RU2167485C2 - Dc-to-ac converter - Google Patents
Dc-to-ac converter Download PDFInfo
- Publication number
- RU2167485C2 RU2167485C2 RU99118705/09A RU99118705A RU2167485C2 RU 2167485 C2 RU2167485 C2 RU 2167485C2 RU 99118705/09 A RU99118705/09 A RU 99118705/09A RU 99118705 A RU99118705 A RU 99118705A RU 2167485 C2 RU2167485 C2 RU 2167485C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- current
- circuit
- thyristors
- bridge
- thyristor
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Inverter Devices (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при разработке тиристорных преобразователей частоты для индукционного нагрева металлов. The invention relates to a conversion technique and can be used in the development of thyristor frequency converters for induction heating of metals.
Известен преобразователь постоянного тока в переменный (по авторскому свидетельству СССР N 1265955, МКИ H 02 М 7/523 от 21.06.84 г., опубл. 23.10.86 г. , бюл. N 39), содержащий подключенный к входным выводам через дроссель фильтра, инвертирующий тиристорный мост с обратными диодами, в диагональ переменного тока которого включены последовательно соединенные коммутирующие конденсатор и дроссель, а в диагональ постоянного тока - последовательная цепочка, состоящая из дополнительного коммутирующего дросселя, разделительного конденсатора и цепи нагрузки. Четыре нелинейных дросселя включены последовательно с каждым обратным диодом в диагональ постоянного тока моста. A known DC-to-AC converter (according to the author's certificate of the USSR N 1265955, MKI H 02 M 7/523 from 06.21.84, publ. 10/23/86, bull. N 39), containing connected to the input terminals through the filter inductor , an inverting thyristor bridge with reverse diodes, in the diagonal of the alternating current of which are connected serially connected switching capacitor and inductor, and in the diagonal of direct current is a series circuit consisting of an additional commutating inductor, an isolation capacitor and a load circuit. Four non-linear chokes are connected in series with each reverse diode in the DC diagonal of the bridge.
Недостатком данного преобразователя является его низкая надежность при эксплуатации и низкая эффективность использования оборудования. Включение четырех нелинейных дросселей последовательно с обратными диодами не позволяет ограничить скорость нарастания анодного тока тиристоров в режиме непрерывного выходного тока, ограничить величину импульса тока сквозного разряда разделительного конденсатора через тиристоры в момент срыва процесса инвертирования. Кроме этого, включение четырех нелинейных дросселей последовательно с каждым обратным диодом приводит к возникновению несимметрии токов плеч инвертирующего моста из-за невозможности точного изготовления катушек индуктивности. Все это приводит к снижению надежности работы преобразователя, уменьшает эффективность использования оборудования. The disadvantage of this converter is its low reliability during operation and low efficiency of use of equipment. The inclusion of four non-linear chokes in series with reverse diodes does not allow limiting the rate of rise of the anode current of the thyristors in the continuous output current mode, or limiting the magnitude of the current pulse of the through discharge of the separation capacitor through the thyristors at the time of the inversion process failure. In addition, the inclusion of four non-linear chokes in series with each reverse diode leads to the asymmetry of the currents of the arms of the inverting bridge due to the impossibility of the exact manufacture of inductors. All this leads to a decrease in the reliability of the converter, reduces the efficiency of use of equipment.
Известен автономный инвертор (по авторскому свидетельству СССР N 1467716, МКИ H 02 M 7/523 от 26.01.87 г., опубл. 23.03.89 г., бюл. N 11), содержащий подключенную к входным выводам через дроссель фильтра последовательную цепь, состоящую из разделительного конденсатора, защитного дросселя и выходных выводов и соединенную одним концом с тиристорным мостом, в диагональ переменного тока которого включен коммутирующий LC-контур. Тиристорный мост соединен с другим концом последовательной цепи через введенный индуктивный элемент с убывающей генри-амперной характеристикой в диапазоне токов, превышающих номинальный ток. Known autonomous inverter (according to the author's certificate of the USSR N 1467716, MKI H 02 M 7/523 from 01/26/87, publ. 03/23/89, bull. N 11), containing a serial circuit connected to the input terminals through the filter inductor, consisting of an isolation capacitor, a protective choke and output terminals and connected at one end to a thyristor bridge, into the diagonal of the alternating current of which a switching LC circuit is included. The thyristor bridge is connected to the other end of the series circuit through an introduced inductive element with a decreasing Henry-ampere characteristic in the range of currents exceeding the rated current.
