряжения, содержащий реактор (10), конденсатор (11), дополнительный реактор (12) и короткозамыкатель, содержащий тиристор (13) и диод (14), подключенные на входе указанного инвертора напряжения. Блок управления (15) содержит тактовый генератор (16), пересчетное устройство (17), формирователь импульсов тока управления (18) и устройство гальванической развязки (19). В блок управления дополнительно введены ячейка запрета с памятью (20) и датчик аварийного тока (21). При таком выполнении системы управления формирование импульсов отпирания затворов транзисторов инвертора прекращается с появлением сигнала логической единицы “лог.1”, формируемого ячейкой запрета, и выключением тактового генератора, а вход указанного инвертора напряжения шунтируется короткозамыкателем на время, равное периоду собственных колебаний контура, образованного конденсатором фильтра и дополнительным реактором. 3 ил.

 

Изобретение относится к классу силовых полупроводниковых преобразователей напряжения и предназначено для питания электротехнологических установок, в частности, электродуговой сварки.

Известно достаточно большое разнообразие по выходным параметрам силовых транзисторных преобразователей инверторного типа, обеспечивающих возможность питания технологических устройств сварочными токами 500 А при напряжении на дуге до 40 В. При этом большая часть таких преобразователей разработана на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором, что дает возможность увеличить частоту преобразования до нескольких десятков кГц и уменьшить массогабаритные параметры источника питания [1].

Однако большая зависимость напряжения на коллекторе силового транзистора в открытом состоянии от величины тока через прибор, напряжения на затворе и температуры кремниевой структуры обуславливает невысокую надежность работы преобразователя, особенно в условиях резкопеременной нагрузки при выполнении сварочных работ. Это обстоятельство выдвигает необходимость разработки дополнительных быстродействующих устройств защиты силовых транзисторных преобразователей от токовых перегрузок и коротких замыканий.

В результате проведенного ранее анализа существующих структур построения драйверных устройств и систем защиты силового транзистора в режиме короткого замыкания предлагается в качестве контрольного параметра использовать напряжение коллектор-эмиттер биполярного транзистора в проводящем интервале проводимости [2].

При этом необходимо контролировать указанный параметр каждого из транзисторов силовой схемы инвертора с последующим отключением управляющих импульсов каждого из затворов. Недостатком такого построения системы защиты преобразователя от перегрузки и коротких замыканий является сохранение зависимости напряжения на коллекторе транзистора в открытом состоянии от напряжения на его затворе, что обуславливает возможность ложных срабатываний защиты от перегрузки и коротких замыканий. Таким образом, предложенный вариант построения защиты силовых транзисторов преобразователей повышенной частоты обуславливает необходимость дополнительного схемного решения защиты, исключающего ложные срабатывания защиты от коротких замыканий при сохранении ее быстродействия.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является обеспечение быстродействия защиты от коротких замыканий и исключение ложных срабатываний.

Поставленная техническая задача решается за счет того, что преобразователь, содержащий автономный инвертор напряжения, выполненный на транзисторах с диодами встречной проводимости, LC-фильтр переменной составляющей напряжения, подключенный на входе указанного инвертора, и блок управления, включающий тактовый генератор, пересчетное устройство и формирователь импульсов тока, выходы которого через устройство гальванической развязки связаны с управляющими переходами транзисторов инвертора, а тактовый генератор дополнен ячейкой запрета с памятью, и датчиком аварийного тока, имеющим индуктивную связь с дополнительным реактором, включенным последовательно в цепь конденсатора LC-фильтра, а его выход соединен с входом ячейки запрета. При этом автономный инвертор напряжения дополнен короткозамыкателем, содержащим тиристор и диод, подключенным на его входе, управляющий переход которого связан с входом указанного датчика аварийного тока.

Благодаря предлагаемому решению поставленной задачи при возникновении аварийного режима автономного инвертора в контуре, образованном конденсатором LC-фильтра, дополнительным реактором и тиристором короткозамыкателя, возникает импульс аварийного тока синусоидальной формы, амплитуда и длительность которого равны, соответственно:

где U_о - напряжение на конденсаторе фильтра в момент короткого замыкания;

L_д - индуктивность дополнительного реактора;

С_ф - емкость конденсатора фильтра,

а на выходе датчика аварийного тока возникает импульс напряжения, обеспечивающий формирование сигнала логической единицы на входе ячейки запрета за время менее 1 мкс, отключение тактового генератора через 0,1 периода инвертирования и полное отключение автономного инвертора напряжения через время не более 0,5 периода.

На фиг.1 приведена принципиальная схема транзисторного преобразователя постоянного напряжения в переменное высокой частоты с электронным устройством защиты в аварийных режимах, на фиг.2, 3 - диаграммы напряжений и токов через элементы преобразователя, иллюстрирующие его работу.

Преобразователь (фиг.1) содержит автономный инвертор напряжения, выполненный на транзисторах 1-4 со встречными диодами 5-8, трансформатор 9. На входе автономного инвертора напряжения подключены LC-фильтр, содержащий реактор 10 и конденсатор 11, последовательно в цепь которого дополнительно введен реактор 12 и короткозамыкатель, включающий тиристор 13 и диод 14, соединенные между собой встречно-параллельно. Преобразователь имеет также блок управления 15, который содержит тактовый генератор 16, пересчетное устройство 17, формирователь импульсов тока управления 18 и устройство гальванической развязки 19.

