Однофазный полумостовой транзисторный инвертор

Изобретение относится к электротехнике, а именно к однофазным полумостовым транзисторным инверторам, предназначено для использования в электротехнической промышленности и может применяться в различных вторичных источниках питания, например в электросварочных аппаратах, зарядных устройствах, источниках тока с высокой стабилизацией выходного выпрямленного тока и т.п. Технический результат заключается в снижении чувствительности инвертора к колебаниям нагрузки и повышении за счет этого стабильности выходного выпрямленного тока. Заявленное устройство для этого содержит входной выпрямитель, выходной выпрямитель, сглаживающий конденсатор, дроссель, датчик тока, высокочастотный трансформатор и систему управления, выполненную на основе транзисторных ключей. Клеммы подключения к нагрузке и датчик тока через блок гальванической развязки соединены с блоком упреждающей коррекции и с системой управления. 2 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным автономным полумостовым инверторам, и может применяться в различных вторичных источниках питания, например в электросварочных аппаратах, зарядных устройствах, источниках тока с высокой стабилизацией выходного выпрямленного тока и т.п.

Известен однофазный полумостовой транзисторный инвертор (авторское свидетельство №2291550), содержащий в силовой части полумост в виде двух последовательно соединенных транзисторов и двух обратных диодов (вторая половина моста образована двумя последовательно включенными силовыми конденсаторами), особенность которого состоит в том, что в схему дополнительно введен четырехобмоточный трансформатор с тремя одинаковыми первичными обмотками и одной вторичной обмоткой, подключенной к системе управления, вследствие чего повышается надежность защиты в случае сквозного короткого замыкания.

Также известен однофазный мостовой транзисторный инвертор (авторское свидетельство №2216093), содержащий в силовой части мост, выполненный на основе транзисторов, шунтированных обратными диодами, в диагональ которого включен согласующий трансформатор, снабженный дополнительной обмоткой возврата реактивной мощности, подключенной к диагонали переменного тока обратного диодного моста, в цепь постоянного тока которого включен транзисторный ключ, управляющий вход которого соединен с логической схемой И, за счет чего достигается устранение резонанса напряжений в однофазном мостовом инверторе.

Основным недостатком известных решений является то, что система управления в данных случаях не обеспечивает высокой стабилизации выходного тока инвертора, что может привести, например, к обрыву дуги сварочного инвертора или к недостаточной жесткости выходных характеристик, что является неотъемлемым критерием в работе источников тока данного типа.

Техническим результатом является снижение чувствительности инвертора к колебаниям нагрузки, повышение за счет этого стабильности выходного выпрямленного тока.

Технический результат достигается путем введения упреждающей коррекции в систему подчиненного регулирования.

Сущность изобретения поясняется фиг.1 и фиг.2, на которых представлены схема однофазного полумостового транзисторного инвертора и структурная схема однофазного полумостового транзисторного инвертора соответственно.

Однофазный полумостовой транзисторный инвертор содержит входной выпрямитель 1, сглаживающий конденсатор 2, транзисторные ключи 3 и 4 на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором, имеющих высокую частоту и малое время переключения, высокочастотный трансформатор 5, силовые конденсаторы 6 и 7, выходной выпрямитель 8, дроссель 9, клеммы 10 подключения к нагрузке, датчик тока 11, блок 12 гальванической развязки, обратную связь 13 по напряжению, блок 14 упреждающей коррекции, обратную связь 15 по току, систему 16 управления.

Устройство работает следующим образом. Напряжение сети подается на входной выпрямитель 1, после чего фильтруется сглаживающим конденсатором 2. Параллельно входному выпрямителю 1 и сглаживающему конденсатору 2 включена полумостовая инверторная транзисторная схема, выполненная на транзисторных ключах 3, 4 и силовых конденсаторах 6, 7, которая преобразовывает выпрямленное и сглаженное напряжение в переменное напряжение с большой частотой. Управляющие входы транзисторных ключей 3, 4 подключены к системе 16 управления. В диагональ полумостового транзисторного инвертора включена первичная обмотка высокочастотного трансформатора 5, напряжение и ток вторичной обмотки которого выпрямляется посредством выходного выпрямителя 8. Между выходным выпрямителем 8 и клеммами 10 подключения к нагрузке включен дроссель 9, сглаживающий выпрямленный ток. С клемм 10 подключения к нагрузке через блок 12 гальванической развязки и блок 14 упреждающей коррекции в систему 16 управления поступает напряжение, пропорциональное протекающему току, измеренному в цепи нагрузки. В случае превышения допустимого уровня тока система 16 управления останавливает работу широтно-импульсного модулятора, входящего в состав системы 16 управления. В случае изменения параметров нагрузки что может привести, например, к обрыву дуги электросварочного аппарата, блок 14 упреждающей коррекции скорректирует работу системы 16 управления, что предотвратит возможный сбой работы однофазного полумостового транзисторного инвертора. В то же время блок 14 упреждающей коррекции снижает чувствительность системы 16 управления к колебаниям нагрузки. С клемм 10 подключения к нагрузке через блок 12 гальванической развязки в систему 16 управления поступает сигнал обратной связи по напряжению. Система 16 управления сравнивает напряжение задания с сигналом обратной связи и вырабатывает управляющий сигнал на широтно-импульсный модулятор, входящий в состав системы 16 управления. В случае превышения допустимого значения тока система управления останавливает работу широтно-импульсного модулятора, входящего в состав системы управления. В то же время блок 14 упреждающей коррекции снижает чувствительность системы 16 управления к колебаниям нагрузки.

