RU2080735C1

RU2080735C1 - Autonomous inverter

Info

Publication number: RU2080735C1
Application number: RU93047458A
Authority: RU
Inventors: Г.С. Зиновьев; В.И. Попов; Н.И. Аникеева; И.А. Баховцев
Original assignee: Новосибирский государственный технический университет
Priority date: 1993-10-12
Filing date: 1993-10-12
Publication date: 1997-05-27

Abstract

FIELD: power converters, in particular, thyristor secondary power supplies of middle and large power for arc electric welding. SUBSTANCE: device has two filtering isolating capacitors 3 and 4 with middle point, two inverter cells 5 and 6 which have switching capacitors 7, 8 and chokes 9, 10, thyristors 11, 12 and reverse diodes 13 and 14. In addition device has two output transformers 15 and 16 which have primary windings 17, 18 and secondary windings 19, 20, autonomous load 21 and two dampening diodes 22 and 23. EFFECT: possibility to control output voltage by means of phase regulation ( voltage shape is same as using pulse-width modulation, switching capacity of inverter does not depend on load); this results in possibility for inverter to operate at load jumps; this also results in possibility to generate arbitrary external characteristic of inverter. 2 dwg

Description

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при построении тиристорных источников вторичного питания средней и большой мощности, в том числе и инверторных источников питания для дуговой электросварки, применительно к которым этот инвертор и был разработан. The invention relates to a conversion technique and can be used in the construction of thyristor secondary power sources of medium and high power, including inverter power sources for electric arc welding, for which this inverter was developed.

Известны схемы однофазных автономных инверторов напряжения с трансформаторным выходом, в которых возможно фазовое регулирование выходного напряжения, дающее в итоге форму выходного напряжения как при широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Эти инверторы могут быть выполнены на тиристорах по мостовой схеме Чванов В.А. Розанов Ю.К. Автономные инверторы со стабилизированными параметрами. Итоги науки и техники, серия: Силовая преобразовательная техника. М. ВИНИТИ, 1984, том 3, с. 18) с узлами искусственной коммутации, содержащими дополнительные тиристоры (рис. 17) или без них (рис. 18,б). Known circuits for single-phase autonomous voltage inverters with transformer output, in which phase regulation of the output voltage is possible, giving as a result the shape of the output voltage as in pulse-width modulation (PWM). These inverters can be made on thyristors according to the bridge circuit V. A. Chvanov. Rozanov Yu.K. Autonomous inverters with stabilized parameters. Results of science and technology, series: Power converting equipment. M. VINITI, 1984, volume 3, p. 18) with nodes of artificial switching containing additional thyristors (Fig. 17) or without them (Fig. 18, b).

Однако общим недостатком этих схем является сложность схемы, содержащей не менее четырех тиристоров. However, a common drawback of these circuits is the complexity of the circuit containing at least four thyristors.

Известны также автономные инверторы, выполненные по нулевым схемам, (Бедфорд Б. Хофт Р. Теория автономных инверторов. М. Энергия, 1969, с. 197, рис.6 17,б), причем узлы коммутации на схеме не показаны. Autonomous inverters made according to zero circuits are also known (Bedford B. Hooft R. The theory of autonomous inverters. M. Energia, 1969, p. 197, Fig. 6 17, b), and the switching nodes in the diagram are not shown.

Однако недостатком и этой схемы является сложность (не менее четырех тиристоров). However, the drawback of this circuit is the complexity (at least four thyristors).

