Преобразователь постоянного напряжения в переменное
Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования постоянного напряжения в высокочастотное переменное, и может быть использована в технологических процессах, в частности для индукционного нагрева. Технический результат заключается в улучшении массогабаритных показателей и улучшении возможности регулирования выходной мощности преобразователя. Преобразователь содержит источник постоянного напряжения, активный инвертор напряжения на ключах с двусторонней проводимостью и индуктор. При этом источник постоянного напряжения подключен к входу инвертора, а к его выходу подключен индуктор. Введены компенсирующий инвертор тока на ключах с односторонней проводимостью и компенсирующий фильтр, причем компенсирующий фильтр подключен к входу компенсирующего инвертора тока, а выходная цепь компенсирующего инвертора тока подключена к индуктору. 3 ил.
Предлагаемое изобретение относится к полупроводниковым преобразователям электрической энергии, предназначенным для преобразования постоянного напряжения в высокочастотное переменное, и может быть использовано в технологических процессах, в частности для индукционного нагрева.
Известен преобразователь постоянного напряжения в переменное (Основы преобразовательной техники, И.М.Чиженко, B.C.Руденко, В.И.Сенько, Москва, «Высшая школа», 1974, стр.224.), который содержит источник постоянного напряжения, параллельный инвертор тока с компенсирующим конденсатором, который включен параллельно нагрузке (в качестве которой может быть и индуктор) и компенсирует индуктивную составляющую тока нагрузки.
Поскольку в реальных индукторах низкий cosϕ, примерно равный 0,05÷0,07, то величина емкости данного конденсатора довольно большая, а соответственно имеет место высокая стоимость и значительные габариты преобразователя в целом.
Кроме того, известен преобразователь постоянного напряжения в переменное («Современные энергосберегающие электротехнологии», Издательство СПб ГЭТУ «ЛЭТИ», 2000 г., стр.227), являющийся прототипом, содержащий источник постоянного напряжения, активный инвертор напряжения на ключах с двусторонней проводимостью, индуктор, конденсатор, при этом вход инвертора подключен к источнику постоянного напряжения, а к выходу инвертора подключен индуктор, параллельно которому подключен конденсатор. Конденсатор предназначен для компенсации индуктивной составляющей тока нагрузки.
Недостатком является то, что величина напряжения на индукторе зависит от соотношения активного сопротивления и индуктивности индуктора и может быть больше напряжения на активном сопротивлении в 5÷10 раз, что приводит к увеличению массогабаритных показателей преобразователя в целом.
Задачей предлагаемого изобретения является создание преобразователя постоянного напряжения в переменное с улучшенными массогабаритными показателями.
Поставленная задача достигается тем, что в преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий источник постоянного напряжения, активный инвертор напряжения на ключах с двусторонней проводимостью и индуктор, при этом вход инвертора подключен к источнику постоянного напряжения, а к выходу инвертора подключен индуктор, введены дополнительно компенсирующий инвертор тока на ключах с односторонней проводимостью и компенсирующий фильтр, причем компенсирующий фильтр подключен к входу компенсирующего инвертора, а выходная цепь компенсирующего инвертора подключена к индуктору.
На фиг.1 приведен возможный вариант схемы предлагаемого изобретения с инверторами, выполненными по однофазным мостовым схемам. Преобразователь постоянного напряжения в переменное содержит источник постоянного напряжения 1, активный инвертор 2, выполненный, например, по однофазной мостовой схеме на ключах 3÷6, вход которого соединен с источником постоянного напряжения, а к выходу подключен индуктор 7 и выход компенсирующего инвертора тока 8, собранного, например, по однофазной мостовой схеме на ключах с односторонней проводимостью 9÷12, к входу которого подключен компенсирующий фильтр 13, например, выполненный на реакторе 14.
На фиг.2 приведен другой возможный вариант схемы предлагаемого изобретения с инверторами, выполненными таким образом: активный инвертор напряжения 2 фиг.1 выполнен по полумостовой схеме, а компенсирующий инвертор тока 8 выполнен по пушпульной (двухтактной) схеме с автотрансформатором AT на выходе. Транзисторный ключ в общем случае дополнен последовательно включенным диодом для предотвращения попадания на транзистор напряжения обратной полярности. Ключ с двусторонней проводимостью в активном инверторе напряжения выполнен на транзисторе, шунтированном диодом. Диод обеспечивает протекание реактивного тока нагрузки при закрытом транзисторе.
На фиг.3 приведен еще один возможный вариант схемы предлагаемого изобретения с инверторами: активный инвертор напряжения 2 выполнен по двухтактной (пушпульной) схеме с выходным трансформатором, а компенсирующий инвертор тока 8 выполнен по полумостовой схеме без источника питания в звене постоянного тока, как и в предыдущих вариантах компенсирующих инверторов, но с компенсирующим фильтром 13 в виде реактора с выводом нулевой точки. Последнее обстоятельство говорит о возможном различии в выполнении компенсирующего фильтра, поэтому в приведенной формуле изобретения тип этого фильтра также не оговаривается.