Недостатком данного инвертора является его низкая надежность при эксплуатации. Включение нелинейного дросселя или индуктивного элемента с убывающей генри-амперной характеристикой в диапазоне токов, превышающих номинальный ток, не позволяет уменьшить скорость нарастания прямого напряжения на тиристорах инвертора. Скорость нарастания напряжения превышает критическое значение, что может привести к срыву процесса инвертирования и к быстрому выходу из строя тиристоров. The disadvantage of this inverter is its low reliability during operation. The inclusion of a non-linear inductor or inductive element with a decreasing Henry-ampere characteristic in the range of currents exceeding the rated current does not allow to reduce the rate of increase of the forward voltage on the inverter thyristors. The rate of voltage rise exceeds a critical value, which can lead to disruption of the inversion process and to a quick failure of the thyristors.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому является последовательный инвертор (по авторскому свидетельству СССР N 1304155, МКИ H 02 M 7/523 от 08.07.85 г., опубл. 15.04.87 г., бюл N 14), содержащий подключенный через фильтровые дроссели к входным выводам фильтровый конденсатор, мост тиристоров и мост обратных вентилей, к выводам переменного тока которого подключены конденсаторы смещения, причем последние соединяют вывод переменного тока моста обратных вентилей и общую точку нелинейных дросселей, включенных последовательно с тиристорами. Нагрузка подключена к выводам переменного тока моста обратных вентилей через LC-коммутирующий контур, состоящий из двух конденсаторов и двух дросселей. The closest technical solution to the claimed one is a serial inverter (according to the USSR author's certificate N 1304155, MKI H 02 M 7/523 of 07/08/85, publ. 15.04.87, bull. No. 14) containing connected to the filter chokes to the input terminals are a filter capacitor, a thyristor bridge and a check valve bridge, to which AC capacitors bias capacitors are connected, the latter connecting the alternating current output of the check valve bridge and the common point of non-linear chokes connected in series with the thyristors. The load is connected to the AC terminals of the check valve bridge via an LC switching circuit consisting of two capacitors and two chokes.
Данная схема имеет большую по сравнению с предыдущими надежность при эксплуатации за счет включения нелинейных дросселей последовательно с тиристорами, что уменьшает скорость нарастания прямого напряжения на тиристорах и скорость нарастания анодного тока тиристоров в режиме непрерывного выходного тока, а также ограничивает величину импульса тока, сквозного разряда фильтрового конденсатора через тиристоры в момент срыва процесса инвертирования. This circuit has greater operational reliability compared to the previous ones due to the inclusion of non-linear chokes in series with the thyristors, which reduces the rate of rise of the forward voltage on the thyristors and the rate of rise of the anode current of the thyristors in the continuous output current mode, and also limits the magnitude of the current pulse, the through discharge of the filter capacitor through the thyristors at the time of failure of the inversion process.
Недостатком данной схемы является включение четырех нелинейных дросселей последовательно с каждым тиристором, что предполагает использование в противофазных тактах схемы при работе инвертора различных эквивалентных индуктивностей коммутирующего контура из-за невозможности точного изготовления катушек индуктивностей и приводит к возникновению несимметрии токов плеч инвертора и срыву процесса инвертирования. Несимметрия токов инвертора вызывает резкое уменьшение времени восстановления управляемости тиристоров и резкое увеличение амплитуды тока в одной из диагоналей моста, что может привести к срыву инвертирования и выходу из строя тиристоров и диодов схемы. При длительной работе инвертора, когда нелинейные дроссели включены последовательно с каждым тиристором, возможно межвитковое замыкание катышки одного из четырех нелинейных дросселей, что также может привести к уменьшению эквивалентной индуктивности одной из диагоналей и к возникновению резкой несимметрии токов плеч инвертора, приводящей к срыву процесса инвертирования и выхода из строя тиристоров. Кроме того, наличие дополнительного коммутирующего LC-контура, конденсаторов смещения и определенный подбор их значений для обеспечения устойчивости работы последовательного инвертора усложняет схему, повышает трудозатраты по изготовлению отдельных ее элементов, ведет к росту материалоемкости инвертора в целом. Все это приводит к снижению надежности работы инвертора, уменьшает эффективность использования оборудования. The disadvantage of this circuit is the inclusion of four non-linear chokes in series with each thyristor, which implies the use of different equivalent inductances of the switching circuit in antiphase clock circuits during operation of the inverter due to the impossibility of accurately manufacturing the inductors of the inductors and leads to asymmetry of the currents of the inverter arms and disruption of the inversion process. The asymmetry of the inverter currents causes a sharp decrease in the time to restore the controllability of thyristors and a sharp increase in the current amplitude in one of the diagonals of the bridge, which can lead to a breakdown of inversion and failure of the thyristors and diodes of the circuit. During long-term operation of the inverter, when non-linear chokes are connected in series with each thyristor, inter-turn short circuit of the coil of one of the four non-linear chokes is possible, which can also lead to a decrease in the equivalent inductance of one of the diagonals and to a sharp asymmetry of the currents of the inverter arms, leading to a breakdown of the inversion process and thyristor failure. In addition, the presence of an additional switching LC circuit, bias capacitors, and a certain selection of their values to ensure the stability of the serial inverter operation complicates the circuit, increases the labor costs of manufacturing its individual elements, and leads to an increase in the material consumption of the inverter as a whole. All this leads to a decrease in the reliability of the inverter, reduces the efficiency of use of equipment.
