RU1802911C - Инвертор - Google Patents

Abstract

Использование: в сильноточной полупроводниковой электронике, в электротермии и плазмохимии. Сущность изобретени : устройство содержит мост, в каждое плечо которого включены отсекающий диод (21) и реверсивно включаемый динистор (12). Последовательно с дросселем (10) включен первый дроссель насыщени  (20), а последовательно с обратным диодом (11) - второй дроссель насыщени  (22). Система управлени  выполнена в виде четырех блоков, каж-. дый из которых подключен параллельно реверсивно включаемому динистору. В устройстве обеспечиваетс  однородное переключение и надежное выключение реверсивно включаемых вентилей. 1 з. п. ф-лы, 1 ил. (Л С 00 S о

Description

Изобретение относитс  к сильноточной полупроводниковой электронике и может быть использовано в электротермии и плаз- мохимии.

Целью изобретени   вл етс  увеличение мощности.

Суть изобретени  по сн етс  чертежом , где 1 - источник питани , подключенный ко входным выводам инвертора, 2 - дроссель фильтра, 3, 4, 5, б- плечи моста инвертора, 7 - коммутирующий конденсатор , 8 - разделительный конденсатор, 9 - нагрузка, подключенна  к выходным выводам инвертора, 10-дроссель, 11 -обратный диод, 12 - реверсивно включаемый динистор (РВД), 13 - блок управлени , 14 - дополнительный диод, 15 - резистор, 16 - тиристор, 17 - конденсатор, 18 - зар дное устройство, 19 - дополнительный дроссель, 20 - первый дроссель насыщени , 21 - отсекающий диод, 22 - второй дроссель насыщени ,

Коммутационный узел инвертора собран по мостовой схеме. Во внешней диагонали моста установлены последовательно соединенные разделительный конденсатор

со

8 и нагрузка 9, подключенна  к выходным выводам инвертора, во внутренней диагонали переменного тока - коммутирующий конденсатор 7. Источник питани  1 подключен ко входным выводам инвертора и соединен последовательно с дросселем фильтра 2, конденсатором 8 и нагрузкой 9. .

В состав каждого плеча 3, 4, 5, 6 вход т последовательно соединенные дроссель 10, дроссель насыщени  20 и вентильна   чейка , состо ща  из последовательно соединенных отсекающего диода 21 и РВД 12. Параллельно вентильной  чейке подключена последовательна  цепь, состо ща  из дроссел  насыщени  22 и обратного диода 11, Катод диода 11 соединен с анодом диода 21, катод диода 21 соединен с анодом РВД 12. Параллельно РВД 12 подключен блок управлени  13.

В состав блока 13 вход т последовательно соединенные тиристор 16, дроссель 19 и конденсатор 17 с зар дным устройством 18, а также последовательно соединенные диод 14 и резистор 15. Катод диода 14 подключен к аноду тиристора 16.

В предлагаемом инверторе формирование гармонических колебаний на нагрузке 9 происходит в результате пр мого и обратного перезар да конденсатора 7 через диаметрально противолежащие плечи 3, б и 4, 5. Пр мой перезар д конденсатора 7 происходит по цеп м РВД плечей 3, 6 и 4, 5. Обратный - по цеп м обратных диодов этих плеч. Каждое плечо инвертора работает с частотой f, при этом на нагрузке 9 возникают колебани , следующие с частотой 2f.

Переходные процессы, возникающие в схеме инвертора при коммутации тока в нагрузку 9, рассмотрим на примере плеча 3.

Переключение РВД 12 в провод щее состо ние осуществл етс  в результате включени  блока управлени  13, вырабатывающего короткий (1-2 мкс) импульс тока управлени ,  вл ющийс  обратным по отношению к основному току, коммутируемому РВД 12 в процессе пр мого перезар да конденсатора 7. В силу конструктивных особенностей РВД 12 ток управлени  распредел етс  однородно по его площади и обуславливает последующее однородное переключение этого прибора.

При прохождении через РВД 12 тока управлени  дроссели насыщени  20. 22, обладающие в исходном состо нии достаточно большой индуктивностью, преп тствуют ответвлению этого тока в цепь обратного диода 11 и в цепь конденсатора 7. В результате практически весь ток, формируемый блоком управлени  13. проходит через

РВД 12 и в его структуре накапливаетс  значительный зар д включающих носителей , необходимый дл  однородного переключени ,

В процессе прохождени  тока управлени  через РВД 12 к дроссел м 20, 22 прикладываетс  напр жение, привод щее к перемагничиванию их сердечников, Величина напр жени , прикладываемого к дрос0 селю 22,фактически равна величине напр жени  на РВД 12 при прохождении тока управлени . Параметры этого дроссел  выбираютс  таким образом, чтобы в процессе запуска РВД 12 сердечник дроссел  22 не

