Полумостовой тиристорный инвертор

Изобретение относится к области электротехники. Техническим результатом является устранение дополнительных потерь энергии в блоке коммутации, обеспечение постоянства амплитуды напряжения на нагрузке при регулировании и упрощение. В диагональ переменного тока полумостового тиристорного инвертора включен трансформатор. Вторичная обмотка трансформатора через диодный мост подключена к нагрузке постоянного тока. Параллельно основному полумостовому тиристорному инвертору в диагональ постоянного тока включен дополнительный полумостовой тиристорный инвертор с конденсаторами на порядок меньшей емкости, чем у основного. В диагональ переменного тока дополнительного инвертора включена дополнительная обмотка трансформатора с числом витков, меньшим, чем у его первичной обмотки. Инвертор управляется от типовой схемы широтно-импульсного регулирования в широком диапазоне нагрузок. 3 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к полумостовым инверторам с трансформаторной нагрузкой в диагонали переменного тока.

Полумостовые инверторы широко применяются в различных электроустановках и в «классическом» варианте [1] представляют собой полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и полумост из двух последовательно соединенных конденсаторов. Диагональ переменного тока обычно нагружена на трансформатор, а диагональ постоянного тока подключена к источнику питания. Простота схемы и отсутствие постоянной составляющей в диагонали переменного тока - главные достоинства таких инверторов. Однако замена в полумосте транзисторов на тиристоры [1, 2] имеет свои недостатки: тиристорный полумостовой инвертор работоспособен в ограниченном диапазоне нагрузок, а его регулирование возможно лишь частотно-импульсным способом.

Для устранения отмеченных недостатков полумостовой тиристорный инвертор, в диагональ переменного тока которого включен трансформатор, а вторичная обмотка этого трансформатора подключена через диодный мост к нагрузке постоянного тока, снабжен дополнительным блоком коммутации, позволяющим осуществлять предварительный перезаряд входящего в этот блок дозирующего конденсатора и таким образом осуществлять регулирование полумостового тиристорного инвертора в широком диапазоне нагрузок с помощью типовой системы широтно-импульсного регулирования, замкнутой по току нагрузки [3, стр.79, рис.3.10].

Упомянутый полумостовой тиристорный инвертор является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг.1. Устройство содержит в силовой части полумостовой тиристорный инвертор в виде двух тиристоров 1, 2 и двух конденсаторов 3, 4, дополнительный блок коммутации 5 в составе двух встречно-параллельно соединенных тиристоров 6, 7, двух согласно последовательно соединенных тиристоров 8, 9, двух обратных диодов 10, 11, дозирующего конденсатора 12 и двух последовательно соединенных индуктивностей 13, 14, причем в диагональ переменного тока полумостового тиристорного инвертора 1, 2, 3, 4 включена последовательно с упомянутыми встречно-параллельно соединенными тиристорами 6, 7 первичная обмотка 15 трансформатора 16, вторичная обмотка 17 которого через диодный мост 18 подключена к нагрузке постоянного тока 19, последовательно с датчиком тока 20. В упомянутом дополнительном блоке коммутации 5 между общей точкой тиристоров 8, 9 и общей точкой тиристоров 1, 2 полумостового тиристорного инвертора включен дозирующий конденсатор 12, анод обратного диода 10 объединен с анодом тиристора 8, катод обратного диода 11 объединен с катодом тиристора 9, между точками их объединения включены последовательно соединенные индуктивности 13 и 14, их общая точка связана с общей точкой первичной обмотки 15 трансформатора 16 и общей точкой встречно-параллельно соединенных тиристоров 6, 7.

