Последовательный инвертор

 

.Союз Советских

Социалистических

Республик

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. свид-ву (22)Заявлено 27.01.81 (21) 3240547/24-07 с присоединением заявки,1 в (23) Приоритет (51)М. Кл.

H 02 M 7/515

3Ъеуааретеаниый комитет

СССР по делам иаобретеиий и открытий

Опубликовано 07.10.82, Бюллетень М 37

Дата опубликования описания 10 . 1 0 .82 (53) УДК 62)..314.572 (088.8) В.В. Шипицын, В.И. Лузгин, В,С. Ухов, А.А. Новиков, А.А. Рухман, В,В. Дрягин, В.А. Глухих, С,10. Кропотухин, С.В. Житов и Л.И. фаерман (72) Авторы изобретения

Уральский ордена Трудового Красного Знамейи политехнический институт им, С.М..Кирова и Центральный научно-исследовательский институт материалов и техн тели

1,„1

Изобретение относится к вентильной преобразовательной технике и предназначено для необратимого преобразования энергии постоянного тока на входе в энергию переменного тока высокой частоты на выходе. Устройство 5 может найти применение для питания током высокой частоты однофазной переменной нагрузки, например скомпенсированной индукционной нагревательной установки для стали.

Известны различные инверторы,предназначенные питать однофазные нагрузки, но имеющие относительно низкое выходное напряжение, Известен автономный последовательный инвертор, содержащий вентильный инвертирующий мост с узлом коммутации из конденсатора и дросселей, подключенную параллельно мосту последовательную цепь из нагрузки и двух разделительных (фильтровых) конденсаторов, а также двух диодов, причем. каждый из диодов подключен между об"

2 щей точкой нагрузки и разделительного конденсатора и между зажимом другого разделительного конденсатора. К зажи" мам источника постоянного тока мост подключен через дроссели фильтра. В таком инверторе каждый разделительный конденсатор заряжен лиш6 до половины напряжения источника питания, а напряжение на нагрузке по амплитуде or раничивается на уоовне напряжения разделительных конденсаторов, т.е. нв уровне 0,5 от напряжения источника питания 1 1).

Такой инвертор позволяет питать нагрузку, сопротивление которой может меняться от нуля до бесконечности, но имеет низкое выходное напряжение.

Известен последовательный инвертор с относительно более высоким выходным напряжением. Инвертор содержит два тирис орных моста; каждый из которых содержит коммутирующий контур из последовательно соединенных

;конденсатора и дросселя в диагонали

964922

29

3 переменного тока ° Точка соединения анодов тиристоров каждого моста соединена с положительным входным зажимом инвертора через последовательную цепь иэ двух фильтровых дросселей, а точка соединения катодов соединена с отрицательным входным зажимом через третий фильтровый дроссель.

Точка соединения первого и второго дросселей одного моста соединена через фильтровый конденсатор с точкой соединения катодов тиристоров другого моста. В каждом.из мостов точка

1 соединения анодов тиристоров одного моста соединена через последователь- 15 ную цепь, образованную конденсатором и дросселем с промежуточным выводом обмотки, с точкой соединения катодов тиристоров другого моста, причем дроссель зашунтирован двумя встречно-последовательно соединенными диодами, точка соединения которых связана с точкой последовательного соединения первого и второго фильтровых дросселей другого моста. Промежуточный вывод дросселя связан через диод с точкой соединения анодов тиристоров этого же моста 2).

Этот инвертор также имеет относиф

Недостатком данного инвертора является относительно невысокое выходное напряжение, недостаточное для индукционных нагревательных установок.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей за счет увеличения диапазона изменения выходного напряжения.

Для достижения поставленной цели последователь ныи инвертор, содержащии подключенные через фильтровые дроссели к входным выводам два тиристорных моста, в диагональ переменного тока каждого иэ которых включены последовательно два коммутирующих конденсатора с коммутирующим дросселем между ними, включенным в диагональ переменного тока соответствующего обратного вентильного моста, а к. анодной группе тиристоров каждого моста присоединен фильтровой конденсатор последовательной цепочки, состоящей из упомянутого конденсатора и коммутирующего дросселя, точка соединения которых подключена к анодной группе вентилей обратного моста, причем катодная группа тиристоров первого моста соединена с одним выходным выводом, а параллельно выходным вывотельно невысокое выходное напряжение, недостаточное, например, для питания выпускаемых промышленностью индукционных нагревательных установок и плавильных печей.