Кроме того, известен автономный инвертор, принятый за прототип, (Чванов В. А. Розанов Ю.К. Автономные инверторы со стабилизированными параметрами. Итоги науки и техники, серия: Силовая преобразовательная техника. М. ВИНИТИ, 1984, том 3, с.12, рис. 12, б) с прямоугольным выходным напряжением при трансформаторном выходе, выполненный по простой (двухтиристорная) схеме, содержащей две инверторные ячейки, каждая из которых содержит встречно-параллельно включенные тиристор и диод и последовательный резонансный LC-контур, один конец первой ячейки, образованный соединением конденсатора с анодом тиристора и катодом диода подключен к выводу первичной обмотки выходного трансформатора, аналогичное соединение второй инверторной ячейки подключено ко второму выводу первичной обмотки выходного трансформатора, а средняя точка этой обмотки присоединена к плюсу источника питания, вторые концы инверторных ячеек, образованные соединением катодов тиристоров и анодов диодов, а также с дросселями контура, подключены к минусу источника питания, концы вторичной обмотки выходного трансформатора подключены к автономной нагрузке. In addition, there is a known autonomous inverter adopted for the prototype (V. Chvanov, A. Rozanov, Autonomous inverters with stabilized parameters. Results of science and technology, series: Power converting equipment. M. VINITI, 1984, volume 3, p. 12, Fig. 12, b) with a rectangular output voltage at the transformer output, made according to a simple (two-thyristor) circuit containing two inverter cells, each of which contains counter-parallel connected thyristor and diode and a series resonant LC circuit, one end of the first cell images connected by a capacitor to the thyristor anode and the cathode of the diode is connected to the output terminal of the output transformer, a similar connection of the second inverter cell is connected to the second output of the primary winding of the output transformer, and the midpoint of this winding is connected to the plus of the power source, the second ends of the inverter cells formed by the connection of the cathodes thyristors and anodes of diodes, as well as with circuit chokes, are connected to the minus of the power source, the ends of the secondary winding of the output transformer are connected cheny autonomous load.

Однако указанный автономный инвертор имеет тот недостаток, что отсутствует возможность регулирования выходного напряжения инвертора методом фазового регулирования, т.е. получения формы напряжения, как при ШИМ, и невозможность сформировать необходимую внешнюю характеристику. However, this autonomous inverter has the disadvantage that it is not possible to control the inverter output voltage by the phase regulation method, i.e. obtaining a voltage form, as in PWM, and the inability to form the necessary external characteristic.

Задача изобретения создание такого автономного инвертора, который позволял бы получить широкий диапазон регулирования выходного напряжения и возможность сформировать любую внешнюю характеристику. The objective of the invention is the creation of such an autonomous inverter, which would allow to obtain a wide range of regulation of the output voltage and the ability to form any external characteristic.

Это достигается тем, что в автономный инвертор, содержащий две инветорные ячейки, каждая из которых содержит встречно-параллельно включенные тиристор и диод и последовательный резонансный LC-контур. Кроме того, выходной трансформатор введены два последовательно соединенных разделительно-фильтрующих конденсатора, второй выходной трансформатор и два демпфирующих диода, при этом первичные обмотки трансформаторов соединены последовательно, их общая точка соединена с общей точкой разделительно-фильтрующих конденсаторов, свободные выводы которых подключены к соответствующим выводам для подключения источника питания, тиристор и диод каждой инверторной ячейки включены между соответствующими свободными выводами первичных обмоток выходного трансформатора и соответствующим выводом для подключения источника питания и зашунтирована последовательным резонансным LC-контуром таким образом, что свободный вывод индуктивности каждого последовательного резонансного LC-контура соединен с соответствующими выводами первичной обмотки соответствующего выходного трансформатора, вторичные обмотки выходных трансформаторов формируют последовательную цепь, соединенную с выводами для подключения нагрузки, каждый из демпфирующих диодов включен между общей точкой конденсатора и индуктивности последовательного резонансного LC-контура соответствующей ячейки и не связанным с ней выводом для подключения источника питания в направлении, встречном напряжению источника питания. В этом решении получена коммутирующая способность автономного инвертора, не зависящая от нагрузки, что позволяет работать инвертору при скачкообразных изменениях нагрузки, кроме того, возможность фазового регулирования позволяет сформировать любую внешнюю характеристику инвертора. This is achieved by the fact that in a stand-alone inverter containing two inverter cells, each of which contains counter-parallel connected thyristor and diode and a series resonant LC circuit. In addition, the output transformer introduced two series-connected separation-filtering capacitors, the second output transformer and two damping diodes, while the primary windings of the transformers are connected in series, their common point is connected to the common point of the separation-filtering capacitors, the free terminals of which are connected to the corresponding conclusions for the power supply, thyristor and diode of each inverter cell are connected between the corresponding free terminals of the primary windings in lead transformer and the corresponding output for connecting the power source and shunted by a serial resonant LC circuit so that the free output of the inductance of each serial resonant LC circuit is connected to the corresponding terminals of the primary winding of the corresponding output transformer, the secondary windings of the output transformers form a serial circuit connected to the terminals to connect the load, each of the damping diodes is connected between a common point of the capacitor and the inductance of the series resonant LC circuit of the corresponding cell and an unconnected terminal for connecting the power source in a direction opposite to the voltage of the power source. In this solution, the switching ability of the autonomous inverter was obtained, which is independent of the load, which allows the inverter to work with abrupt changes in the load, in addition, the possibility of phase regulation allows you to create any external characteristic of the inverter.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого автономного инвертора; на фиг. 2 эпюры напряжений и токов, поясняющие принцип работы предлагаемого устройства. In FIG. 1 presents a schematic diagram of the proposed autonomous inverter; in FIG. 2 diagrams of voltages and currents, explaining the principle of operation of the proposed device.