Система управления представляет собой типовую систему широтно-импульсного регулирования и содержит генератор импульсов 21, выход которого связан с соответствующими управляющими входами тиристоров 6, 7, 8, 9 дополнительного блока коммутации 5 и с одним из входов широтно-импульсного модулятора 22, выход которого подключен к соответствующим управляющим входам тиристоров 1, 2 полумостового тиристорного инвертора. Система управления замкнута по току нагрузки выходным сигналом с датчика тока 20, подключенным к входу автоматического регулятора 23, на второй вход которого подключен сигнал задания тока U₃, а выход соединен со вторым входом широтно-импульсного модулятора 22. В [3] приведена аппаратная форма реализации описанной системы управления, а в [4] современная форма - на микроконтроллере.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата, относится следующее.

1. Контур предварительного перезаряда дозирующего конденсатора 12 (фиг.1) содержит цепь из последовательно соединенных тиристоров индуктивности и собственно дозирующего конденсатора 12. Например: плюс конденсатора 12 - тиристор 6 - индуктивность 13 - тиристор 8 - минус конденсатора 12. Это создает дополнительные потери энергии.

2. В процессе регулирования амплитуда напряжения на обмотках трансформатора 16 и, соответственно, на нагрузке 19 изменяется от нуля до напряжения питания. Уменьшение амплитуды напряжения при регулировании затрудняет ионизацию и возбуждение дуги, если, например, нагрузкой является электрическая дуга [5].

3. Схема дополнительного блока коммутации сложна.

Технический результат - устранение дополнительных потерь энергии в блоке коммутации, обеспечение постоянства амплитуды напряжения на нагрузке при регулировании и упрощение дополнительного блока коммутации.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем в силовой части полумостовой тиристорный инвертор, дополнительный блок коммутации, трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ переменного тока упомянутого полумостового тиристорного инвертора, а вторичная обмотка через диодный мост подключена к нагрузке постоянного тока, включенной последовательно с датчиком тока, а также содержащем типовую систему широтно-импульсного регулирования в составе генератора импульсов, связанного с одним из входов широтно-импульсного модулятора, и автоматического регулятора, причем упомянутая типовая система широтно-импульсного регулирования замкнута по току нагрузки выходным сигналом датчика тока, связанным с одним из входов автоматического регулятора, на второй вход которого подключен сигнал задания тока, а выход соединен со вторым входом широтно-импульсного регулятора, УПОМЯНУТЫЙ ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ БЛОК КОММУТАЦИИ выполнен в виде дополнительного полумостового тиристорного инвертора, включенного диагональю постоянного тока параллельно полумостовому тиристорному инвертору, и имеющего конденсаторы на порядок меньшей емкости, чем у полумостового тиристорного инвертора, причем в диагональ переменного тока дополнительного полумостового тиристорного инвертора включена дополнительная обмотка упомянутого трансформатора с числом витков, меньшим, чем у первичной обмотки, а в типовой системе широтно-импульсного регулирования выход генератора импульсов, связанный с входом широтно-импульсного модулятора, подключен также к соответствующим управляющим входам тиристоров полумостового тиристорного инвертора, а выход широтно-импульсного модулятора подключен к соответствующим управляющим входам тиристоров дополнительного полумостового тиристорного инвертора.

