Автономный инвертор напряжения

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области преобразовательной техники для преобразователей низкой частоты. 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 АИН при упрощении схемы и повышении надежности устройства в целом.

Полезная модель относится к электротехнике, в частности, к области преобразовательной техники для преобразователей низкой частоты.

Известен автономный инвертор напряжения (далее АИН), выполненный на базе двухоперационных запираемых тиристорных ключей 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 ключей импульсами, смещенными на 180° эл. При переключении ключей электромагнитная энергия нагрузки сбрасывается в батарею конденсаторов источника постоянного напряжения. При токе в несколько сотен ампер и низких частотах емкость батареи конденсаторов может достигать величин фарад.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению, взятым за прототип является 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 U_d , 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 / с помощью вспомогательных коммутирующих тиристоров VS₁'-VS₄' и реактивных элементов С_к, L_к, 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, ПРУ ₂, формирователи выходных импульсов для тиристорных ключей ФИ₁-ФИ₄ и ФИ₁'-ФИ₄ '.

Недостатками прототипа являются:

- необходимость в батарее конденсаторов с большими величинами емкости для сброса реактивной энергии нагрузки при выполнении источника постоянного напряжения U_d в виде выпрямителя и большими габаритными размерами;

- сложность системы управления.

Технический результат заявляемой полезной модели - упрощение схемы АИН и системы управления, повышение надежности работы устройства.

Технический результат достигается тем, что в 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, каждый из которых содержит 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 ₂ второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности ₁ первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.

Сущностью полезной модели 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 АИН при упрощении схемы и повышении надежности устройства в целом.

На фиг.1 приведена схема заявляемого однофазного мостового АНН, где приняты следующие обозначения:

1 - выпрямитель;

U_d - 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, 10 и 9, 6;

16 - первый формирователь управляющих импульсов ФИ1 длительностью ₁;

17 - второй формирователь управляющих импульсов ФИ2 длительностью ₂;

18 - регулирующий орган.

На фиг.2 даны диаграммы заявляемого устройства, где:

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

- диаграмма б) - диаграмма работы АИН:

u(t) - напряжение на нагрузке;

I_m - амплитудное значение тока нагрузки;

- диаграмма в) - проводящие ток элементы АИН;

- диаграмма г) - диаграммы управляющих импульсов с длительностями ₁ и ₂, получаемых от формирователей управляющих импульсов 16, 17 канала управления 14 и поступающих на соответствующие ключи 5, 10;

t - 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 ₁ и ₂, получаемых от формирователей импульсов 16, 17 канала управления ключами 15 и поступающих на соответствующие ключи 9, 6.

АИН 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 ₁ с запускающим входом, 17 - второй формирователь управляющих импульсов ФИ2 длительностью ₂ с запускающим и регулирующим входами. Запускающие входы формирователей управляющих импульсов 16, 17 соединены между собой и подключены соответственно к первому и второму выходам генератора тактовых импульсов 13. Регулирующий орган 18 подключен к регулирующему входу формирователя управляющих импульсов 17 в каждом канале управления и обеспечивает регулирование длительности ₂ управляющего импульса. 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 ₂ одного канала и передним фронтом импульса с большей длительностью ₁ другого канала создается пауза ₀ (фиг.3), которая больше времени t₁ спада тока нагрузки до нуля.

Работа АИН 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 ₂, вырабатываемыми каналами управления 14, 15. В результате по окончании импульсов с длительностью ₂ 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 ₀, определяющаяся временем спада тока до нуля t₁ и временем задержки t. Включение следующей пары транзисторных ключей происходит после задержки t (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:

t₀=t₁+t,

где:

t₁ 4Т_н при экспоненциальном характере нарастания и спада тока;

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

Регулирование напряжения на активно-индуктивной нагрузке осуществляется изменением ₂ в зависимости от сигнала регулирования U _p на входе регулирующего органа.

Действующее значение выходного напряжения АИН определяется:

,

где:

_2р - длительность импульса ФИ2 в радианах;

_2с - длительность импульса ФИ2 в секундах;

f - частота в герцах.

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

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, каждый из которых содержит 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 ₂ второго формирователя одного канала и передним фронтом импульса большей длительности ₁ первого формирователя другого канала больше времени спада тока нагрузки до нуля.