Автономный инвертор, схема которого приведена на фиг. 1, содержит клеммы 1 и 2 для подключения источника питания, два фильтрующих разделительных конденсатора 3, 4 со средней точкой, обеспечивающие независимую работу двух инверторных ячеек 5, 6, состоящих из последовательно соединенных коммутирующих конденсаторов7, 8 и дросселей 9, 10 и параллельно подключенных к тиристорам 11 и 12 и обратным диодам 13 и 14. Ячейка 5 одним концом подключена к плюсу 1 источника питания, а вторым к выходному трансформатору 15, ячейка 6 подключена к минусу 2 источника питания и вторым концом к выходному трансформатору 16. Ячейки подключены к трансформаторам через первичные обмотки 17 и 18, присоединенных другими концами к средней точке конденсаторов 3, 4. Вторичные обмотки 19, 20 выходных трансформаторов соединены последовательно между собой и нагрузкой 21. Демпфирующий диод 22 подключен анодом к минусу 2 источника питания и катодом к общей точке конденсатора 7 и дросселя 9 ячейки 5. Демпфирующий диод 23 подключен катодом к плюсу 1 источника питания и анодом к общей точке конденсатора 8 и дросселя 10 ячейки 6. A stand-alone inverter, the circuit of which is shown in FIG. 1, contains terminals 1 and 2 for connecting a power source, two filter separation capacitors 3, 4 with a midpoint, providing independent operation of two inverter cells 5, 6, consisting of series-connected switching capacitors 7, 8 and chokes 9, 10 and connected in parallel to thyristors 11 and 12 and reverse diodes 13 and 14. Cell 5 is connected at one end to the plus 1 of the power source, and at the other end to the output transformer 15, cell 6 is connected to the minus 2 of the power source and at the second end to output transformer 16. Cells connected to the transformers through the primary windings 17 and 18, connected by other ends to the midpoint of the capacitors 3, 4. The secondary windings 19, 20 of the output transformers are connected in series with each other and the load 21. The damping diode 22 is connected by an anode to the minus 2 of the power source and the cathode to the common point of the capacitor 7 and the inductor 9 of the cell 5. The damping diode 23 is connected by the cathode to the plus 1 of the power source and the anode to the common point of the capacitor 8 and the inductor 10 of the cell 6.

Автономный инвентер работает следующим образом. The offline inventory works as follows.

