Однофазный полумостовой тиристорный инвертор

Предложен однофазный полумостовой тиристорный инвертор для нагрузок трансформаторного типа мощностью от 3 кВт и выше. Силовая часть инвертора содержит два полумоста: первый полумост из двух последовательно соединенных тиристоров и последовательно соединенных транзисторов, подключенных параллельно тиристорам, и второй полумост из двух последовательно соединенных конденсаторов. Система управления обеспечивает автоматический переход работы инвертора с транзисторов на тиристоры и обратно при увеличении или, соответственно, уменьшении тока нагрузки. Коммутация тиристоров естественная. Технический результат - обеспечение работоспособности во всем диапазоне нагрузок от холостого хода до максимальных. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным полумостовым инверторам, и может быть использовано в диапазоне мощностей от трех до десятков кВт в установках с преимущественно трансформаторной нагрузкой, в электросварочных аппаратах, однофазных плазмотронах, электронных стабилизаторах напряжения и т.п.

Известны однофазные полумостовые инверторы, содержащие в силовой части полумост из двух последовательно соединенных ключевых элементов, а второй полумост из двух последовательно соединенных конденсаторов. Диагональ постоянного тока таких инверторов подключается к сетевому выпрямителю, а диагональ переменного тока, т.е. общие точки конденсаторов и упомянутых ключевых элементов - к нагрузке, преимущественно трансформаторного типа [1].

В качестве ключевых элементов обычно используются транзисторы, шунтированные обратными диодами [2, 3, 4].

Однако при мощности выше (3÷4) кВт транзисторы приходится включать параллельно в каждом ключевом элементе, что снижает надежность и усложняет инвертор в целом.

Применение запираемых (GTO) тиристоров также не всегда оправдано: падение напряжения, а следовательно, и потери в GTO тиристорах больше, чем в полууправляемых тиристорах, а система управления сложнее.

Известны полумостовые инверторы на обычных (полууправляемых) тиристорах, где два последовательно соединенных тиристора образуют полумост [5].

Упрощенная схема такого однофазного полумостового тиристорного инвертора представлена на фиг.1 и содержит в силовой части два полумоста: полумост из последовательно соединенных тиристоров 1, 2 и полумост из двух последовательно соединенных конденсаторов 3, 4, образующих совместно с тиристорным полумостом мост, диагональю постоянного тока подключенный к сетевому блоку питания (для простоты сетевой блок питания на фиг.1 не показан), а в диагональ переменного тока моста включена нагрузка 5 в составе трансформатора 6 с прямоугольной петлей гистерезиса сердечника и собственно нагрузки 7, подключенной к вторичной обмотке 8 трансформатора 6. В цепь вторичной обмотки 8 трансформатора 6 обычно включают последовательно с нагрузкой датчик тока 9, к выходу которого подключают амплитудный селектор 10.

В состав системы управления входит типовая система импульсно-фазового управления 11, выходы которой соединены с соответствующими управляющими входами тиристоров 1, 2, к одному из входов системы импульсно-фазового управления 11 подключен выход автогенератора 12, а второй вход соединен с элементом сравнения 13, к входам которого по принципу отрицательной обратной связи подключен сигнал задания U₃ и сигнал обратной связи U_oc с амплитудного селектора 10.

Приведенный на фиг.1 и описанный выше однофазный полумостовой тиристорный инвертор является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании прототипа относится то, что работа известного устройства возможна лишь в ограниченном диапазоне нагрузок: примерно от (25÷30)% номинальной и выше. Работа при меньших нагрузках невозможна, т.к. не обеспечивается естественная коммутация тиристоров. Разумеется, возможно загрузить устройство посторонней постоянной нагрузкой [5]. Но даже при чисто реактивном ее характере это приводит к дополнительным потерям энергии.

Технический результат - обеспечение работоспособности однофазного полумостового тиристорного инвертора во всем диапазоне нагрузок от холостого хода до максимальных.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве, представляющем однофазный полумостовой тиристорный инвертор, содержащий в силовой части полумост из двух последовательно соединенных тиристоров и полумост из двух последовательно соединенных конденсаторов, образующих совместно с тиристорным полумостом мост, подключенный диагональю постоянного тока к сетевому блоку питания, а диагональю переменного тока - к нагрузке трансформаторного типа, состоящей из трансформатора с прямоугольной петлей гистерезиса и собственно нагрузки, подключенной к вторичной обмотке трансформатора, причем последовательно с нагрузкой включен датчик тока, к его выходу подключен амплитудный селектор, а система управления содержит типовую систему импульсно-фазового управления тиристорами, к одному из входов которой подключен выход автогенератора, а второй вход соединен с выходом элемента сравнения, к выходам упомянутого элемента сравнения по принципу отрицательной обратной связи подключен сигнал задания и сигнал обратной связи по току с выхода амплитудного селектора, при этом в силовую часть схемы дополнительно введен полумост из двух последовательно соединенных транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, упомянутый транзисторный полумост подключен параллельно тиристорному полумосту, общая точка транзисторов и обратных диодов связана с общей точкой тиристоров, а в систему управления введена дополнительно типовая система широтно-импульсного управления транзисторами упомянутого транзисторного моста и логическая схема в составе двух компараторов и четырех ключей, причем входы компараторов взаимно инверсно связаны с источником эталонного напряжения и выходом амплитудного селектора, выход первого компаратора подключен к управляющим входам двух ключей, включенных между выходами типовой системы импульсно-фазового управления и соответствующими управляющими входами тиристоров тиристорного полумоста, а выход второго компаратора подключен к управляющим входам двух других ключей, включенных между выходами типовой системы широтно-импульсного управления и соответствующими управляющими входами транзисторов транзисторного полумоста. Это позволило обеспечить работоспособность устройства во всем диапазоне рабочих нагрузок от холостого хода до максимально возможных и таким образом решить поставленную задачу.

Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой представлена схема однофазного полумостового тиристорного инвертора и фиг.3, на которой представлены диаграммы напряжений.

Устройство (фиг.2) содержит в силовой части тиристорный полумост из двух последовательно соединенных тиристоров 1, 2, полумост из двух последовательно соединенных конденсаторов 3, 4, образующих совместно с тиристорным полумостом мост, диагональ постоянного тока которого подключена к сетевому блоку питания (для простоты сетевой блок питания на фиг.2 не показан). В диагональ переменного тока моста включена нагрузка 5 трансформаторного типа, содержащая трансформатор 6 с прямоугольной петлей гистерезиса сердечника, собственно нагрузку 7, подключенную к вторичной обмотке 8 трансформатора 6, а также датчик тока 9, включенный последовательно с нагрузкой 7. К выходу датчика тока 9 подключен амплитудный селектор 10.

Таким образом, описанная выше часть силовой схемы устройства идентична силовой схеме прототипа.

Дополнительно в силовую схему введен транзисторный полумост в составе двух последовательно соединенных транзисторов 11, 12, шунтированных двумя обратными диодами 13, 14. Транзисторный полумост 11, 12, 13, 14 подключен параллельно тиристорному полумосту 1, 2, а общая точка упомянутых транзисторов и обратных диодов объединена с общей точкой тиристоров 1, 2. Как и прототип, система управления устройством содержит типовую систему импульсно-фазового управления 15 тиристорами 1, 2, автогенератор 16 и элемент сравнения 17, отличающиеся от аналогичных блоков прототипа (фиг.1) лишь нумерацией.

К одному из входов системы импульсно-фазового управления 15 подключен выход автогенератора 16, а второй вход соединен с элементом сравнения 17, к входам которого по принципу отрицательной обратной связи подключен сигнал задания U₃ и сигнал обратной связи по току U_ф с выхода упомянутого амплитудного селектора 10. Дополнительно в систему управления устройством введены типовая система широтно-импульсного управления 18 транзисторами 11, 12 транзисторного полумоста и логическая схема в составе двух компараторов 19, 20 и четырех ключей 21, 22, 23, 24. Входы компараторов 19, 20 взаимно-инверсно связаны с источником эталонного напряжения U_э и выходом U_ф амплитудного селектора 10. Выход первого компаратора 19 подключен к управляющим входам ключей 21, 22, включенных между выходами типовой системы импульсно-фазового управления 15 и соответствующими управляющими входами тиристоров 1, 2 тиристорного полумоста, а выход второго компаратора 20 подключен к управляющим входам двух других ключей 23, 24, включенных между выходами типовой системы широтно-импульсного управления 18 и соответствующими управляющими входами транзисторов 11, 12 транзисторного полумоста.

Устройство функционирует следующим образом. Пусть сетевой блок питания (на фиг.2 не показан) включен в сеть и на систему управления также подано напряжение. Тогда при выключенной нагрузке 7 (холостой ход) конденсаторы 3, 4 заряжаются каждый до половины напряжения на выходе сетевого блока, т.е. до U_П/2 (фиг. 2). Импульсы с автогенератора 16 с постоянной частотой поступают на входы блоков 15 и 18, где в соответствии с величиной сигнала задания U₃ и сигнала обратной связи U_ф они преобразуются в импульсы заданной фазы на выходе блока 15 и заданной длительности ("ширины") на выходе блока 18. При холостом ходе сигнал U_ф=0, поэтому входное напряжение компаратора 19 ΔU=U_ф-U_э отрицательно, на выходе компаратора 19 логический нуль и ключи 21, 22 заперты. Соответственно заперты тиристоры 1, 2 тиристорного полумоста. В то же время на входе компаратора 20 ΔU=U_э-U_ф положительно, поэтому на выходе компаратора 20 есть логическая единица и импульсы с блока 18 отпирают транзисторы 11, 12 транзисторного полумоста. Схема "работает" как обычный полумостовой транзисторный инвертор. При увеличении тока нагрузки до I_д=I_кр (см. фиг.3, диаграмма 3.1) амплитуда напряжения на каждом из конденсаторов 3 и 4 достигает величины U_П (фиг.2), т.к. каждый конденсатор успевает полностью разрядится за рабочий полупериод. Если нагрузка имеет выпрямитель, то внешняя характеристика (фиг.3, диаграмма 3.1) на участке от нулевого до критического тока горизонтальна (импеданс устройства для простоты принят равным нулю), а межимпульсное "расстояние" τ (фиг.3, диаграмма 3.2), равное времени восстановления запирающих свойств транзисторов 11, 12, обеспечивается типовой системой широтно-импульсного регулирования 18 [2].

