Мостовой инвертор с улучшенной рекуперацией энергии

Использование: Полезная модель относится к области электротехники, а именно к однофазным мостовым транзисторным инверторам, применяемым в различных источниках питания. Техническим результатом предлагаемой модели является увеличение среднего значения тока на нагрузке и среднего значения тока рекуперации, за счет изменения начальных условий работы схемы путем увеличения напряжения питания мостового инвертора, начиная со второго периода работы, что приводит к увеличению выходного напряжения. Сущность полезной модели: согласно полезной модели дополнительно введены транзисторы рекуперации, разделительные диоды, входной диод, накопительный конденсатор, и распределитель импульсов в системе управления, причем первый положительный выход источника питания соединен с анодом входного диода, катод которого подключен к накопительному конденсатору, к катодам первого и второго возвратных диодов и к стокам первого и второго транзисторов, кроме того, первый положительный выход источника питания соединен со стоками первого и второго транзисторов рекуперации, истоки которых подключены соответственно к анодам первого и второго разделительных диодов, катоды которых соединены с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора, второй отрицательный выход источника питания, соединен с минусовым выводом накопительного конденсатора, с истоками третьего и четвертого транзисторов, и с анодами третьего и четвертого возвратных диодов, катоды которых соединены соответственно с анодами первого и второго возвратных диодов, с истоками первого и второго транзисторов и со стоками третьего и четвертого транзисторов, и с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора, причем первый выход распределителя импульсов соединен с затворами первого и третьего транзисторов, второй выход распределителя импульсов соединен с затворами второго и четвертого транзисторов, третий выход распределителя импульсов соединен с затвором первого транзистора рекуперации, четвертый выход распределителя импульсов соединен с затвором второго транзистора рекуперации, первый вход распределителя импульсов соединен с первым выходом двухтактного автогенератора, а второй вход распределителя импульсов соединен с выходом компаратора, первый вход которого непосредственно связан с сигналом управления, а второй вход соединен с выходом двухтактного генератора пилообразного напряжения, вход которого соединен со вторым выходом двухтактного автогенератора.

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к однофазным мостовым транзисторным инверторам, применяемым в различных источниках питания.

Однофазные инверторы широко применяются в различных вторичных источниках питания. Например, в аудио- и видеоаппаратуре, в электросварочных аппаратах дуговой электросварки и т.п. Широко известны, например, сварочные аппараты инверторного типа, содержащие источники питания (сетевой выпрямитель), собственно инвертор, силовой согласующий трансформатор, подключенный первичной обмоткой к инвертору, а вторичной, через диодный выпрямитель, к нагрузке. Наилучшими характеристиками обладает "классическая" двухтактная мостовая схема инвертора с возвратными диодами (Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1983, стр.155).

Наиболее подробно вопросы работы и рекуперации энергии в мостовых инверторах рассмотрены в книге Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1981, стр.140-144, где на рис.8.3, приведена силовая часть мостового инвертора и схема шунтирования транзисторов возвратными диодами рекуперации при индуктивно-активном характере нагрузки инвертора (Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1981, стр.144, рис.8.7).

Наиболее близким к предлагаемому является двухтактная мостовая схема инвертора, (приведенная на фиг.1 в патенте RU 2223590 Н02М 3/337, Н02М 7/219, G05F 1/56, 2004.10.02), в виде однофазного транзисторного моста, шунтированного возвратными диодами и подключенными диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор к нагрузке. Система управления в виде типового двухтактного широтно-импульсного модулятора в составе двухтактного автогенератор, двухтактный генератор пилообразного напряжения и компаратора.

Недостатком данного устройства, выбранного в качестве прототипа, так же как и всех выше перечисленных устройств является незначительная рекуперация энергии, за счет того, что во время рекуперации ток возвратных диодов определяется напряжением, равным разности между напряжением на индуктивности нагрузки и напряжением источника питания.

Техническим результатом предлагаемой модели является увеличение среднего значения тока на нагрузке и среднего значения тока рекуперации, за счет изменения начальных условий работы схемы путем увеличения напряжения питания мостового инвертора, начиная со второго периода работы, что приводит к увеличению выходного напряжения.