При включении питания конденсаторы 3, 4 и 7, 8 заряжаются до 1/2 напряжения источника питания. При подаче импульсов управления (первая эпюра фиг. 2) с периодом повторения T1 для тиристора 11 ячейки 5 (заштрихованы) и для тиристора 12 ячейки 6 ч фазовым сдвигом T2 возникают короткозамкнутые контура, по которым перезаряжаются соответствующие коммутирующие конденсаторы. Перезаряд носит колебательный характер. При этом возникают коммутационные токи (эпюры 111 и 112 фиг. 2, сплошные линии), имеющие синусоидальную форму, зависящую от параметров коммутирующих конденсатора и дросселя. После того, как токи тиристоров спадают до нуля, обратные полуволны токов коммутации начинают проводить диоды 13 и14 (эпюры 113 и 114 фиг. 2, пунктирные линии), причем за время из работы тиристроры должны восстановить свои управляющие свойства. За время колебательного процессе T3 (эпюра 17 фиг. 2) к обмотке трансформатора прикладывается 1/2 напряжения источника питания, наросший ток намагничивания за время T3 после окончания колебательного процесса начинает спадать и за счет этого на обмотках выходного трансформатора формируется отрицательная полуволна выходного напряжения, так как открываются демпфирующие диоды 22 и 23 (эпюры U19 и U20 фиг.2). На нагрузке 21 формируется напряжение (эпюра U21 фиг. 2), равное геометрической сумме напряжений на вторичных обмотках трансформаторов U19 и U20. Таким образом, ширина импульсов выходного напряжения инвертора зависит от величины фазового сдвига 12 импульсов системы управления. When the power is turned on, capacitors 3, 4 and 7, 8 are charged up to 1/2 of the voltage of the power source. When control pulses (the first diagram of Fig. 2) are applied with a repetition period T1 for thyristor 11 of cell 5 (shaded) and for thyristor 12 of cell 6 h by phase shift T2, short-circuited circuits arise along which the corresponding switching capacitors are recharged. The recharge is oscillatory in nature. In this case, switching currents arise (diagrams 111 and 112 of Fig. 2, solid lines) having a sinusoidal shape, depending on the parameters of the switching capacitor and inductor. After the thyristor currents drop to zero, the reverse half-waves of the switching currents begin to conduct diodes 13 and 14 (diagrams 113 and 114 of Fig. 2, dashed lines), and the thyristors must restore their control properties during operation. During the oscillation process T3 (plot 17 of Fig. 2), 1/2 of the power supply voltage is applied to the transformer winding, the increased magnetization current begins to fall after T3 after the end of the oscillation process, and due to this, a negative half-wave of the output voltage is formed on the windings of the output transformer, so how damping diodes 22 and 23 open (diagrams U19 and U20 of figure 2). A voltage is formed at the load 21 (plot U21 of Fig. 2), equal to the geometric sum of the voltages on the secondary windings of the transformers U19 and U20. Thus, the pulse width of the inverter output voltage depends on the magnitude of the phase shift of 12 pulses of the control system.

Техническим эффектом предлагаемого изобретения является возможность регулирования выходного напряжения инвертора методом фазового регулирования, т. е. получения формы напряжения как при ШИМ, при этом коммутирующая способность инвертора не зависит от нагрузки, что позволяет работать инвертору при скачкообразных изменениях нагрузки. Кроме того, возможность фазового регулирования позволяет сформировать любую внешнюю характеристику инвертора. The technical effect of the invention is the ability to control the output voltage of the inverter by the phase regulation method, i.e., to obtain the voltage shape as in PWM, while the switching ability of the inverter does not depend on the load, which allows the inverter to work with sudden changes in load. In addition, the possibility of phase regulation allows you to create any external characteristic of the inverter.

Claims

A self-contained inverter containing two inverter cells, each of which contains a counter-parallel connected thyristor and diode and a series resonant LC circuit, in addition an output transformer, characterized in that two series-coupled separation-filtering capacitors, a second output transformer and two damping diodes are introduced , while the primary windings of the transformers are connected in series, their common point is connected to the common point of the separation-filtering capacitors, free conclusions to of which are connected to the corresponding terminals for connecting the power source, the thyristor and diode of each inverter cell are connected between the corresponding free terminals of the primary windings of the output transformer and the corresponding terminal for connecting the power source and shunted by a series resonant LC circuit so that the free inductance terminal of each series resonant LC circuit connected to the corresponding terminals of the primary winding of the corresponding output transformer, WTO The windings of the output transformers form a series circuit connected to the terminals for connecting the load, each of the damping diodes is connected between the common point of the capacitor and the inductance of the series resonant LC circuit of the corresponding cell and an unconnected terminal for connecting the power source in the direction opposite to the voltage of the power source .