В основу изобретения положена задача создания схемы преобразователя постоянного тока в переменный с минимальными массогабаритными показателями, надежного в эксплуатации и позволяющего эффективно использовать оборудование. The basis of the invention is the task of creating a DC-to-AC converter circuit with minimal overall dimensions, reliable in operation and allowing the efficient use of equipment.
Поставленная задача решается тем, что в преобразователе постоянного тока в переменный, содержащем подключенный через дроссель фильтра к входным выводам фильтровый конденсатор, соединенный одним концом с инвертирующим тиристорным мостом с обратными вентилями, в диагональ переменного тока которого включены последовательно коммутирующие конденсатор, дроссель и цепь нагрузки, а другим концом подключен к другому выводу инвертирующего тиристорного моста с обратными вентилями через нелинейный дроссель. The problem is solved in that in a DC-to-AC converter, which contains a filter capacitor connected to the input terminals through a filter choke, connected at one end to an inverting thyristor bridge with check valves, the alternating current diagonal of which includes a capacitor, a choke, and a load circuit connected in series, and the other end is connected to the other output of the inverting thyristor bridge with check valves through a non-linear choke.
Включение нелинейного дросселя в диагональ постоянного тока между точкой подключения фильтрового конденсатора и точкой подключения инвертирующего тиристорного моста с обратными вентилями к входным выводам позволяет использовать эти два дросселя как в четных, так и в нечетных тактах работы схемы преобразователя. Эквивалентная индуктивность коммутирующего контура при различных тактах работы схемы будет одинаковой. Это позволяет полностью исключить несимметрию токов различных диагоналей инвертирующего моста, приводящую к уменьшению времени восстановления управляемости тиристоров. Время восстановления тиристоров не снизится ниже критических значений, амплитуда токов тиристоров и диодов не будет выше критического уровня. Устранение несимметрии в работе схемы преобразователя позволяет расширить частотный диапазон преобразователя. Режим несимметрии возможен вследствие неточного изготовления катушек индуктивностей, что приводит, в случае их включения в каждое плечо инвертирующего моста в режиме работы схемы на резонансный нагрузочный контур, к усилению гармоники тока инвертирующего моста, совпадающей по частоте с частотой тока в одной из диагоналей инвертора. Устранение несимметрии токов различных диагоналей инвертирующего моста снижает возможность срыва инвертирования, что повышает надежность работы преобразователя и эффективность использования оборудования. The inclusion of a non-linear choke in the diagonal of the direct current between the connection point of the filter capacitor and the connection point of the inverting thyristor bridge with check valves to the input terminals allows the use of these two chokes in both even and odd clock cycles of the converter circuit. The equivalent inductance of the switching circuit at different clock cycles will be the same. This allows you to completely eliminate the asymmetry of the currents of different diagonals of the inverting bridge, leading to a decrease in the time to restore the controllability of thyristors. The recovery time of thyristors will not decrease below critical values, the amplitude of the currents of thyristors and diodes will not be higher than a critical level. Eliminating the asymmetry in the operation of the converter circuit allows you to expand the frequency range of the converter. The asymmetry mode is possible due to inaccurate manufacture of inductors, which, if they are connected to each arm of the inverting bridge in the circuit operating mode on the resonant load circuit, will increase the harmonic current of the inverting bridge, which coincides in frequency with the current frequency in one of the diagonals of the inverter. Elimination of the asymmetry of currents of different diagonals of the inverting bridge reduces the possibility of failure of inversion, which increases the reliability of the converter and the efficiency of use of equipment.
Применение одного нелинейного дросселя, включенного в диагональ постоянного тока, последовательно с фильтровым конденсатором заменяет четыре нелинейных дросселя, устанавливаемых в плечи вентильного и тиристорного моста (как в схемах по авт. св. N 1265955 и N 1304155). Это позволяет упростить схему, уменьшить трудозатраты и материалоемкость при изготовлении. The use of one non-linear inductor included in the diagonal of a direct current, in series with a filter capacitor, replaces four non-linear inductors installed in the arms of the valve and thyristor bridge (as in the schemes according to ed. St. N 1265955 and N 1304155). This allows us to simplify the scheme, reduce labor costs and material consumption in the manufacture.