Технический результат достигается тем, что в мостовом инверторе в виде однофазного транзисторного моста, состоящего из первого, второго, третьего, четвертого транзисторов, шунтированных первым, вторым, третьим, четвертым возвратными диодами, подключенного диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор, к нагрузке, и систему управления, которая представляет собой типовой двухтактный широтно-импульсный модулятор, содержащий двухтактный автогенератор, двухтактный генератор пилообразного напряжения и компаратор, согласно полезной модели дополнительно введены транзисторы рекуперации, разделительные диоды, входной диод, накопительный конденсатор, и распределитель импульсов в системе управления, причем первый положительный выход источника питания соединен с анодом входного диода, катод которого подключен к накопительному конденсатору, к катодам первого и второго возвратных диодов и к стокам первого и второго транзисторов, кроме того, первый положительный выход источника питания соединен со стоками первого и второго транзисторов рекуперации, истоки которых подключены соответственно к анодам первого и второго разделительных диодов, катоды которых соединены с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора, второй отрицательный выход источника питания, соединен с минусовым выводом накопительного конденсатора, с истоками третьего и четвертого транзисторов, и с анодами третьего и четвертого возвратных диодов, катоды которых соединены соответственно с анодами первого и второго возвратных диодов, с истоками первого и второго транзисторов и со стоками третьего и четвертого транзисторов, и с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора, причем первый выход распределителя импульсов соединен с затворами первого и третьего транзисторов, второй выход распределителя импульсов соединен с затворами второго и четвертого транзисторов, третий выход распределителя импульсов соединен с затвором первого транзистора рекуперации, четвертый выход распределителя импульсов соединен с затвором второго транзистора рекуперации, первый вход распределителя импульсов соединен с первым выходом двухтактного автогенератора, а второй вход распределителя импульсов соединен с выходом компаратора, первый вход которого непосредственно связан с сигналом управления, а второй вход соединен с выходом двухтактного генератора пилообразного напряжения, вход которого соединен со вторым выходом двухтактного автогенератора.

Сущность заявляемой полезной модели поясняется чертежами. На фиг.1 показана структурная схема мостового инвертора с улучшенной рекуперацией энергии. На фиг.2 приведены временные диаграммы, иллюстрирующие работу инвертора на нагрузку активно индуктивного характера.

Мостовой инвертор с улучшенной рекуперацией энергией в виде однофазного транзисторного моста, состоящего из первого 1, второго 2, третьего 3, четвертого 4 транзисторов, шунтированных первым 5, вторым 6, третьим 7, четвертым 8 возвратными диодами, подключенного диагональю постоянного тока к источнику питания 9, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор 10, к нагрузке 11, и систему управления, которая представляет собой типовой двухтактный широтно-импульсный модулятор, содержащий двухтактный автогенератор 12, двухтактный генератор пилообразного напряжения 13 и компаратор 14, причем дополнительно введены первый 15, второй 16 транзисторы рекуперации, первый 17, второй 18 разделительные диоды, входной диод 19, накопительный конденсатор 20, и распределитель импульсов 21 в системе управления, причем первый положительный выход источника питания 9 соединен с анодом входного диода 19, катод которого подключен к накопительному конденсатору 20, к катодам первого 5 и второго 6 возвратных диодов, к стокам первого 1 и второго 2 транзисторов, кроме того первый положительный выход источника питания 9 соединен со стоками первого 15 и второго 16 транзисторов рекуперации, истоки которых соответственно подключены к анодам первого 17 и второго 18 разделительных диодов, катоды которых соединены с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора 10, второй отрицательный выход источника питания, соединен с минусовым выводом накопительного конденсатора 20, соответственно с истоками третьего 3 и четвертого 4 транзисторов, с анодами третьего 7 и четвертого 8 возвратных диодов, катоды которых соответственно соединены с анодами первого 5 и второго 6 возвратных диодов, с истоками первого 1 и второго 2 транзисторов, со стоками третьего 3 и четвертого 4 транзисторов, и с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора 10, причем первый выход распределителя импульсов 21 соединен с затворами первого 1 и третьего 3 транзисторов, второй выход распределителя импульсов 21 соединен с затворами второго 2 и четвертого 4 транзисторов, третий выход распределителя импульсов 21 соединен с затвором первого 15 транзистора рекуперации, четвертый выход распределителя импульсов 21 соединен с затвором второго 16 транзистора рекуперации, первый вход распределителя импульсов 21 соединен с первым выходом двухтактного автогенератора 12, а второй вход распределителя импульсов 21 соединен с выходом компаратора 14, первый вход которого непосредственно связан с сигналом управления, а второй вход соединен с выходом двухтактного генератора пилообразного напряжения 13, вход которого соединен со вторым выходом двухтактного автогенератора 12.

