Автономный низкочастотный инвертор

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области преобразовательной техники. Технический результат автономного низкочастотного инвертора - упрощение схемы однофазного мостового инвертора напряжения и системы управления. В устройстве однофазный мостовой инвертор напряжения содержит два обратных диода, в систему управления введены генератор пилообразных напряжений, компаратор, распределитель импульсов, в каждый из каналов управления силовыми ключами введен таймер, выход которого подсоединен к входу первого формирователя импульсов, причем выходы источника противофазных тактовых импульсов соединены с входами генератора пилообразных напряжений, распределителя импульсов и таймеров в каждом канале управления силовыми ключами однофазного мостового инвертора напряжения, выход генератора пилообразных напряжений соединен с первым входом компаратора, а его второй вход с выходом управляющего органа. 1 н.п., 2 з.п. ф-лы.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области преобразовательной техники.

Известен однофазный мостовой автономный инвертор напряжения (АИН), выполненный на основе двухоперационных запираемых тиристоров с широтно-импульсным регулированием и звеном постоянного тока, выполненном 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 тиристорных ключей импульсами, смещенными на 180 электрических градусов. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки через обратные диоды 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;

t1/f - время протекания тока через батарею конденсаторов;

U - допустимая величина перенапряжения на конденсаторах.

При токе в несколько сотен ампер и малых частотах f (менее 5 Гц) емкость батареи конденсаторов может достигать больших величин, что является основным недостатком данного устройства.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению и взятым за прототип является автономный низкочастотный инвертор с активно-индуктивной нагрузкой, с транзисторной силовой частью и двухканальной системой управления (RU 98650 U1 с приоритетом от 24.05.2010, опубликовано 20.10.2010, Бюл. 29).

Силовая часть АИН прототипа с активно-индуктивной нагрузкой представляет собой однофазный мостовой инвертор, состоящий из выпрямителя и силовых транзисторных ключей с четырьмя обратными диодами. Управление силовыми ключами инвертора осуществляется от двухканальной системы управления с идентичными каналами управления. В каждом канале управления имеются формирователи импульсов управления и, содержащие драйверы (устройства для управления силовыми ключами).

Регулирование выходного напряжения инвертора происходит за счет изменения длительности ₂ включенного состояния силовых ключей и, которая определяется формирователями импульсов в каналах управления и в функции управляющего сигнала U_p управляющего органа. Усложненная схема однофазного мостового инвертора напряжения и системы управления, где в каждом канале управления силовыми ключами формирователи импульсов содержат фазосмещающие устройства, приводит к возникновению асимметрии управляющих импульсов, поступающих на силовые ключи, что негативно сказывается на качестве выходного напряжения инвертора, увеличивает потери мощности в нагрузке, усложняет систему регулирования, и как следствие понижает надежность и к.п.д в целом.

Технический результат заявляемого устройства - упрощение схемы однофазного мостового инвертора напряжения и системы управления.

Технический результат достигается тем, что в автономном низкочастотном инверторе, содержащим однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на основе выпрямителя, силовых ключей и обратных диодов, активно-индуктивную нагрузку и систему управления с источником противофазных тактовых импульсов с частотой f, идентичными каналами управления силовыми ключами, каждый из которых содержит пару формирователей импульсов управления, соединенных с управляющими цепями силовых ключей, управляющим органом, однофазный мостовой инвертор напряжения содержит два обратных диода, в систему управления введены генератор пилообразных напряжений, компаратор, распределитель импульсов, в каждый из каналов управления силовыми ключами введен таймер, выход которого подсоединен к входу первого формирователя импульсов, причем выходы источника противофазных тактовых импульсов соединены с входами генератора пилообразных напряжений, распределителя импульсов и таймеров в каждом канале управления силовыми ключами, выход генератора пилообразных напряжений соединен с первым входом компаратора, а его второй вход с выходом управляющего органа. Генератор пилообразных напряжений выполнен с частотой 2f. Распределитель импульсов содержит, например, два ключа, выходы которых соединены с входами вторых формирователей импульсов управления обоих каналов управления силовыми ключами.

Благодаря тому, что в систему управления введены генератор пилообразных напряжений, компаратор, распределитель импульсов, а в каждый из каналов управления силовыми ключами введен таймер, в однофазном мостовом инверторе напряжения содержится только два обратных диода, вместо четырех по сравнению с прототипом упрощается схема однофазного мостового инвертора напряжения и системы управления. В устройстве исключается возникновение асимметрии управляющих импульсов, поступающих на силовые ключи, повышается качество выходного напряжения инвертора, снижается потеря мощности в нагрузке, и как следствие повышается надежность и к.п.д в целом.