Применение нелинейного дросселя, включенного в цепь постоянного тока между точкой подключения фильтрового конденсатора и точкой подключения инвертирующего тиристорного моста с обратными вентилями к входным выводам, позволяет ограничить скорость нарастания прямого напряжения на тиристорах. При включении тиристоров в первый момент времени практически все напряжение, действующее в образовавшемся контуре, прикладывается к нелинейному дросселю, поскольку его индуктивность в несколько раз превышает эквивалентную индуктивность коммутирующего контура. По мере перемагничивания сердечника напряжение на нелинейном дросселе уменьшается, причем скорость нарастания напряжения на тиристорах определяется скоростью спада напряжения на нелинейном дросселе, т. е. регулированием времени перемагничивания сердечника нелинейного дросселя можно задать требуемую скорость нарастания напряжения на тиристорах. The use of a nonlinear inductor included in the DC circuit between the connection point of the filter capacitor and the connection point of the inverting thyristor bridge with check valves to the input terminals allows limiting the rate of rise of the forward voltage across the thyristors. When thyristors are turned on at the first moment of time, almost all the voltage acting in the formed circuit is applied to the nonlinear inductor, since its inductance is several times higher than the equivalent inductance of the switching circuit. As the core remagnetizes, the voltage across the nonlinear inductor decreases, and the rate of rise of voltage across the thyristors is determined by the rate of decrease in voltage across the nonlinear inductor, i.e., by adjusting the magnetization reversal time of the core of the nonlinear inductor, you can set the required rise rate of voltage across the thyristors.
При работе преобразователя в режиме непрерывного выходного тока тиристоры включаются в момент времени, когда ток противофазных обратных диодов еще не кончился. В этом случае скорость нарастания анодного тока тиристоров ограничивается нелинейным дросселем. When the converter is operating in continuous output current mode, the thyristors turn on at the point in time when the current of the in-phase reverse diodes has not yet ended. In this case, the rate of rise of the anode current of the thyristors is limited by a nonlinear inductor.
Кроме этого, включение нелинейного дросселя в цепь постоянного тока позволяет ограничить величину импульса тока сквозного разряда фильтрового конденсатора при одновременном отпирании противофазных тиристоров в момент срыва процесса инвертирования. Амплитуда импульса тока сквозного разряда фильтрового конденсатора и скорость нарастания анодного тока на тиристорах определяется собственной индуктивностью обмотки нелинейного дросселя. In addition, the inclusion of a non-linear inductor in the DC circuit allows you to limit the magnitude of the current pulse of the through discharge of the filter capacitor while unlocking the antiphase thyristors at the time of the inversion process failure. The amplitude of the current pulse of the through discharge of the filter capacitor and the rate of rise of the anode current on the thyristors is determined by the intrinsic inductance of the winding of the nonlinear inductor.
Включение нелинейного дросселя в диагональ постоянного тока между точкой подключения фильтрового конденсатора и точкой подключения инвертирующего тиристорного моста с обратными вентилями к входным выводам позволяет устранить возможность возникновения несимметрии токов инвертирующего моста, приводящей к уменьшению времени восстановления управляемости тиристоров и резкому увеличению амплитуды тока тиристора, ограничить скорость нарастания прямого напряжения на тиристорах и скорость нарастания анодного тока тиристоров в режиме непрерывного выходного тока, а также ограничить величину импульса сквозного разряда фильтрового конденсатора через тиристоры в момент срыва процесса инвертирования. The inclusion of a nonlinear inductor in the diagonal of the direct current between the connection point of the filter capacitor and the connection point of the inverting thyristor bridge with check valves to the input terminals eliminates the possibility of asymmetry of the currents of the inverting bridge, which leads to a decrease in the recovery time of the thyristors and the sharp increase in the amplitude of the thyristor current, to limit the slew rate direct voltage across thyristors and the slew rate of the anode current of thyristors in n mode continuous output current, and also to limit the magnitude of the pulse of the through discharge of the filter capacitor through the thyristors at the time of the failure of the inversion process.
Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет создать схему преобразователя постоянного тока в переменный, обладающего минимальными массогабаритными показателями, повышенной надежностью и позволяющего эффективно использовать оборудование. Thus, the present invention allows to create a DC-to-AC converter circuit having minimum weight and dimensions, increased reliability and allowing the efficient use of equipment.