Мостовой инвертор с улучшенной рекуперацией энергии работает следующим образом.

В момент времени t₁ с третьего выхода распределителя импульсов 21 сигнал управления U_y3 открывает первый 15 транзистор рекуперации, а сигнал с первого выхода распределителя импульсов 21 U_y1 открывает первый 1 и третий 3 транзисторы, при этом ток в нагрузке нарастает, и в это же время накопительный конденсатор 20 заряжается по цепи (плюсовой выход источника питания 9, первый 15 транзистор рекуперации, силовой согласующий трансформатор 10, второй 6 возвратный диод, и накопительный конденсатор 20) до напряжения близкому к напряжению питания.

В момент времени t₂ сигнал управления U_y1 прекращается и первый 1 и третий 3 транзисторы закрываются, ток, обусловленный индуктивностью силового согласующего трансформатора 10, продолжает протекать по цепи (плюсовой выход источника питания 9, первый 15 транзистор рекуперации, силовой согласующий трансформатор 10, второй 6 возвратный диод, накопительный конденсатор 20) при этом накопительный конденсатор 20 заряжается до напряжения выше напряжения питания.

К моменту изменения полярности выходного напряжения в индуктивности силового согласующего трансформатора 10 запасается электромагнитная энергия. Для мостовых инверторов (прототип) напряжение на закрытом транзисторе равно напряжению источника питания Uкэ=Uп, среднее и эффективное значение тока, протекающего через первичную обмотку силового согласующего трансформатора 10, одинаковы и равны (Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1981, стр.143)

где Un - напряжение источника питания,

f - частота переключения транзисторов в инверторе,

_H - постоянная времени нагрузки,

w1, w2 - число витков выходного трансформатора,

Ток через возвратный диод в традиционной схеме и в прототипе равен (см. книгу Ромаш Э.М. Источники вторичного электропитания радиоэлектронной аппаратуры. - М.: Радио и связь, 1981, стр.144)

где Un - напряжение питания, подаваемое на мостовой инвертор,

f - частота переключения транзисторов в инверторе,

- постоянная времени нагрузки,

L_H , R_H - ее индуктивность и активное сопротивление,

w1, w2 - число витков выходного трансформатора

В предлагаемой полезной модели в начале рекуперации напряжение на накопительном конденсаторе 20 и напряжение источника питания 9 равны и компенсируют друг друга, при этом ток рекуперации определяется только энергией, накопленной в индуктивности силового согласующего трансформатора 10 и величиной емкости накопительного конденсатора 20. По окончании времени рекуперации t₄ -t₃ ток рекуперации падает до нуля, а напряжение на накопительном конденсаторе 20 возрастает до напряжение большего, чем напряжение источника питания 9 U_Cн>U_п . В следующий рабочий интервал t₅-t₄=t ₈-t₇ напряжение питания первого 1, второго 2 и третьего 3, четвертого 4 транзисторов, будет выше напряжения источника питания 9, что приведет к увеличению значения среднего тока на нагрузке и соответственно среднего тока рекуперации, поддерживающего уровень напряжения на накопительном конденсаторе 20 выше напряжения источника питания 9.

Таким образом, ток через возвратный диод предлагаемой модели равен

а средний ток на нагрузке 11 равен .