Это позволило исключить из схемы контур предварительного перезаряда дозирующего конденсатора вместе с дозирующим конденсатором, функцию дозирующего конденсатора перенести на конденсаторы полумостового тиристорного инвертора, уменьшив, таким образом, потери и упростив схему. Кроме того, в предложенном устройстве при изменении средневыпрямленного напряжения на нагрузке его амплитуда остается неизменной и несколько большей, чем напряжение питания. Технический результат достигнут.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.2 представлена схема устройства, а на фиг.3 - диаграммы тока и напряжения. Устройство содержит в силовой части полумостовой тиристорный инвертор в составе конденсаторов 1, 2 и тиристоров 3, 4, дополнительный блок коммутации, представляющий собой дополнительный полу мостовой тиристорный инвертор в составе конденсаторов 5, 6 на порядок меньшей емкости, чем конденсаторы 1, 2, и тиристоров 7, 8, включенный диагональю постоянного тока параллельно полумостовому тиристорному инвертору 1, 2, 3, 4, трансформатор 9, первичная обмотка 10 которого включена в диагональ переменного тока полумостового инвертора 1, 2, 3, 4, а вторичная обмотка 11 через диодный мост 12 подключена к нагрузке 13 постоянного тока, включенной последовательно с датчиком тока 14. Кроме того, трансформатор 9 снабжен дополнительной обмоткой 15, включенной в диагональ переменного тока дополнительного полумостового тиристорного инвертора 5, 6, 7, 8 и имеющей число витков меньшее, чем число витков первичной обмотки 10 трансформатора 9. Система управления представляет собой типовую систему широтно-импульсного регулирования и состоит из генератора импульсов 16, связанного с одним из входов широтно-импульсного модулятора 17. Кроме того, в состав типовой системы широтно-импульсного регулирования входит автоматический регулятор 18, причем упомянутая типовая система широтно-импульсного регулирования замкнута по току нагрузки выходным сигналом датчика тока 14, связанным с одним из входов автоматического регулятора 18, на второй вход которого подключен сигнал задания тока U₃, а выход автоматического регулятора 18 соединен со вторым входом широтно-импульсного модулятора 17. Выход упомянутого генератора импульсов 16 связан, кроме одного из входов широтно-импульсного модулятора 17, с соответствующими управляющими входами тиристоров 3, 4 полумостового тиристорного инвертора, а выход широтно-импульсного модулятора связан с соответствующими управляющими входами тиристоров 7, 8, входящих в дополнительный полумостовой тиристорный инвертор 5, 6, 7, 8.

Устройство (фиг.2) функционирует следующим образом. Пусть сигнал задания тока U₃ равен нулю, и соответственно сдвиг отпирающих импульсов тока i₂ относительно отпирающих импульсов тока i₁ равен нулю (диаграмма 1 на фиг.3). Тогда, например, на тиристор 3 полумостового тиристорного инвертора 1, 2, 3, 4 и на тиристор 7 дополнительного полумостового тиристорного инвертора 5, 6, 7, 8 отпирающие импульсы тока приходят одновременно. Но при отсутствии тока в нагрузке 13 (фиг.2) напряжение на каждом из конденсаторов 1 и 2 близко к U/2, тогда как конденсаторы 5, 6 в силу своей малой емкости в каждом цикле разряжаются до нуля и заряжаются током холостого хода через дополнительную обмотку 15 трансформатора 9 до напряжения, практически равного U. Поэтому в рассматриваемый «нулевой» момент времени на дополнительной обмотке 15 трансформатора 9 окажется напряжение U, на первичной обмотке 10 окажется напряжение большее, чем U, так как число витков дополнительной обмотки 15 меньше, чем первичной обмотки 10 и на вторичной обмотке 11, а также на нагрузке 13 будет напряжение (U+ΔU)/К, где К - коэффициент трансформации (обычно К≫1), равный отношению числа витков первичной обмотки 10 к числу витков вторичной обмотки 11 трансформатора 9, ΔU обусловлено тем, что число витков дополнительной обмотки 15 меньше, чем первичной обмотки 10. Очевидно, что тиристор 3 полумостового тиристорного инвертора не включается, а через тиристор 7 дополнительного полумостового тиристорного инвертора будет разряжаться конденсатор 5 этого инвертора. Если индуктивность в цепи нагрузки 13 достаточно велика, то ток за межкоммутационный интервал постоянен и напряжение на нагрузке 13 иллюстрируется диаграммой 2 (фиг.3), где t_в - время восстановления запирающих свойств тиристоров 7 или 8 дополнительного полумостового тиристорного инвертора. В следующем цикле картина повторяется.