Наиболее близким к предлагемому является последовательный инвертор, содержащий подключенные через фильтровые дроссели к входным зажимам два тиристорных моста, в диагонали переменного тока которых включены последовательно по два коммутирующих конденсатора и между ними - коммутирующий дроссель, соединенный с диагональю переменного тока соответствующего обратного вентильного моста, К точкам соединения анодов тиристоров каждого моста присоединена цепь,из последовательно соединенных фильтрового конденсатора и коммутирующего дросселя. Точка соединения катодов тиристоров одного моста соединена с одним выходным зажимом. Параллельно выходным зажимам подключены компенсирующие конденсаторы и нагрузка. Они образуют нагрузочный контур инвертора. Инвертор содержит также две. цепи из последовательно соединенных нелинейного дросселя и вентиля 1 ).

4О

45 ровыми конденсаторами две дойолнительные последовательные цепочки, подключенные каждая, параллельно основ-. ной цепочке, причем точка соединения конденсатора и дросселя дополнительной цепочки подключена к катодной группе вентилей обратного моста и через указанную цепочку из вентиля, включенного в обратном направлении, и нелинейного. дросселя — к катодной группе тиристоров моста, а делитель напряжения подключен к выходным выводам., причем точка соединения его дросселей подключена к точке соединения конденсатора дополни тельной и дросселя основной последовательных цепочек первого моста и катодной группе тиристоров второго моста, а точка соединения дросселя основной и конденсатора дополнительной последодам подключены компенсирующие конденсаторы, а также две цепочки из последовательно соединенных нелинейного ! дросселя и вентиля и два дополнительных фильтровых конденсатора, снабжен делителем напряжения, состоящим из

35 двух дросселей, зашунтированных конденсаторами, и двумя дополнительными коммутирующими дросселями, образующими совместно с дополнительными фильт5 96492 вательных цепочек второго моста соединенас другим выходным выводом.

Схема последовательного инвертора приведена на чертеже. Схема содержит тиристоры 1-8, вентили 9-18, коммутирующие конденсаторы 19-22, фильтровые конденсаторы

23-26, конденсаторы 27-:28 делителя, компенсирующие конденсаторы 29-30, коммутирующие дроссели 31-32 с сим- 10 метричными промежуточными выводами, коммутирующие дроссели 33-36, фильтровые дроссели 37-40, дроссели 41-42 делителя, активно-индуктивная нагрузка 43 (индуктор, магнитострикционный 1$ преобразователь и т.д.), нелинейные дроссели 44-45.

Инвертор содержит два противофазных тиристорных моста соответственно из тиристоров 1-4 и 5-8, в диагональ 2в переменного тока которых включены последовательно соединенные коммутирующие конденсаторы и дроссели соответственно 19, 31, 20 и 21, 32, 22.

В мостах точки соединения анодов ти- 2s ристоров 1 и 3, 5 и 7 соответственно через фильтровые дроссели 37 и 38 соединены с положительным входным выводом, а точки соединения катодов тиристоров 2 и 4, 6 и 8 соответственно щ через фильтровые дроссели 39 и 40 соединены с отрицательным входным выводом инвертора. К точкам соединения анодов тиристоров каждого моста присоединены крайними выводами по две последовательные цепочки, состоящие из последовательно соединенных фильтрового конденсатора и дросселя, соединенные параллельно и образующие соответственно два реактивных моста из элементов 33 и 23, 24 и 34 для перво- го моста, 35 и 25, 26 и 36 для второго моста. Однотипные элементы в мостах: фильтровые конденсаторы 2326 или коммутирующие дроссели 33-36, находятся в противоположных плечах.

Встречные вентили 9-12 и 13-16 соединены в два обратных моста, которые диагональю переменного тока подключены соответственно к промежуточным выводам дросселей 31 и 32, а диагональю постоянного тока - между точками соединения фильтровых конденсаторов с дросселями в последовательных цепях, соединенных параллельно и обS5 разующих реактивные мосты.

Между выходными выводами инвертора включен делитель напряжения из последовательно включенных дросселей г 6

41 и 42, зашунтированных конденсаторами 27 и 28 ° Точка соединения катоцов тиристоров одного моста (например тиристоры 2 и-4) соединена. с одним выходным выводом инвертора. Точка соединения катодов тиристоров 6 и 8 другого моста соединена с общей точ,<ой элементов делителя 41, 42, 27, 28 и с противоположным выводом первого реактивного моста, образованного точкой соединения элементов 23 и 34.