Из приведенных схем инверторов очевидно, что возможны еще два варианта сочетания видов выполнения инверторов в заявленном преобразователе. Это четвертый вариант, когда оба инвертора выполнены по полумостовым схемам. Это пятый вариант, когда оба инвертора выполнены по двухпульсным схемам.
Устройство по фиг.1 работает следующим образом. Постоянное напряжение подается на вход активного инвертора напряжения 2, выполненного, например, на полностью управляемых ключах 3-6 с двусторонней проводимостью. Под полностью управляемым ключом с двусторонней проводимостью понимается ключ, выполненный на транзисторе с антипараллельным включением диода. Кривая выходного напряжения активного инвертора 2 формируется, например, методом синусоидальной широтно-импульсной модуляции. Это напряжение поступает на индуктор 7 и параллельно включенный ему компенсирующий инвертор тока 8 (собранный на однонаправленных ключах, например на транзисторах 9-12).
Кривая выходного тока компенсирующего инвертора тока 8 формируется (например, с помощью синусоидальной ШИМ) с фазой, опережающей напряжение активного инвертора 2 на четверть периода выходного напряжения инвертора.
Величина выходного тока компенсирующего инвертора тока 8 должна быть равна реактивной составляющей тока индуктора 7. Тогда активный инвертор будет разгружен от реактивного тока индуктора, и через его ключи будет протекать только активная составляющая тока индуктора.
Компенсирующий инвертор тока 8 является поставщиком реактивной мощности в индуктор, а активный инвертор напряжения 2 - поставщиком активной мощности. То есть компенсирующий инвертор тока (емкостного тока) выполняет роль регулируемого конденсатора квазиколебательной цепи результирующей нагрузки активного инвертора.
Это позволяет уменьшить или совсем исключить конденсатор схемы прототипа, что улучшает массогабаритные показатели предлагаемого устройства по сравнению с прототипом. Это обусловлено тем, что массогабаритные показатели транзисторного компенсирующего инвертора с компенсирующим индуктивным фильтром 13 лучше, чем у конденсатора колебательного контура схемы прототипа.
Кроме того, дополнительно улучшаются возможности регулирования выходной мощности преобразователя за счет регулирования выходного напряжения активного инвертора 2 за счет широтно-импульсной модуляции.
Аналогично работает устройство, показанное на фиг.2. Попеременным включением транзисторов активного инвертора напряжения формируется двухполярное прямоугольное напряжение на индукторе. Попеременным включением транзисторов компенсирующего инвертора тока со сдвигом на четверть периода по отношению к транзисторам активного инвертора напряжения на выходе автотрансформатора инвертора тока формируется двуполярный прямоугольный ток, сдвинутый на 90 в сторону опережения относительно напряжения на индукторе.
Подобным образом работает устройство, показанное на фиг.3. Активный инвертор напряжения 2 по двухтактной (пушпульной) схеме с выходным трансформатором формирует в простейшем случае на выходной обмотке трансформатора прямоугольное напряжение, питающее индуктор 7. Полумостовой компенсирующий инвертор тока 8 формирует двуполярный прямоугольный ток, сдвинутый на 90° в сторону опережения относительно напряжения на индукторе. Небольшое отклонение фазы тока компенсатора от 90° обеспечивает регулирование величины этого тока за счет регулирования величины выпрямленного полумостовой схемой того напряжения (а значит и выпрямленного тока), которое приложено к компенсирующему фильтру 13, выполненному здесь на реакторе с выведенной средней точкой.
Компенсирующий инвертор тока 8 является поставщиком реактивной мощности в индуктор, а активный инвертор напряжения 2 - поставщиком активной мощности. То есть компенсирующий инвертор тока (емкостного тока) выполняет роль регулируемого конденсатора квазиколебательной цепи результирующей нагрузки активного инвертора. Электронный способ регулирования реактивной мощности для индуктора позволяет сохранять постоянной частоту напряжения индуктора, что может дать дополнительные технологические возможности индукционному нагреву.
Это позволяет уменьшить или совсем исключить конденсатор схемы прототипа, что улучшает массогабаритные показатели предлагаемого устройства по сравнению с прототипом. Это обусловлено тем, что массогабаритные показатели транзисторного компенсирующего инвертора с компенсирующим индуктивным фильтром 13 лучше, чем у конденсатора колебательного контура схемы прототипа.
Кроме того, дополнительно улучшаются возможности регулирования выходной мощности преобразователя за счет регулирования выходного напряжения активного инвертора 2 за счет широтно-импульсной модуляции.
Преобразователь постоянного напряжения в переменное, содержащий источник постоянного напряжения, активный инвертор напряжения на ключах с двухсторонней проводимостью и индуктор, при этом вход инвертора подключен к источнику постоянного напряжения, а к выходу инвертора подключен индуктор, отличающийся тем, что в него введены дополнительно компенсирующий инвертор тока на ключах с односторонней проводимостью и компенсирующий фильтр, причем компенсирующий фильтр подключен к входу компенсирующего инвертора, а выходная цепь компенсирующего инвертора подключена к индуктору.
