Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (варианты)

Изобретения относятся к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники для преобразователей низкой частоты. В устройстве по первому варианту благодаря введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей управляющих импульсов соответствующего канала управления ключами с выходными импульсами различной длительности, обеспечивается технический результат - упрощается схема и повышается надежность однофазного мостового АИН. В устройстве по второму варианту благодаря выполнению вторых формирователей управляющих импульсов каждого канала управления ключами с двумя входами - запускающим и регулирующим, введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей соответствующего канала с выходными импульсами различной длительности, а также введению регулирующего органа, выход которого подключен к регулирующему входу второго формирователя каждого канала достигается возможность регулирования выходного напряжения однофазного мостового АИН при упрощении схемы и повышении надежности устройства в целом. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретения относятся к электротехнике, в частности к области преобразовательной техники для преобразователей низкой частоты.

Известен однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (далее АИН), выполненный на базе двухоперационных запираемых тиристорных ключей с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненным на выпрямителе с конденсаторным фильтром (Руденко B.C., Сенько В.И., Чиженко И.М. «Основы преобразовательной техники». / М.: Высшая школа, 1980, с.237-240). Преобразование постоянного напряжения в переменное для питания активно-индуктивной нагрузки заданной частоты происходит за счет переключения диагонально расположенных пар ключей импульсами, смещенными на 180° эл. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки сбрасывается в батарею конденсаторов источника постоянного напряжения. Емкость батареи конденсаторов С достигает большой величины, особенно при низких частотах f и больших токах АИН:

,

где:

I - ток нагрузки;

t≡1/f - время протекания тока через батарею конденсаторов;

ΔU - допустимая величина перенапряжения на конденсаторах.

При токе в несколько сотен ампер и малых частотах f (менее 5 Гц) емкость батареи конденсаторов может достигать величин фарад.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является однофазный мостовой АИН, выполненный на однооперационных тиристорных ключах, с активно-индуктивной нагрузкой и двухканальной системой управления СУ (Розанов Ю.К. «Основы силовой электроники». / М.: Энергоатомиздат, 1992, с.235-237). Работа устройства основана на широтно-импульсном регулировании ключей VS1-VS4, которые зашунтированы обратными диодами VD1-VD4, и подключены по входу АИН к источнику постоянного напряжения Ud, который при питании от сети переменного тока состоит из выпрямителя с параллельным конденсатором. Пары тиристоров VS1, VS4 и VS3, VS2 переключаются противофазными импульсами с частотой f с помощью вспомогательных коммутирующих тиристоров VS1′-VS4′ и реактивных элементов Ск, Lк, которые могут быть исключены, например, при использовании полностью управляемых тиристоров и транзисторов.

В устройстве также содержатся задающие генераторы ЗГ1 ЗГ2, управляющие фазосдвигающие устройства ФУ, ФУ1-ФУ4, пересчетно-распределительные устройства ПРУ1, ПРУ2, формирователи выходных импульсов для тиристорных ключей ФИ1-ФИ4 и ФИ1′-ФИ4′.

Недостатками прототипа являются:

- необходимость в батарее конденсаторов больших габаритных размеров и с большими величинами емкости для сброса реактивной энергии нагрузки при выполнении источника постоянного напряжения Ud в виде выпрямителя;

- сложность системы управления.

Технический результат заявляемых вариантов однофазного мостового АИН - упрощение схемы и повышение надежности устройства за счет исключения конденсатора в источнике постоянного напряжения и упрощения системы управления.

Технический результат по первому варианту устройства достигается тем, что в однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, введен генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ2 второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ1 первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.

Технический результат по второму варианту устройства достигается тем, что в однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, введены генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, регулирующий орган, выход которого подключен к дополнительно введенному регулирующему входу второго формирователя каждого канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ2 второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ1 первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.

Сущностью заявляемого изобретения по первому варианту является то, что благодаря введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей управляющих импульсов соответствующего канала управления ключами с выходными импульсами различной длительности, упрощается схема и повышается надежность однофазного мостового АИН.