Противоположный вывод второго реактивного моста, образованный точкой

,,соединения элементов 25 и 36, соединен с вторым выходным выводом инвертора. Точки соединения катодов тиристоров 2 и 4, 6 и 8 каждого моста через последовательные цепи из нелинейного дросселя и вентиля соответственно 44 и 17, 45 и 18 соединены с фильтровым конденсатором 23 и 25 соответствующего реактивного моста и через эти конденсаторы — с противоположным выводом этих мостов. Нагрузочный колебательный контур, состоящий из конденсаторов 29 и 30, активно-индуктивной нагрузки 43, подключен к выходным выводам инвертора, Инвертор работает следующим образом.

Предварительно от источника питания через фильтровые 37-40 и коммутирующие 33-36 дроссели заряжаются фильтровые конденсаторы 23-26. Тиристоры 1, 4, 5, 8 и 3, 2, 7, 6 отпираются одновременно по четыре поочеред- . .но, при этом через коммутирующие контуры и через нагрузку протекают импульсы высокочастотного тока. Так, при отпирании тиристоров 1, 4, г5, 8 ток протекает по цепи тиристор 1 конденсатор 19 - дроссель 31 - конденсатор 20 - тиристор 4 - (конденсатор 30 и конденсатор 29 - нагрузка

43) - (конденсатор 25 - дроссель 35 и дроссель 36 - конденсатор 26) тиристор 5- конденсатор 21 - дроссель

32 - конденсатор 22 - тиристор 8(конденсатор 23 - дроссель 33 и дроссель 34 - конденсатор 24) - тиристор 1.

После прекращения импульса тока и выключения тиристоров отпираются очередные тиристоры 3, 2, 7, 6, и оче; редной импульс тока протекает по цепи тиристор 3 - конденсатор 20 — дроссель 31 - конденсатор 19 — тиристор

2 - (конденсатор 30 и конденсатор 29, нагрузка 43) - (конденсатор 25—

7 96492 дроссель 35 и дроссель 36 - конденсатор 26) - тиристор 7 - конденсатор 22 - дроссель 32 - конденсатор

21 - тиристор б - (конденсатор 23дроссель 33 и дроссель 34 - конденсатор 24) - тиристор 3. После прекра-, щения импульса тока и выклютения тиристоров отпираются очередные тиристоры 1, 4, 5, 8, и электромагнитный процесс в инверторе повторяется àíà- 1ô логично описанному; при этом через контур нагрузки 29, 30, 43 протекает импульс высокочастотного тока, возбуждающий в нем высокочастотные колебания. 1S

Предлагаемый режим работы инвертора имеет место при оптимальном сопротивлении нагрузки. Если сопротив:ление нагрузки станет меньше (что часто бывает в технологических про- 2О цессах), то .вследствие увеличения коэффициента раскачки увеличивается напряжение на всех элементах контура коммутации, в том числе и на коммутирующих конденсаторах 19-22 и коммутирующих дросселях 31 и 32 и 3336. Как только суммарное напряжение на внутренних выводах дросселей 3 1 .и 32 и на каждом из дросселей 33-36 превосходит по величине напряжение на фильтровых конденсаторах 23-26, отпираются вентильные мосты обратного тока, Через вентили этих мостов в соответствии с полярностью напряжения на дросселях 31 и 32 начинает

З5 протекать ток возврата избыточной реактивной энергии из коммутирующих дросселей в источник питания, в фильт ровые конденсаторы 23-26, связанные с источником.

Рассматривается путь обратного тока на примере работы лишь одного моста. Допускается, что открыты вентили

9 и 12. Через эти вентили протекает ток по двум цепям: дроссель 31 - вен- 4 тиль 9 - дроссель 33 - конденсатор

24 - вентиль 12 - дроссель 31; дроссель 31 - вентиль 9 - конденсатор 23 дроссель 32 - вентиль 12 - дроссель 31, Аналогичным образом протекает ток через открытые вентили другого моста обратного тока. При этом ограничивается рост напряжения как на коммутирующих дросселях 31 и 32, 33-36, 55 так и на коммутирующих конденсаторах

19-22,,что исключает перенапряжение на всех элементах, в том числе и на тиристорах.