На фиг. 1 представлена принципиальная электрическая схема преобразователя. На фиг. 2 изображена работа схемы преобразователя, когда нелинейный дроссель включен в цепь переменного тока последовательно с тиристором в каждом плече инвертирующего моста. На фиг. 3 показана работа схемы преобразователя, когда нелинейный дроссель включен в цепь постоянного тока последовательно с фильтровым конденсатором. На фиг. 2 и 3 показана величина амплитуды тока, протекающего через тиристор, и время восстановления тиристоров. На фиг. 4 показано изменение выходной мощности в зависимости от частоты и указан диапазон частот, близких к резонансной частоте, где может возникнуть неконтролируемый участок изменения выходной мощности от Pмах до (Pмах- f), когда нелинейный дроссель с убывающей генри-амперной характеристикой при токе насыщения меньше номинального стоит последовательно с тиристором в каждом плече инвертирующего моста. На фиг. 5 изображена зависимость выходной мощности от частоты в случае, когда нелинейный дроссель с током насыщения меньше номинального тока включен в цепь постоянного тока. На фиг. 6 изображена временная диаграмма тока тиристора, где показано ограничение скорости нарастания тока, а на фиг. 7 показана диаграмма тока через тиристор для схемы (по авторскому свидетельству СССР N 1467716, МКИ H 02 M 7/523 от 26.01.87 г., опубл. 23.03.89 г. , бюл. N 11), где отсутствует ограничение скорости нарастания тока. На фиг. 8 изображена генри-временная характеристика нелинейного дросселя при токах больше и меньше номинального значения. На фиг. 9 изображена генри-временная характеристика нелинейного дросселя, включенного в цепь постоянного тока при работе преобразователя, при токах выше номинального значения. На фиг. 10 показано напряжение на нелинейном дросселе при перемагничивании при токах насыщения меньше номинального значения. На фиг. 11 показано напряжение на нелинейном дросселе, когда он выполнен с убывающей генри-амперной характеристикой в диапазоне токов, превышающих номинальное значение. На фиг. 12 показано нарастание скорости напряжения на тиристорах, определяющееся тангенсом угла наклона, когда нелинейный дроссель включен в цепь постоянного тока и работает при токах меньше номинального значения. На фиг. 13 показано нарастание скорости напряжения на тиристоре, когда нелинейный дроссель включен в цепь постоянного тока и работает при токах больше номинального значения.In FIG. 1 is a circuit diagram of a converter. In FIG. Figure 2 shows the operation of the converter circuit when a non-linear inductor is connected to an alternating current circuit in series with a thyristor in each arm of the inverting bridge. In FIG. Figure 3 shows the operation of the converter circuit when a non-linear inductor is connected to the DC circuit in series with the filter capacitor. In FIG. 2 and 3 show the magnitude of the amplitude of the current flowing through the thyristor, and the recovery time of the thyristors. In FIG. Figure 4 shows the change in the output power depending on the frequency and shows the frequency range close to the resonant frequency, where an uncontrolled portion of the change in the output power from P max to (P max - f) may occur when a non-linear inductor with a decreasing Henry-ampere characteristic at a saturation current less than the nominal value is in series with the thyristor in each arm of the inverting bridge. In FIG. Figure 5 shows the dependence of the output power on frequency in the case when a non-linear inductor with a saturation current less than the rated current is included in the DC circuit. In FIG. 6 is a timing chart of the thyristor current, where the current slew rate limitation is shown, and FIG. 7 shows a diagram of the current through the thyristor for a circuit (according to the USSR author's certificate N 1467716, MKI H 02 M 7/523 of 01/26/08, publ. 03/23/89, bull. N 11), where there is no limitation of the current rise rate . In FIG. Figure 8 shows the Henry-time characteristic of a nonlinear inductor at currents greater and less than the nominal value. In FIG. 9 shows the Henry-time characteristic of a nonlinear inductor included in the DC circuit during operation of the converter, at currents above the nominal value. In FIG. 10 shows the voltage across the nonlinear inductor during magnetization reversal at saturation currents less than the nominal value. In FIG. 11 shows the voltage across a non-linear choke when it is made with a decreasing Henry-ampere characteristic in the range of currents in excess of the nominal value. In FIG. Figure 12 shows the increase in the voltage speed at the thyristors, which is determined by the slope when the nonlinear inductor is included in the direct current circuit and operates at currents lower than the rated value. In FIG. 13 shows the increase in the voltage speed at the thyristor when a non-linear inductor is included in the DC circuit and operates at currents greater than the nominal value.
Преобразователь содержит инвертирующий мост на тиристорах 1-4 с обратными диодами 5-8, в диагональ переменного тока которого включены коммутирующие конденсатор 9, дроссель 10 и нагрузка 11. Параллельно мосту через нелинейный дроссель 12 включен фильтровый конденсатор 13, который соединен с входными выводами через фильтровый дроссель 14. The converter contains an inverting bridge on thyristors 1-4 with reverse diodes 5-8, in the diagonal of the alternating current of which are included a switching capacitor 9, a reactor 10 and a load 11. A filter capacitor 13 is connected in parallel with the bridge through a non-linear inductor 12, which is connected to the input terminals through a filter throttle 14.