На фиг.1 приведена схема прототипа, на фиг.2 - показана схема предлагаемого устройства, на фиг.3 - показана схема источника противофазных тактовых импульсов, на фиг.4 - диаграммы работы предлагаемого устройства. На фигурах приняты следующие обозначения:

1 - однофазный мостовой инвертор напряжения;

2 - выпрямитель;

3, 5 - силовые ключи, выполненные на тиристорах;

4, 6 - силовые ключи, выполненные на транзисторах (транзисторы);

7, 8 - обратные диоды;

9 - активно-индуктивная нагрузка (u, i - напряжение и ток в нагрузке);

10 - система управления;

11 - источник противофазных тактовых импульсов с частотой f и двумя выходами «a» и «x» (источник 11 может быть выполнен, например, на основе генератора 26 и двух компараторов 27 и 28);

12, 13 - каналы управления силовыми ключами однофазного мостового инвертора;

14 - первые формирователи импульсов;

15 - вторые формирователи импульсов;

16 - управляющий орган;

17 - генератор пилообразных напряжений с частотой выходного сигнала 2f, выполненный, например, на элементах 2123;

18 - компаратор;

19 - распределитель импульсов, состоящий, например, из двух ключей 24 и 25;

20 - управляющий орган;

21 - усилитель;

22 - ключ «сброса» (для обнуления конденсатора в интеграторе 23);

23 - интегратор;

24, 25 - ключи управления;

26 - генератор синусоидального напряжения с частотой f;

27, 28 - компараторы;

U_и - напряжение импульсов «сброса» на выходе 21;

U _п - пилообразное напряжение на выходе 23;

U_у - напряжение управления на выходе 20;

U_p - напряжение на входе 20;

U _см - напряжение смещения на входе 21.

U ₁, U₂, a, x, U_и, U_п , U_у - сигналы;

ФИ1 - 14, ФИ2 - 15 - соответствующие формирователи импульсов 1 и 2 в канале управления 12, их цифровые обозначения 14 и 15;

ФИ1 - 14, ФИ2 - 15 - то же, но в канале управления 13;

₁, ₂ - длительность импульсов соответственно на выходах блоков 14, 15 в каналах управления 12 и 13;

₁(3), ₁(5) - длительность импульсов управления на тиристорах 3 и 5;

₂(4), ₂(6) - то же на транзисторах 4 и 6;

t₁ - время нарастания и спада до нуля тока нагрузки i;

t - время импульса «сброса» U_и;

U_d - напряжение на выходе выпрямителя 2;

u, i - соответственно напряжение и ток в нагрузке 9.

Устройство содержит однофазный мостовой инвертор напряжения 1, в состав которого входят выпрямитель 2, силовые ключи 36, выполненные на тиристорах 3 и 5, транзисторах 4 и 6, два обратных диода 7, 8, активно-индуктивная нагрузка 9, систему управления 10, состоящую из источника противофазных тактовых импульсов 11 с частотой f, двух идентичных каналов управления силовыми ключами 12, 13, генератор пилообразных напряжений 17, компаратор 18, распределитель импульсов 19, управляющий орган 10. В каждом из каналов управления силовыми ключами 12, 13 содержится таймер 20, выход которого подсоединен к входу первого формирователя импульсов 14, причем выходы источника противофазных тактовых импульсов 11 соединены с входами генератора пилообразных напряжений 17, распределителя импульсов 19 и таймеров 20 в каждом канале управления силовыми ключами однофазного мостового инвертора напряжения 12, 13, выход генератора пилообразных напряжений 17 соединен с первым входом компаратора 18, а его второй вход с выходом управляющего органа 16.