5 насыщалс  и его индуктивность была велика , а в процессе формировани  тока обратного перезар да конденсатора 7, проход щего через диод 11, сердечник дроссел  22 быстро насыщалс  и индуктив0 ность дроссел  становилась пренебрежимо малой. Практически это легко осуществл етс ,так как величина падени  напр жени  на РВД 12 при прохождении тока управлени  много меньше величины напр жени  зар 5 да конденсатора 7. В процессе запуска РВД / 12 дроссель 20 блокирует фактически все напр жение, прикладываемое к РВД 12 до момента включени  блока управлени  13, Параметры дроссел  20 выбираютс  таким

0 образом, чтобы к моменту окончани  тока управлени  его сердечник приходил в состо ние насыщени . При этом индуктивность дроссел  20 резко уменьшаетс  и ток в цепи плеча 3 резко нарастает, Так как к моменту

5 окончани  тока управлени  в структуре РВД 12 уже накоплен достаточный зар д включающих носителей, то при насыщении сердечника дроссел  20 РВД 12 без задержки переключаетс  и коммутирует ток пр мого

0 перезар да конденсатора 7.

После окончани  процесса пр мого перезар да конденсатора 7 к вентильной  чейке плеча 3 прикладываетс  обратное напр жение. При этом сердечник дроссел 

5 22 очень быстро насыщаетс  и по цепи диода 11 проходит ток обратного перезар да конденсатора 7, Диод 21 блокирует напр жение , возникающее в цепи диода 11,и создает бестоковую паузу в цепи РВД 12,

0 необходимую дл  его выключени . Так как индуктивность дроссел  22 в насыщенном состо нии очень мала, то он фактически не оказывает вли ни  на процесс обратного перезар да конденсатора 7 и на процесс

5 выключени  РВД 12.

После окончани  тока обратного перезар да конденсатора 7 к РВД 12 прикладываетс  пр мое напр жение, которое он блокирует до момента следующего включени  блока управлени  13.

Формирование тока управлени  в блоке 13 происходит следующим образом. В исходном состо нии конденсатор 17 зар жен до небольшого напр жени  от зар дного устройства 18 в указанной на чертеже пол рности . При включении тиристора 16 происходит разр д конденсатора 17 через РВД 12, тиристор 16 и дроссель 19. Ток разр да  вл етс  током управлени  РВД 12. Вследствие малого электрического сопротивлени  РВД 12 в обратном направлении разр д конденсатора 17 носит колебательный характер и конденсатор 17 перезар жаетс  до напр жени , близкого к исходному. Повторный разр д конденсатора 17 проходит через дросселе 19, резистор 15, диод 14 и включенный РВД 12. Он носит апериодический характер. В результате запасенна  в конденсаторе 17 энерги  рассеиваетс  на резисторе 15 и блок 13 полностью обесточиваетс .

Существование тока повторного разр да конденсатора 17, проход щего через включенный РВД 12, играет важную роль в переходном режиме запуска инвертора и при изменении сопротивлени  нагрузки 9. Как известно в этих режимах работы инвертора наблюдаетс  значительное изменение напр жени  на конденсаторах 7, 8. В результате мен етс  величина напр жени , прикладываемого к дросселю 20 в процессе запуска РВД 12,и врем  перемагничивани  сердечника этого дроссел . При увеличении времени перемагничивани  сердечника дроссел  20 момент его насыщени  может наступить позже момента окончани  тока управлени  РВД 12. При этом величина накопленного в структуре РВД 12 зар да включающих носителей резко уменьшаетс  вследствие их рекомбинации, что приводит к неоднородному включению РВД 12 и к его пробою.

Благодар  достаточно длительному существованию тока повторного разр да конденсатора 17. РВД 12 поддерживаетс  во включенном состо нии до момента насыщени  сердечника дроссел  20 даже при существенном увеличении времени его пе- ,ремагничивани . При этом однород- н бсть переключени  РВД 12 сохран етс ,

Вследствие однородного переключени  потери энергии в РВД инвертора невелики и слабо завис т от длительности коммутируемых импульсов тока. Малые потери энергии обуславливают большие коммутационные возможности РВД, которые на частотах свыше 10 кГц в 3-5 раз {5} превосход т возможности обычных тиристо- роз.

Таким образом, в результате эффективного использовани  РВД предельна  мощность предлагаемого инвертора на частоте свыше 10 кГц возрастает в несколько раз по

5 сравнению с устройством-прототипом.

Эффективное использование РВД осуществл етс  благодар  введению в схему инвертора дополнительных элементов, совокупна  св зь которых обеспечивает одно0 родное переключение и надежное выключение РВД.

Так, введение в схему инвертора дросселей насыщени  позвол ет осуществить однородное переключение РВД, при кото5 ром их коммутационные возможности максимальны . Введение в схему отсекающих диодов обеспечивает надежное выключение РВД. Использование предлагаемых блоков управлени  позвол ет создать необ0 ходимый дл  однородного переключени  ток управлени  и сохранить работоспособность инвертора в переходном режиме запуска и при изменении сопротивлени  нагрузки.