Преобразователь работает следующим образом. При подаче импульсов управления на тиристоры 1 и 4 ток протекает по контуру 13-1-9-10-11-4-12-13. При включении тиристоров в первый момент времени все напряжение, действующее в образовавшемся контуре, прикладывается к нелинейному дросселю (фиг. 10), поскольку его индуктивность L в несколько раз больше, чем эквивалентная индуктивность коммутирующего конура, которая равна сумме собственных индуктивностей отмоток дросселей 10 и 12. По мере перемагничивания сердечника (фиг. 8) напряжение на нелинейном дросселе 12 уменьшается (фиг. 10), а напряжение на тиристорах 1, 4 плавно нарастает (фиг. 12). Нелинейный дроссель выполняется в виде катушки индуктивности с сердечником из ферритовых колец с зазором. Регулируя величину зазора, можно задать требуемую скорость нарастания прямого напряжения на тиристорах (фиг. 12). После перемагничивания сердечника нелинейного дросселя 12 его индуктивность будет определяться собственной индуктивностью обмотки. The converter operates as follows. When applying control pulses to thyristors 1 and 4, the current flows along the circuit 13-1-9-10-11-4-12-13. When thyristors are turned on at the first moment of time, all the voltage acting in the resulting circuit is applied to the nonlinear inductor (Fig. 10), since its inductance L is several times greater than the equivalent inductance of the switching circuit, which is equal to the sum of the inductances of the windings of the chokes 10 and 12 With the magnetization reversal of the core (Fig. 8), the voltage across the non-linear inductor 12 decreases (Fig. 10), and the voltage across the thyristors 1, 4 gradually increases (Fig. 12). The non-linear inductor is made in the form of an inductor with a core of ferrite rings with a gap. By adjusting the gap, you can set the required rate of increase of the forward voltage on the thyristors (Fig. 12). After the magnetization reversal of the core of the nonlinear inductor 12, its inductance will be determined by its own inductance of the winding.
В контуре протекает первая полуволна тока. По окончании тока тиристоров 1, 4 происходит обратное перемагничивание сердечника нелинейного дросселя, что вызывает плавное повышение уровня напряжения на тиристорах, который определяется суммой напряжения на фильтровом конденсаторе 13 и нелинейном дросселе 12. Напряжение на коммутирующем конденсаторе 9 становится больше, чем напряжение на фильтровом конденсаторе 13, которое включает обратные диоды 5 и 8. С этого момента протекает ток сброса излишней реактивной энергии, накопленной в дросселях 10 и 12 и коммутирующем конденсаторе 9 по контуру 13-12-8-11-10-9-5-13. В контуре протекает обратная полуволна тока, диоды 5 и 8 открыты. По окончании обратной полуволны тока сердечник нелинейного дросселя 12 снова перемагничивается. The first half-wave of current flows in the circuit. At the end of the thyristor current 1, 4, reverse magnetization reversal of the core of the nonlinear inductor occurs, which causes a smooth increase in the voltage level on the thyristors, which is determined by the sum of the voltage across the filter capacitor 13 and non-linear inductor 12. The voltage across the switching capacitor 9 becomes greater than the voltage across the filter capacitor 13 , which includes reverse diodes 5 and 8. From this moment, the discharge current of excess reactive energy accumulated in the chokes 10 and 12 and the switching capacitor 9 flows along the circuit at 13-12-8-11-10-9-5-13. The reverse current half-wave flows in the circuit, diodes 5 and 8 are open. At the end of the reverse half-wave current, the core of the nonlinear inductor 12 is again magnetized.
В предлагаемой схеме ток насыщения нелинейного дросселя Iнд значительно меньше тока тиристора Iн (фиг 6). Поэтому до насыщения нелинейного дросселя все напряжение прикладывается к нелинейному дросселю (фиг. 10), ограничивая скорость нарастания прямого напряжения на тиристорах dUт/dt (фиг. 12). После насыщения нелинейного дросселя напряжение на дросселе будет определяться собственной индуктивностью обмотки (фиг. 10). Как видно на фиг. 12, напряжение на тиристорах плавно нарастает и скорость нарастания не превышает критического значения, что обеспечивает стабильность работы тиристоров, повышая срок их службы.In the proposed scheme, the saturation current of the nonlinear inductor I nd is significantly less than the thyristor current I n (Fig. 6). Therefore, until the non-linear inductor is saturated, all voltage is applied to the non-linear inductor (Fig. 10), limiting the rate of rise of the forward voltage across the thyristors dU t / dt (Fig. 12). After saturation of the nonlinear inductor, the voltage across the inductor will be determined by the winding's own inductance (Fig. 10). As seen in FIG. 12, the voltage across the thyristors gradually increases and the slew rate does not exceed a critical value, which ensures the stability of the thyristors, increasing their service life.