Сущностью устройства по второму варианту является то, что благодаря выполнению вторых формирователей управляющих импульсов каждого канала управления ключами с двумя входами - запускающим и регулирующим, введению генератора тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам первого и второго формирователей соответствующего канала с выходными импульсами различной длительности, а также введению регулирующего органа, выход которого подключен к регулирующему входу второго формирователя каждого канала достигается возможность регулирования выходного напряжения однофазного мостового АИН при упрощении схемы и повышении надежности устройства в целом.

На фиг.1 приведена схема заявляемого однофазного мостового АИН по первому варианту, на фиг.2 - схема по второму варианту, на которых приняты следующие обозначения:

1 - выпрямитель;

Ud - среднее значение выходного напряжения выпрямителя 1;

2 - мостовой преобразователь;

3, 4, 7, 8 - диоды;

5, 6, 9, 10 - транзисторные ключи;

11 - активно-индуктивная нагрузка;

u, i - соответственно напряжение и ток на нагрузке 11;

12 - система управления;

13 - генератор тактовых импульсов с двумя выходами противофазных импульсов с частотой f;

14, 15 - два идентичных канала управления ключами 5, 6 и 9, 10;

16 - первый формирователь управляющих импульсов ФИ1 длительностью τ1;

17 - второй формирователь управляющих импульсов ФИ2 длительностью τ2;

18 - регулирующий орган (только для схемы по второму варианту).

На фиг.3 даны диаграммы заявляемых устройств, где приняты следующие обозначения:

диаграмма а) - противофазные тактовые импульсы ТИ1 и ТИ2 в каналах 14, 15 на выходах генератора 13 с частотой f по фиг.1, 2;

диаграмма б) - диаграмма работы АИН:

u(t) - напряжение на нагрузке;

Im - амплитудное значение тока нагрузки;

диаграмма в) - проводящие ток элементы АИН;

диаграмма г) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями τ1 и τ2, получаемых от формирователей импульсов 16, 17 канала 14 и поступающих на соответствующие ключи 5, 10;

Δt - задержка («мертвое» время длительностью несколько микросекунд), исключающая одновременную работу двух ключей (5, 6 и 9, 10) при их переключении и закорачивание выпрямителя 1 (фиг.1, 2).

диаграмма д) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями τ1 и τ2, получаемых от формирователей импульсов 16, 17 канала регулирования 15 и поступающих на соответствующие ключи 9, 6.

Однофазный мостовой АИН по первому варианту содержит выпрямитель 1, мостовой преобразователь 2, состоящий из диодов 3, 4, включенных параллельно соответствующим транзисторным ключам 5, 6 и диодов 7, 8, подключенных к транзисторным ключам 9, 10, между указанными парами транзисторных ключей включена цепь активно-индуктивной нагрузки 11. Управление указанными транзисторными ключами осуществляется системой управления 12, содержащей генератор противофазных тактовых импульсов 13 с частотой f и два идентичных канала регулирования ключами 14, 15, в каждом из которых имеются формирователи импульсов: 16 - первый формирователь управляющих импульсов ФИ1 длительностью τ1 с запускающим входом, 17 - второй формирователь управляющих импульсов ФИ2 длительностью τ2 с запускающим входом. Запускающие входы формирователей управляющих импульсов 16, 17 соединены между собой и подключены соответственно к первому и второму выходам генератора тактовых импульсов 13, выходы формирователей управляющих импульсов 16, 17 в обоих каналах управления 14, 15 подключены к управляющим цепям соответствующих транзисторных ключей 5, 10, 9, 6. Между задним фронтом импульса с меньшей длительностью τ2 одного канала и передним фронтом импульса с большей длительностью τ1 другого канала создается пауза Δτ0 (фиг.3), которая больше времени t1 спада тока нагрузки до нуля.

Работа однофазного мостового АИН по первому варианту осуществляется следующим образом.