При дальнейшем увеличении тока нагрузки пауза между импульсами напряжения и тока на трансформаторе начинает увеличиваться (фиг.3, диаграмма 3.3) и становится больше времени, необходимого для выключения тиристоров 1, 2 (фиг.3, диаграмма 3.3, t>t_в). Параметры схемы выбраны так, что при этом U_э становится меньше U_ф, поэтому компараторы 19, 20 переключаются: на выходе компаратора 19 появляется логическая единица, а на выходе компаратора 20 - логический нуль. В результате транзисторный полумост выключается, а тиристорный полумост начинает работать. Коммутация тиристоров 1, 2 происходит естественным путем, т.к. пауза между выключением при спаде тока одного и включением другого больше времени t_в (фиг.3, диаграмма 3.3), необходимого для восстановления запирающих свойств тиристора. При спаде тока нагрузки происходит аналогично описанному, но в обратном порядке, переключение с тиристорного полумоста на транзисторный полумост.

Поскольку критический ток составляет не более (25÷30)% от номинального тока нагрузки, транзисторы могут быть выбраны на сравнительно небольшой относительный ток и диапазон мощности устройства может быть расширен в (3÷4) раза по сравнению с транзисторными инверторами.

Для уменьшения энергии размагничивания и, соответственно, длительности разряда электромагнитной энергии трансформатор 6 целесообразно выполнять на сердечнике с прямоугольной петлей гистерезиса, например, на сердечнике из "мопермаллоя" (анизотропное железо).

Таким образом, технический результат, т.е. обеспечение работоспособности полумостового тиристорного инвертора во всем диапазоне нагрузок, достигнут. Расширен также в (3÷4) раза диапазон выходной мощности инвертора по сравнению с транзисторным инвертором.

Источники информации

1. Р.Севернс, Г.Блум "Импульсные преобразователи постоянного напряжения для систем вторичного электропитания". М.: Энергоатомиздат. 1988 г., рис.4.3.а, стр.76.

2. В.А.Прянишников. "Электроника", С.-Петербург, 1988 г., 400 с.

3. "Invertec-V-130-S-Lincoln" - США, каталог 1998-1999 гг.

4. Патент РФ №2233536. "Однофазный нерегулируемый транзисторный инвертор". Л.Т.Магазинник, Г.Г.Магазинник, В.П.Шингаров. Опубл. 27.07.2004 г., БИ №21.

5. В.С.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. "Преобразовательная техника", Киев: Вища школа, 1978 г., 424 с., рис.5.19в, стр.290.

Однофазный полумостовой тиристорный инвертор, содержащий в силовой цепи полумост в виде двух последовательно соединенных тиристоров и полумост из двух последовательно соединенных конденсаторов, образующих совместно с тиристорным полумостом мост, подключенный диагональю постоянного тока к сетевому блоку питания, а диагональю переменного тока к нагрузке трансформаторного типа, состоящей из трансформатора с прямоугольной петлей гистерезиса и собственно нагрузки, подключенной к вторичной обмотке трансформатора, причем последовательно с нагрузкой включен датчик тока, к его выходу подключен амплитудный селектор, а система управления содержит типовую систему импульсно-фазового управления тиристорами, к одному из входов которой подключен выход автогенератора, а второй вход соединен с выходом элемента сравнения, к входам упомянутого элемента сравнения по принципу отрицательной обратной связи подключен сигнал задания и сигнал обратной связи по току с выхода амплитудного селектора, отличающийся тем, что в силовую часть схемы дополнительно введен полумост из двух последовательно соединенных транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, упомянутый транзисторный полумост подключен параллельно тиристорному полумосту, общая точка транзисторов и обратных диодов связана с общей точкой тиристоров, а в систему управления введена дополнительно типовая система широтно-импульсного управления транзисторами упомянутого транзисторного полумоста и логическая схема в составе двух компараторов и четырех ключей, причем входы компараторов взаимно инверсно связаны с источником эталонного напряжения и выходом амплитудного селектора, выход первого компаратора подключен к управляющим входам двух ключей, включенных между выходами типовой системы импульсно-фазового управления и соответствующими управляющими входами тиристоров тиристорного полумоста, а выход второго компаратора подключен к управляющим входам двух других ключей, включенных между выходами типовой системы широтно-импульсного управления и соответствующими управляющими входами транзисторов транзисторного полумоста.