В состав системы управления преобразователя дополнительно введены ячейка запрета 20, датчик аварийного тока 21 и указанный короткозамыкатель. Оперативное включение и отключение преобразователя осуществляется сигналами “лог.0” или “лог.1”, а аварийное отключение сигналом “лог.1”, формируемым ячейкой запрета 20.

Преобразователь работает следующим образом. В соответствии с диаграммами (фиг.2) в момент времени t₁ сигнал “лог.1” снимается и на выходе тактового генератора формируются короткие импульсы U₁ прямоугольной формы с частотой, в 10 раз большей частоты инвертирования, которые поступают на вход пересчетного устройства (17).

С момента времени t₁ на выходе пересчетного устройства формируются импульсы напряжения U₂ прямоугольной формы длительностью, равной периоду следования импульсов на выходе тактового генератора. Далее, в процессе работы пересчетного устройства 17 на выходе последнего формируются импульсы напряжения U₃ со сдвигом во времени на полупериод. Функциональное взаимодействие тактового генератора 16 и пересчетного устройства 17 с элементами формирователя 18 обеспечивает заданное во времени распределение импульсов управления i_y1, i_y2 и плавное изменение их длительности в зависимости от выходных параметров регулятора. В аварийном режиме (диаграммы фиг.3), обусловленном резким увеличением тока нагрузки до значений, больших критической величины, в момент времени t₁ на выходе датчика аварийного тока 21 появляется сигнал, обеспечивающий отпирание тиристора 13 короткозамыкателя, и происходит колебательный перезаряд конденсатора 11 через дополнительный реактор 12. При этом вход инвертора и его транзисторы шунтируются короткозамыкателем, а ток i_кз в его цепи изменяется по синусоидальному закону. В момент t₂ ток i_кз подходит к нулю и происходит выключение тиристора 13. В интервале t₁-t₃ напряжение на входе инвертора U_v можно считать равным 0, а в момент t₃ ток i_кз подходит к нулю и происходит выключение диодов 5-8 и диода 14 короткозамыкателя. В момент времени t₁ на выходе датчика аварийного тока 21, благодаря его индуктивной связи с дополнительным реактором 12, наводится импульс напряжения U_кз, поступающий на вход ячейки запрета 20, и происходит формирование сигнала “лог.1” на ее выходе. В результате этого прекращается формирование импульсов напряжения U тактовым генератором и импульсов тока управления i_y1, i_y2, а ток короткого замыкания i_кз продолжает протекать до момента t₃. К моменту времени t₃ большая часть энергии, запасенной во входной цепи преобразователя, возвращается в конденсатор 11 LC-фильтра. Наличие в преобразователе реактора 12 LC-фильтра ограничивает нарастание тока во входной цепи до значения, равного

где I_вх - ток на входе преобразователя к моменту возникновения аварийного режима;

U_о - начальное значение напряжения на конденсаторе фильтра;

С_ф, L_ф - емкость конденсатора и индуктивность реактора фильтра;

L_д - индуктивность дополнительного реактора LC-фильтра;

Таким образом, с момента времени t₁ в интервале t₁-t₃, равном:

входная цепь инвертора напряжения остается зашунтированной короткозамыкателем, а нагрузка и транзисторы инвертора с момента времени t₁ практически отключены от источника питания. В результате этого обеспечивается значительное сокращение времени протекания аварийного тока через транзисторы инвертора, что предотвращает их необратимые повреждения. Максимальная длительность аварийного процесса в оборудовании короткозамыкателя не превышает 0,5 периода инвертирования, а длительность импульса аварийного тока через транзисторы и диоды инвертора практически равна 0 с момента срабатывания короткозамыкателя.

Использованные источники:

1. В.С.Милютин, В.А.Коротков “Источники питания для сварки”. Челябинск. “Металлургия Урала”. 1999 г. (стр.210 рис.4.33).

2. С.Н.Флоренцев, В.М.Аванесов статья “Управление силовыми транзисторами с изолированным затвором”. “Электротехника”. 2000 г., №12.

Транзисторный преобразователь постоянного напряжения в переменное высокой частоты с электронным устройством защиты, содержащий автономный инвертор напряжения на транзисторах со встречными диодами, LC-фильтр переменной составляющей напряжения, включенный на входе автономного инвертора напряжения, и блок управления, включающий тактовый генератор, пересчетное устройство, формирователь импульсов тока управления и блок гальванической развязки, выходы которого связаны с выходами затворов транзисторов, отличающийся тем, что преобразователь дополнительно снабжен короткозамыкателем, включающим тиристор и встречный диод, подключенным на входе указанного автономного инвертора, ячейкой запрета с памятью, датчиком аварийного тока, вход короткого индуктивно связан с дополнительным реактором, включенным последовательно в цепь конденсатора LC-фильтра, а выход соединен со входом ячейки запрета и управляющим переходом тиристора короткозамыкателя, при этом сигнал логической единицы на выходе ячейки запрета отключает тактовый генератор, прекращает формирование импульсов напряжения на затворах транзисторов и обеспечивает аварийное отключение преобразователя от нагрузки.