Управление транзисторными ключами 5, 6, 9, 10 осуществляется импульсами разной длительности (фиг.3). Транзисторные ключи 5 и 9 управляются импульсами , а транзисторные ключи 6 и 10 - импульсами меньшей длительности τ2, вырабатываемыми каналами управления 14, 15. В результате по окончании импульсов с длительностью τ2 транзисторные ключи 10 и 6 закрываются, и ток нагрузки замыкается соответственно через диод 7 и транзисторный ключ 5 в первый полупериод частоты f и через диод 3 и транзисторный ключ 9 во второй полупериод. В этом случае в диаграмме напряжения на нагрузке u(t) имеется пауза Δτ0, определяющаяся временем спада тока до нуля t1 и временем задержки Δt. Включение следующей пары транзисторных ключей происходит после задержки Δt (несколько микросекунд), исключающей одновременное включенное состояние транзисторных ключей 5, 6 или 9, 10, что могло бы привести к закорачиванию выпрямителя 1. Общая пауза в диаграмме напряжения нагрузки составляет:

Δτ0=t1+Δt,

где:

t1≈4Tн при экспоненциальном характере нарастания и спада тока;

Tн - постоянная времени активно-индуктивной нагрузки 11 (фиг.1).

Однофазный мостовой АИН по второму варианту (фиг.2) содержит все элементы устройства по первому варианту и регулирующий орган 18. В каждом канале второй формирователь управляющих импульсов 17 в АИН по второму варианту имеет два входа - запускающий (как на фиг.1) и регулирующий. Регулирующий орган 18 подключен к регулирующему входу формирователя управляющих импульсов 17 в каждом канале управления и обеспечивает регулирование длительности τ2 управляющего импульса.

Работа однофазного мостового АИН по второму варианту осуществляется так же, как и по первому, но добавляется функция регулирования напряжения на активно-индуктивной нагрузке, осуществляемого изменением τ2 в зависимости от сигнала регулирования Up на входе регулирующего органа.

Действующее значение выходного напряжения АИН определяется:

,

где:

τ - длительность импульса ФИ2 в радианах;

τ2c - длительность импульса ФИ2 в секундах;

f - частота в герцах.

Заявляемые устройства имеют ряд преимуществ по сравнению с прототипом. За счет упрощения системы управления и исключения конденсатора на выходе выпрямителя однофазного мостового АИН при питании его от сети переменного тока упрощается схема и повышается надежность устройств, а введение регулирующего органа позволяет регулировать выходное напряжение АИН.

1. Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например, транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, отличающийся тем, что введен генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ2 второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ1 первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.

2. Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения, содержащий выпрямитель, мостовой преобразователь, выполненный на диодах и полупроводниковых ключах, например транзисторных, активно-индуктивную нагрузку и систему управления, состоящую из двух идентичных каналов управления ключами, содержащих первый и второй формирователи управляющих импульсов, выходы которых подсоединены к соответствующим входам ключей, отличающийся тем, что введены генератор тактовых импульсов с двумя противофазными выходами, каждый из которых подсоединен к запускающим входам формирователей соответствующего канала, регулирующий орган, выход которого подключен к дополнительно введенному регулирующему входу второго формирователя каждого канала, при этом пауза между задним фронтом импульса меньшей длительности τ2 второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности τ1 первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах электропитания устройств радиотехники, автоматики и вычислительной техники.

Изобретение относится к области силовой электроники. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электронных схемах регулирования мощности со схемами теплоотвода от силовых полупроводниковых элементов, таких как, например тиристоры, биполярные транзисторы с изолированными затворами и силовые полевые транзисторы.

Изобретение относится к области систем подачи электроэнергии. .

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в силовой преобразовательной технике, а именно для управления автономными инверторами, включенными параллельно на общую нагрузку.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в силовой преобразовательной технике, а именно для управления автономными инверторами, включенными параллельно на общую нагрузку.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для пуска и регулирования скорости высокоскоростных асинхронных и синхронных электродвигателей.

Изобретение относится к электротехнике и применяется в преобразователях частоты и напряжения, например, для электропривода. .

Изобретение относится к электротехнике и может применяться в преобразователях частоты и напряжения, например, для электропривода. .

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в установках для индукционного нагрева и плавки металлов

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазным статическим преобразователем при несимметричной нагрузке, входящим в состав автономной системы генерирования электрической энергии, системы бесперебойного электропитания, системы электроснабжения и др

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазным статическим преобразователем при несимметричной нагрузке, входящим в состав автономной системы генерирования электрической энергии, системы бесперебойного электропитания, системы электроснабжения и др

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления с полупроводниковыми преобразователями частоты для электротехнологии

Однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (варианты)

Наверх