На фиг. 7 изображена работа схемы преобразователя когда нелинейный дроссель включен в цепь постоянного тока с убывающей генри-амперной характеристикой при токах насыщения выше номинального значения. Как видно их характеристик на фиг. 7 и 9, ток насыщения Iнд нелинейного дросселя выше номинального значения тока нагрузки, при этом скорость нарастания тока и напряжения (фиг. 7 и 13) достаточно велика.In FIG. 7 shows the operation of the converter circuit when a non-linear inductor is connected to a direct current circuit with a decreasing Henry-ampere characteristic at saturation currents above the nominal value. As can be seen from their characteristics in FIG. 7 and 9, the saturation current I nd of the nonlinear inductor is higher than the nominal value of the load current, while the slew rate of the current and voltage (Figs. 7 and 13) is quite large.
Проведем сравнительный анализ схемы с нелинейным дросселем с насыщением выше тока номинального и предлагаемой схемы. Как видно из диаграммы фиг. 7 и 9, при увеличении амплитуды тока выше Iн происходит уменьшение индуктивности нелинейного дросселя именно в момент "пика" тока через тиристор. Момент времени начала насыщения, как видно из фиг. 7, значительно отстоит от начала нарастания напряжения на тиристоре и от начала прохождения тока через противофазный тиристор. Поэтому данный тип дросселя с током насыщения более Iном не может уменьшить ни dUт/dt, ни diт/dt через тиристор.Let us conduct a comparative analysis of a circuit with a non-linear inductor with saturation above the current of the nominal and proposed circuit. As can be seen from the diagram of FIG. 7 and 9, with an increase in the amplitude of the current above I n , the inductance of the nonlinear inductor decreases exactly at the moment of the "peak" of the current through the thyristor. The instant at which saturation begins, as can be seen from FIG. 7, is significantly separated from the beginning of the increase in voltage at the thyristor and from the beginning of the passage of current through the antiphase thyristor. Therefore, this type of inductor with a saturation current of more than I nom cannot reduce either dU t / dt or di t / dt through the thyristor.
Наша же схема, т.к. насыщение дросселя происходит значительно раньше при I= Iнд и именно в момент начала прохождения тока через тиристор, позволяет ограничить как dUт/dt, так и diт/dt. Кроме того, включение в схему встречных диодов позволяет ограничить токи и напряжение на тиристорах за счет рекуперации излишней реактивной мощности в фильтровый конденсатор 13. Таким образом, предлагаемая схема не только ограничивает напряжение через тиристоры, но и снижает до допустимого значения dUт/dt и di/dt.Our scheme, as saturation of the inductor occurs much earlier at I = I nd and it is precisely at the moment the current flows through the thyristor that it starts, it allows to limit both dU t / dt and di t / dt. In addition, the inclusion of counter diodes in the circuit makes it possible to limit the currents and voltage at the thyristors due to the recovery of excess reactive power into the filter capacitor 13. Thus, the proposed circuit not only limits the voltage through the thyristors, but also reduces the permissible values of dU t / dt and di / dt.
По мере перемагничивания нелинейного дросселя (фиг. 11) напряжение на нем падает, при этом скорость нарастания напряжения на тиристорах (фиг. 13) высокая и имеет угол наклона близкий к 90o (или tg = ∞). Напряжение почти мгновенно прикладывается к тиристору, что приводит к уменьшению его срока службы и выходу из строя.As the magnetization reversal of the nonlinear inductor (Fig. 11), the voltage across it drops, while the voltage rise rate on the thyristors (Fig. 13) is high and has an inclination angle close to 90 o (or tg = ∞). The voltage is applied almost instantly to the thyristor, which leads to a decrease in its service life and failure.
Во втором такте, когда открываются тиристоры 2 и 3, ток протекает по контуру 13-2-11-10-9-3-12-13. Далее ток через тиристоры прекращается, отпираются диоды 6, 7 и ток начинает протекать по контуру 13-12-7-9-10-11-6-13. По окончании тока диодов 6 и 7 имеет место интервал бестоковой паузы, затем включаются тиристоры 1, 4 и процесс повторяется. Далее схема работает аналогично описанному. За два такта работы формируется полный период выходного тока. In the second cycle, when thyristors 2 and 3 open, the current flows along the circuit 13-2-11-10-9-3-12-13. Further, the current through the thyristors stops, the diodes 6, 7 are unlocked and the current begins to flow along the circuit 13-12-7-9-10-11-6-13. At the end of the current of diodes 6 and 7, there is a dead gap interval, then thyristors 1, 4 are turned on and the process is repeated. Further, the circuit works as described. For two cycles of operation, a complete period of the output current is formed.