5Новизна совокупности существенных признаков предлагаемого устройства заключаетс  в следующем.

Несмотр  на то, что применение РВД в качестве коммутирующих элементов изве0 стно, в несимметричных инверторах они не использовались ,так как не было возможным обеспечить однородное переключение и надежное выключение РВД. Разработанна  схема позвол ет использовать РВД в этом

5 классе устройств при однородном их включении и надежном выключении, что и обеспечивает увеличение мощности инвертора.

По предлагаемой схеме был собран

0 мощный инвертор ультразвукового диапазона . В качестве РВД 12 использовались опытные образцы РВД (3), разработанные в, ФТИ АН СССР, они имели рабочую площадь 4 CMZ, повтор ющеес  напр жение 1 кВ,

5 врем  выключени  10 мкс. Дроссели насыщени  20, 22 были выполнены на феррито- вых кольцах марки НМС-2500 размером : : 45 х 30 х 20 и имели один виток. Дроссель 20; состоит из 15 колец, дроссель 22 - из 2

0 колец. В качестве диодов 21 и 11 использовались опытные образцы кремниевых высо кочастотных диодов, разработанные в ФТИ АН СССР, они имели рабочую площадь 4 см , повтор ющеес  напр жение 1 кВ и вре- 5 м  восстановлени  0,5 мкс. В качестве тири- сто-ров 16 использовались тиристоры ТЧИ-100, в качестве диодов 14 - ДЛ 132-50. РВД, диоды, тиристоры и дроссели насыщени  охлаждались проточной водой. Дроссели 2. 10 и 19 были выполнены без

ферромагнитных сердечников. Индуктивность этих дросселей соответственно 100, 4 и 1 мкГн. В качестве конденсаторов 7, 8 использовались конденсаторы марки К 75- 45, в качестве конденсаторов 17 - марки К 78-2. Емкость конденсаторов 7, 8 - 4 мкФ, конденсатора 17 - 1 мкФ. Сопротивление резистора 15 - 2,5 Ом, Источник 1 имел плавную регулировку выходного напр жени  и был собран на основе тиристорного выпр мител , питающегос  от сети 3 х380 В, 50 Гц, Зар дное устройство 18 питалось от однофазной сети 220 В, 50 Гц и состо ло из понижающего трансформатора, мостового выпр мител , емкости фильтра, зар дного дроссел  и вспомогательного тиристора. При включении вспомогательного тиристора обеспечивалс  зар д конденсатора 17 до напр жени  150 В.

В процессе испытаний инвертор на базе РВД успешно работал на частоте 33 кГц при разных величинах электрического сопротивлени  нагрузки, При этом максимальна  мощность инвертора составила 50 кВт, что в 3-5 раз выше предельной мощности инвертора устройства-прототипа, собранного на базе тиристоров.

Так как коммутационные возможности РВД при их однородном включении возрастают фактически пропорционально их рабочей площади, то при использовании предлагаемой схемы инвертора оказываетс  возможным создание ультразвуковых полупроводниковых устройств мощностью свыше 100 кВт, Необходимость создани  таких устройств диктуетс  современным уровнем развити  электротермии и плазмо- химии.

Ф о р м у л а и з о б р е т е н и  

Claims (2)

1. Инвертор, содержащий подключенные к входным выводам через дроссель фильтра последовательную цепь, состо щую из разделительного конденсатора и выходных выводов, и мост с коммутирующим конденсатором в диагонали переменного тока, в каждое плечо которого включены вентильна   чейка с последовательно соединенным дросселем и обратный диод, а также систему управлени , отличающийс  тем, что, с целью увеличени  мощности, в каждое плечо моста введены два дроссел  насыщени , кажда  вентильна   чейка выполнена в виде последовательно соединенных отсекающего диода и реверсивно включаемого динистора, а система управлени  выполнена в виде четырех блоков, каждый из которых подключен параллельно соответствующему реверсивно включаемому динистору, катодом соединенному с положительным выводом указанного блока управлени , первый дроссель насыщени  включен между дросселем плеча и

вентильной  чейкой, а второй дроссель насыщени  соединен одним концом с анодом , обратного диода, а другим концом - с катодом реверсивно включаемого динистора, соединенного анодом с катодом отсекающего диода, к аноду которого подключен катод обратного диода.

2. Инвертор по п. 1, отличающийс  тем, что каждый блок управлени  выполнен в виде последовательно соединенных тиристора , дополнительного дроссел  и конденсатора с зар дным устройством, причем параллельно тиристору подключена цепь, состо ща  из последовательно соединенных резистора и дополнительного диода, катод которого

подключен к аноду тиристора.