2 8

Если сопротивление нагрузки возрастает выше номинальной величины, наблюдается снижение времени для восстановления управляемости тиристоров, что вызывает срыв инвертирования и последующее короткое замыкание через тиристоры. При этом одновременно наблюдается рост выходного напряжения сверх допустимой величины. Снижение времени для восстановления управляемости тиристоров MQNHQ исключить, ограничив величину выходного напряжения инвертора. Для этого применены цепи из воследовательно соединенных вентиля 17 и 18 и нелинейного дросселя 44 и 45. Как только выходное напряжение на зажимах инвертора окажется выше суммарного напряжения на конденсаторах 23 и 25, так сразу же отпираются вентили 17 и 18, и через них протекает ток по цепи конденсатор 23 - дроссель 45 - вентиль 18конденсатор 25 - (конденсатор 30 и нагрузка 43 - конденсатор 29) дроссель 44 - вентиль 17 - конденсатор 23. При этом выходное напряжение ограничивается по амплитуде на уровне удвоенного напряжения источника питания (конденсаторы 23 и 25 заряжены до напряжения. источника питания).

При работе инвертора высокочастотное выходное напряжение инвертора приложено к делителю напряжения из элементов 41, 42, 27, 28. Индуктивности дросселей 41 и 42 и емкости конденсаторов 27 и 28 равны между собой, т.е. в точке соединения этих элементов напряжение делится пополам. Так как равные элементы делителя шунтируют однотипные вентильные и реактивные мосты, поддерживается принудительное распределение напряжения между последовательно соединеннымц тиристорными и реактивными мостами, что повышает надежность инвертора. Применение в инверторе делителя напряжения целесообразно, так как полупроводниковые вентири не являются идеальными ключами.

Предлагаемая схема позволяет получить на выходе удвоенное выходное напряжение, достигающее по амплитуде двойного напряжения источника питания. Применение нелинейных дросселей 44 и 45 при благоприятных режимах позволяет увеличить величину выходного напряжения и, следовательно, выходную мощность. инвертора.

9649

Если требуется еще более высокое выходное напряжение, то можно исполь эовать в схеме не две, а три группы вентильных и реактивных мостов, соединив их аналогичным образом последовательно и применив соответственно делитель напряжения из трех частей.

Если требуется меньшее по величи. не выходное напряжение, то можно ос- !в тавить только одну группу мостоввентильный и реактивный. Такая схема инвертора представляет собой лишь половину предлагаемой схемы инверто ра. М

Формула изобретения

Последовательный инвертор, содер- щ жащий подключенные через фильтровые дроссели к входным выводам два тирис-. торных моста, в диагональ переменного тока каждого из которых включены последовательно два коммутирующих g5 конденсатора с коммутирующим дросселем между ними, включенным в диагональ переменного тока соответствующего обратного вентильного моста, а к анодной группе тиристоров каждого моста присоединен фильтровой конденсатор последовательной цепочки, состоящей из упомянутого конденсатора и коммутирующего дросселя, точка соединения которых подключена к анодной

35 группе вентилей обратного моста, причем катодная группа тиристоров первого моста соединена с одним выходным выводом, а параллельно выходным выводам подключены компенсирующие конденсаторы, а также две цепочки из последовательно соединенных нелинейно.

ro дросселя и вентиля и два дополни22 10 тельных фильтровых конденсатора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей за счет увеличения диапазона изменения выходного напряжения, он снабжен делителем напряжения, состоящим из двух дросселей, зашунтированных конденсаторами, и двумя дополнительными коммутирующими дросселями, образующими совместно с дополнительными фильтровыми конденсаторами две дополнительные последовательные цепочки, подключенные каждая параллельно основной цепочке, причем точка соединения конденсатора и дрос. селя дополнительной цепочки подключена к катодной группе вентилей об- ратного моста и через, укаэанную цепочку из вентиля, включенного s обратном направлении, и нелинейного дрос" селя - к катодной группе тиристоров моста, а делитель напряжения подключен к выходным выводам-, причем точка соединения его дросселей подключена к точке соединения конденсатора дополнительной и дросселя основной последовательных цепочек первого моста и катодной группе тиристоров второго моста, а точка соединения дросселя основной и конденсатора дополнительной последовательных, цепочек второго моста соединена с другим выход- ным выводом, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство CCCP 535695, кл. Н 02 M 7/515, 1973.

2. Авторское свидетельство СССР

И 647817, кл. H 02 M 7/515 1977.

3 ° Авторское свидетельство СССР по заявке N 2730527/24-07, кл. H 02 M 7/515, 1979.

964922

Т ираж 721 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Заказ 7684/42

Филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная 4

Составитель И. Жеребина анта

Редактор Е. Лазуренко Техред Т.ф Корректор М. Демчик