Если задание тока U₃ увеличится, то в широтно-импульсном модуляторе произойдет сдвиг по времени тока i₂ относительно тока i₁ на время t₁ (диаграмма 3 на фиг.3). Соответственно включение тиристоров 7 или 8 дополнительного полумостового инвертора 5, 6, 7, 8 произойдет через время t₁, а в течение времени 0÷t₁ через первичную обмотку 10 трансформатора 9 будет разряжаться конденсатор 1 или 2 полумостового тиристорного инвертора 1, 2, 3, 4 и напряжение на нагрузке будет иметь вид, показанный на диаграмме 4 фиг.3. Дальнейшее увеличение тока иллюстрируется диаграммами 5 и 6 (фиг.3). На диаграмме 7 (фиг.3) ток нагрузки достигает «критического» значения, при котором конденсаторы 1 и 2 полностью разряжаются за цикл, а начальное напряжение на них равно U. Дальнейшее увеличение тока возможно только при уменьшении средневыпрямленного напряжения по закону Р_d=I_d·U_d=const, где P_d - мощность, U_d - средневыпрямленное напряжение, I_d - ток нагрузки. Когда ток I_d достигает предельно допустимого, полярность рассогласования на входе автоматического регулятора 18 (фиг.2) меняется и схема переходит в режим токоограничения (диаграмма 8 на фиг.3), когда, как и при холостом ходе, сдвиг между токами i₁ и i₂ равен нулю, включаются поочередно только тиристоры 7 и 8, но разряд конденсаторов 5, 6 происходит за малое время, необходимое для запирания тиристоров 3, 4 полумостового тиристорного инвертора. Наличие избыточного «гасящего» напряжения ΔU способствует форсированному запиранию тиристоров 3 и 4 в процессе работы устройства, а также облегчает «поджиг» и стабилизацию горения электрической дуги, если нагрузкой устройства является дуговой промежуток.

Таким образом, как широтно-импульсное регулирование в широком диапазоне нагрузок, так и облегчение ионизации дугового промежутка достигнуты при существенном упрощении устройства по сравнению с прототипом и уменьшении потерь энергии.

Источники информации

1. Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1983.

2. Лайер В.П., Мишин В.Н. Сравнение импульсных тиристорных преобразователей с последовательной емкостной коммутацией. «Электротехническая промышленность», сер. «Преобразовательная техника», 1974, вып.5 (52), с.18-20.

3. О.Г.Булатов и др. Тиристорно-конденсаторные источники питания для электротехнологических установок. - М.: «Энергоатомиздат», 1989, с.79, рис.3.10.

4. В.А.Прянишников. Электроника. С.-Петербург, «Корона принт», 1998.

5. «Invertec» - V - 130 - S - Lincoln, США (каталог) 1998 г.

Полумостовой тиристорный инвертор, содержащий в силовой части дополнительный блок коммутации, трансформатор, первичная обмотка которого включена в диагональ переменного тока упомянутого полумостового тиристорного инвертора, а вторичная обмотка через диодный мост подключена к нагрузке постоянного тока, включенной последовательно с датчиком тока, а также содержащий типовую систему широтно-импульсного регулирования в составе генератора импульсов, связанного с одним из входов широтно-импульсного модулятора, и автоматического регулятора, причем упомянутая система широтно-импульсного регулирования замкнута по току нагрузки выходным сигналом датчика тока, связанным с одним из входов автоматического регулятора, на второй вход которого подключен сигнал задания тока, а выход соединен со вторым входом широтно-импульсного модулятора, отличающийся тем, что упомянутый дополнительный блок коммутации выполнен в виде дополнительного полумостового тиристорного инвертора, включенного диагональю постоянного тока параллельно полумостовому тиристорному инвертору и имеющего конденсаторы на порядок меньшей емкости, чем у полумостового тиристорного инвертора, причем в диагональ переменного тока дополнительного полумостового тиристорного инвертора включена дополнительная обмотка упомянутого трансформатора с числом витков меньшим, чем у первичной обмотки, а в типовой системе широтно-импульсного регулирования выход генератора импульсов, связанный с входом широтно-импульсного модулятора, подключен также к соответствующим управляющим входам тиристоров полумостового тиристорного инвертора, а выход широтно-импульсного модулятора подключен к соответствующим управляющим входам тиристоров дополнительного полумостового тиристорного инвертора.