Если к моменту t₃ энергия, накопленная в индуктивности силового согласующего трансформатора 10, сохраняется, то при прекращении действия сигнала управления U_y3 первый 15 транзистор рекуперации закрывается, и ток будет протекать по цепи (четвертый 8 возвратный диод, силовой согласующий трансформатор 10, второй 6 возвратный диод, накопительный конденсатор 20). Интервал времени от t₃ до t₄ необходим для надежного закрывания первого 15 транзистора рекуперации и предотвращении появления сквозных токов в начале следующего интервала. В момент времени t₄ с четвертого выхода распределителя импульсов 21 сигнал управления U_y4 открывает второй 16 транзистор рекуперации, а сигнал со второго выхода распределителя импульсов U_y2 открывает второй 2 и четвертый 4 транзисторы. В начале момента времени t₄ ток нагрузки протекает по цепи (накопительный конденсатор 20, второй 2 транзистор, силовой согласующий трансформатор 10, четвертый 4 транзистор), когда напряжение на накопительном конденсаторе 20 снижается до значения источника питания 9, ток нагрузки будет подаваться по цепи (плюсовой выход источника питания 9, второй 16 транзистор рекуперации, силовой согласующий трансформатор 10, четвертый 4 транзистор). В момент времени t₅ сигнал управления U_y2 прекращается, второй 2 и четвертый 4 транзисторы закрываются, и ток будет протекать по цепи (плюсовой выход источника питания 9, второй 16 транзистор рекуперации, силовой согласующий трансформатор 10, первый 5 возвратный диод, накопительный конденсатор 20), накопительный конденсатор 20 заряжается до напряжения выше напряжения источника питания 9. В момент времени t₆ сигнал управления U_y4 прекращается и второй 16 транзистор рекуперации закрывается, в интервале времени от t₆ до t₇ происходит процесс аналогичный интервалу времени от t₃ до t₄ и ток нагрузки протекает по цепи (третий 7 возвратный диод, силовой согласующий трансформатор 10, первый 5 возвратный диод, накопительный конденсатор 20). Далее процесс повторяется аналогично периоду времени с момента t₁.

Распределитель импульсов 21 формирует сигналы управления первого 1, второго 2, третьего 3, четвертого 4 транзисторов, и первого 15, второго 16 транзисторов рекуперации а также формирует временные паузы для защиты от сквозных токов первого 1, второго 2, третьего 3, четвертого 4 транзисторов, и первого 15, второго 16 транзисторов рекуперации.

Емкость накопительного конденсатора 20 зависит от параметров силового согласующего трансформатора 10 и нагрузки 11.

Таким образом, в предлагаемой полезной модели мостового инвертора улучшается процесс передачи энергии в период рекуперации. Это достигается увеличением среднего значения тока на нагрузке и среднего значения тока рекуперации, за счет изменения начальных условий работы схемы путем увеличения напряжения питания транзисторов инвертора начиная со второго периода работы, что приводит к увеличению выходного напряжения.

Мостовой инвертор в виде однофазного транзисторного моста, состоящего из первого, второго, третьего, четвертого транзисторов, шунтированных первым, вторым, третьим, четвертым возвратными диодами, подключенного диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока - через силовой согласующий трансформатор к нагрузке, и системы управления, которая представляет собой типовой двухтактный широтно-импульсный модулятор, содержащий двухтактный автогенератор, двухтактный генератор пилообразного напряжения и компаратор, отличающийся тем, что дополнительно введены транзисторы рекуперации, разделительные диоды, входной диод, накопительный конденсатор и распределитель импульсов в системе управления, причем первый положительный выход источника питания соединен с анодом входного диода, катод которого подключен к накопительному конденсатору, к катодам первого и второго возвратных диодов и к стокам первого и второго транзисторов, кроме того, первый положительный выход источника питания соединен со стоками первого и второго транзисторов рекуперации, истоки которых подключены соответственно к анодам первого и второго разделительных диодов, катоды которых соединены с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора, второй отрицательный выход источника питания соединен с минусовым выводом накопительного конденсатора, с истоками третьего и четвертого транзисторов и с анодами третьего и четвертого возвратных диодов, катоды которых соединены соответственно с анодами первого и второго возвратных диодов, с истоками первого и второго транзисторов и со стоками третьего и четвертого транзисторов, и с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора, причем первый выход распределителя импульсов соединен с затворами первого и третьего транзисторов, второй выход распределителя импульсов соединен с затворами второго и четвертого транзисторов, третий выход распределителя импульсов соединен с затвором первого транзистора рекуперации, четвертый выход распределителя импульсов соединен с затвором второго транзистора рекуперации, первый вход распределителя импульсов соединен с первым выходом двухтактного автогенератора, а второй вход распределителя импульсов соединен с выходом компаратора, первый вход которого непосредственно связан с сигналом управления, а второй вход соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, вход которого соединен со вторым выходом двухтактного автогенератора.