Работа заявляемого устройства

На выходах «a» и «x» источника тактовых импульсов 11 образуются две противофазных последовательности импульсов с заданной частотой f, которая при помощи генератора пилообразных напряжений 17 преобразуется в пилообразное напряжение U_п с частотой 2f. Генератор пилообразных напряжений содержит усилитель 21, ключ «сброса» 22 и интегратор 23. Данный процесс отражен четырьмя верхними диаграммами на фиг.3, где U₁ и U₂ - напряжения на выходах « a» и «x» источника противофазных тактовых импульсов 11. Импульс напряжения U_и образуется на выходе усилителя 21 и поступает на ключ 22, кратковременно (в течение t) шунтирующий конденсатор интегратора 23, осуществляя «сброс» «пилы» от максимума до нуля два раза за период Т=1/f. Сигнал U_п с выхода 23 подается на первый вход компаратора 18, а на его второй вход поступает сигнал U_у с выхода 16. В результате сравнения указанных сигналов на выходе 18 возникает сигнал U₃ (фиг.3д) с частотой 2f, который, проходя через ключи 24, 25 на входах формирователей импульсов ФИ2 (15) в каналах управления силовыми ключами 12, 13, превращается в два противофазных сигнала U₄ и U₅ с длительностью ₂ и частотой f (фиг.3е и фиг.3ж). При этом на таймеры 16 в блоках 12, 13 поступают сигналы U₁ и U₂ с частотой f (фиг.3а и фиг.3б). В результате на выходах каждого из каналов управления силовыми ключами 12 и 13 возникают по две последовательности импульсов разной длительности ₁ и ₂ (фиг.3з, 3л). В этом случае ₁ выбирается из условия надежного отпирания тиристоров 3, 5 с учетом электромагнитной инерции активно-индуктивной нагрузки 9. За время ₁ ток в тиристоре должен нарасти до величины, большей тока удержания. Длительность ₂ определяется сигналом U_у (точки N₁ и N₂ на фиг.3г) и определяет выходное напряжение и на нагрузке 9 (фиг.3м).

В каждом канале управления силовыми ключами 12, 13 передние фронты импульсов управления с выходов формирователей импульсов 14 и 15 совпадают. Ток i спадает через включенный тиристор, например, 3, и диод 8 (или тиристор 5 и диод 7) в течение времени t₁ (фиг.3м), которое определяется электромагнитной постоянной времени цепи нагрузки T_э и равна

t₁4T_э=4L/R.

Условие безопасной работы АИН, исключающее аварийный режим короткого замыкания по цепи тиристор 3 и транзистор 4 (или 5 и 6), имеет вид:

₂+t₁<0,5Т, где T=1/f.

Работа вентилей дана на фиг.3н.

Действующее значение напряжения на активно-индуктивной нагрузке 9 определяется формулой:

где ₂ - регулируемая длительность в секундах, f - частота в герцах.

Величина ₂ зависит от значения напряжения управления U_у

где U_п.m - максимальное напряжение «пилы».

Максимальная величина _2max=(0,5/f+t₁), обеспечивающая исключение аварийного режима АИН, устанавливается ограничением сигнала U _уmax управляющего органа 16. Объединяя формулы (1) и (2), окончательно имеем:

где - относительная величина напряжения управления.

Так, при , что очевидно из фиг.3м.

Следует отметить, что источник тактовых импульсов 11 может быть выполнен, например, на основе генератора синусоидальных колебаний 26 и двух компараторов 27, 28. За счет определенного порога срабатывания компараторов на выходах «a», «x» имеем импульсы в соответствии с фиг.3.

Таким образом, благодаря тому, что в систему управления введены генератор пилообразных напряжений, компаратор, распределитель импульсов, а в каждый из каналов управления силовыми ключами введен таймер, в однофазном мостовом инверторе напряжения содержится только два обратных диода, вместо четырех по сравнению с прототипом упрощается схема однофазного мостового инвертора напряжения и системы управления. В устройстве исключается возникновение асимметрии управляющих импульсов, поступающих на силовые ключи, повышается качество выходного напряжения инвертора, снижается потеря мощности в нагрузке, и как следствие повышается надежность и к.п.д в целом.

1. Автономный низкочастотный инвертор, содержащий однофазный мостовой инвертор напряжения, выполненный на основе выпрямителя, силовых ключей и обратных диодов, активно-индуктивную нагрузку и систему управления с источником противофазных тактовых импульсов с частотой f, идентичными каналами управления силовыми ключами однофазного мостового инвертора напряжения, каждый из которых содержит формирователи импульсов управления, соединенные с управляющими цепями силовых ключей, управляющим органом, отличающийся тем, что однофазный мостовой инвертор напряжения содержит два обратных диода, в систему управления введены генератор пилообразных напряжений, компаратор, распределитель импульсов, в каждый из каналов управления силовыми ключами введен таймер, выход которого подсоединен к входу первого формирователя импульсов, причем выходы источника противофазных тактовых импульсов соединены с входами генератора пилообразных напряжений, распределителя импульсов и таймеров в каждом канале управления силовыми ключами однофазного мостового инвертора напряжения, выход генератора пилообразных напряжений соединен с первым входом компаратора, а его второй вход с выходом управляющего органа.

2. Автономный низкочастотный инвертор по п.1, отличающийся тем, что генератор пилообразных напряжений выполнен с частотой 2f.

3. Автономный низкочастотный инвертор по п.1, отличающийся тем, что распределитель импульсов содержит, например, два ключа, выходы которых соединены с входами вторых формирователей импульсов управления обоих каналов управления силовыми ключами однофазного мостового инвертора напряжения.