Сущность введения в данную систему упреждающей коррекции рассмотрим на примере использования однофазного транзисторного инвертора в качестве сварочного. На фиг.2 изображена структурная схема однофазного полумостового транзисторного инвертора. Сварка металлических деталей происходит за счет энергии дуги между электродом и поверхностью, при этом изменяется сопротивление дуги электрической цепи. В связи с этим может произойти обрыв сварочной дуги. Для повышения устойчивости сварочной дуги к изменению внешних параметров предлагается использовать упреждающую коррекцию, что позволяет снизить чувствительность системы управления к изменениям параметров объекта регулирования. Основным звеном в силовой цепи является высокочастотный трансформатор, стабилизация режимов работы которого происходит за счет полумостового транзисторного инвертора. Дифференциальные уравнения равновесия мгновенных значений напряжений первичной и вторичной обмоток трансформатора имеют вид:

где r₁, L₁, i₁ - сопротивление, индуктивность и ток первичной обмотки; r₂, L₂, i₂ - то же для вторичной обмотки; u₁, u₂ - входное и выходное напряжения трансформатора; М - коэффициент взаимоиндукции обмоток, p - оператор Лапласа.

После преобразований системы уравнений (1) и известных допущений получим передаточную функцию трансформатора по напряжению

где R_H -сопротивление нагрузки, ω - число витков обмотки.

Включение полумостового транзисторного инвертора снижает жесткость выходных характеристик, особенно на малых токах нагрузки. Для повышения жесткости в схеме введена обратная связь по напряжению. Проведем расчет контура напряжения системы W_KH(p).

Выходное напряжение трансформатора выпрямляется, вследствие чего его передаточная функция примет вид:

Синтез регулятора напряжения выполняется исходя из настройки контура напряжения на технический оптимум. Исходя из этого и из того, что при работе сварочного аппарата R_H<R₂, передаточная функция контура напряжения примет вид:

Для получения требуемой внешней характеристики устройства введем обратную связь по току нагрузки и настроим контур тока также на технический оптимум. Передаточная функция замкнутого контура тока W_KT(p) примет вид:

где α=R_H/R_HPAC.

Проведем анализ выражения (5) по чувствительности показателя колебательности М к α. Выражение для показателя колебательности имеет следующий вид:

где А(ω_P) - значение амплитудной характеристики системы на резонансной частоте.

Приведем выражение (5) к нормированной форме записи:

где K=1/K_OCT;

Амплитудная характеристика для рассматриваемой системы известна:

При ω=ω_P эта характеристика принимает экстремальное значение:

Нахождение условий экстремума функции А(ω) дает результат:

Подставим (8) в (9) и определим значение А(ω_p):

Используя выражение (6), можно определить показатель колебательности для рассматриваемой системы:

Оценим влияние изменения α на значение показателя колебательности:

Из выражения (10) видно, что значение колебательности М изменяется в широких пределах в зависимости от α. Для устранения этого недостатка используем упреждающую коррекцию. Формирование корректирующего сигнала показано на фиг.2. Сигнал с датчика напряжения поступает на звено модели W_МОД(p), параметры которого выбираются из условия:

,

где W_ОБ(p)_HOM - передаточная функция объекта в номинальном режиме.

Для рассматриваемого случая:

Сигнал с выхода звена модели сравнивается с сигналом обратной связи по току, в результате чего формируется дифференцированный сигнал, который с коэффициентом ν поступает на регулятор тока. Упрощенная передаточная функция замкнутого контура тока с упреждающей коррекцией W_КТУ(p) имеет вид:

где

Для системы с упреждающей коррекцией (11) проведем анализ чувствительности М к вариациям ν и α. Для рассматриваемого случая показатель колебательности определяется выражением:

Анализ формулы (12) позволяет сделать следующие выводы:

- если ν=1, то M=const=1 независимо от значения α;

- если ν=0, то значение М соответствует системе без упреждающей коррекции;

- если α=1, то M=const=1 независимо от значения ν.

Таким образом, введение упреждающей коррекции позволяет создать систему, инвариантную к изменениям нагрузки в широких пределах.

Однофазный полумостовой транзисторный инвертор, содержащий входной выпрямитель, сглаживающий конденсатор и высокочастотный трансформатор, отличающийся тем, что схема полумостового транзисторного инвертора, включенная параллельно входному выпрямителю и сглаживающему конденсатору, выполнена на основе транзисторных ключей, имеющих высокую частоту и малое время переключения, в диагональ которой включена первичная обмотка высокочастотного трансформатора, а вторичная обмотка, соединена с входом выходного выпрямителя, к выходу которого подключены клеммы подключения к нагрузке, подключенные к дросселю, сглаживающему выпрямленный ток, через блок гальванической развязки соединены с блоком упреждающей коррекции и с системой управления.