Выключение нелинейного дросселя 12 в цепь постоянного тока между точкой подключения фильтрового конденсатора и точкой подключения инвертирующего тиристорного моста с обратными вентилями к входным выводам позволяет устранить возникновение несимметрии токов инвертирующего моста, приводящей к срыву процесса инвертирования и выходу из строя тиристоров. На фиг. 2 изображена работа схемы, когда нелинейный дроссель включен последовательно с тиристорами в каждое плечо инвертирующего моста (как у прототипа). Суммарная индуктивность двух тактов работы инвертора, когда формируется полный период выходного тока, будет различной, т.к. в первом такте работает одна пара тиристоров со своими нелинейными дросселями, а во втором такте работает другая пара тиристоров с другими нелинейными дросселями. Из-за невозможности точного изготовления катушек эквивалентная индуктивность коммутирующего контура будет различной в противофазных тактах работы схемы. Как показано на фиг. 2, это приведет к тому, что амплитуда тока Iта, протекающего через тиристор и диод, будет изменяться от такта к такту и может превысить критическое значение. При этом время восстановления управляемости тиристоров tвy будет также различным в различных тактах работы схемы и его значения могут быть ниже критического показания, что приведет к срыву процесса инвертирования, или превысить критическое значение, что приведет к пробою тиристоров и выходу их из строя. На фиг. 3 показана работа схемы, когда нелинейный дроссель включен между точкой подключения фильтрового конденсатора и точкой подключения инвертирующего тиристорного моста с обратными вентилями к входным выводам. Суммарная индуктивность коммутирующего контура, определяемая нелинейным дросселем 12 и коммутирующим дросселем 10, делает эти дроссели общими для контуров 13-1-9-10-11-4-12-13 и 13- 12-8-11-10-9-5-13 первого такта и 13-2-11-10-9-3-12-13 и 13-12-7-9-10-11- 6-13 второго такта работы схемы преобразователя. Амплитуда тока тиристора Iта будет оставаться постоянной в различных тактах работы схемы и не будет превышать критического значения. При этом время восстановления управляемости тиристоров будет постоянным и достаточным и не будет ниже критического значения. На фиг. 4 изображена зависимость выходной мощности преобразователя Pвых от частоты. Зона частот (fp-Δf)-(fp+Δf) c выходной мощностью Pвых= [Pmax-ΔP]-Pmax является наиболее благоприятной и эффективной областью работы элементов схемы преобразователя. У прототипа (авт. св. N 1304155) в данной зоне может возникнуть неконтролируемый участок, где из-за несимметрии может произойти сбой в работе схемы и выход из строя тиристоров. В заявляемой схеме преобразователя на всем диапазоне частот от 0 до fном выходная мощность остается регулируемой, что позволяет работать в оптимальном режиме (фиг. 5). В заявленной схеме преобразователя показатель, равный отношению выходной мощности к массе преобразователя, будет выше по сравнению с прототипом, т.е. предлагаемая схема позволяет максимально эффективно использовать оборудование.Turning off the non-linear inductor 12 to the DC circuit between the connection point of the filter capacitor and the connection point of the inverting thyristor bridge with check valves to the input terminals eliminates the occurrence of asymmetry of the currents of the inverting bridge, which leads to the failure of the inversion process and failure of the thyristors. In FIG. 2 shows the operation of the circuit when a non-linear inductor is connected in series with thyristors in each arm of the inverting bridge (as in the prototype). The total inductance of two clock cycles of the inverter, when a full period of the output current is formed, will be different, because in the first cycle, one pair of thyristors works with their non-linear chokes, and in the second cycle another pair of thyristors works with other non-linear chokes. Due to the impossibility of accurately manufacturing the coils, the equivalent inductance of the switching circuit will be different in antiphase clock cycles. As shown in FIG. 2, this will lead to the fact that the amplitude of the current I that flows through the thyristor and the diode will vary from cycle to cycle and may exceed the critical value. In this case, the recovery time of thyristor controllability t vy will also be different in different clock cycles and its values may be lower than the critical reading, which will lead to a failure of the inversion process, or exceed the critical value, which will lead to the breakdown of thyristors and their failure. In FIG. Figure 3 shows the operation of the circuit when a non-linear inductor is connected between the connection point of the filter capacitor and the connection point of the inverting thyristor bridge with check valves to the input terminals. The total inductance of the switching circuit, determined by the non-linear choke 12 and the switching choke 10, makes these chokes common for circuits 13-1-9-10-11-4-12-13 and 13-12-8-11-10-9-5- 13 of the first cycle and 13-2-11-10-9-3-12-13 and 13-12-7-9-10-11-6-13 of the second cycle of the converter circuit. The amplitude of the thyristor current I that will remain constant in various clock cycles and will not exceed a critical value. In this case, the time to restore the controllability of thyristors will be constant and sufficient and will not be lower than the critical value. In FIG. 4 shows the dependence of the output power of the converter P o on frequency. The frequency zone (fp-Δf) - (fp + Δf) with the output power P o = [P max -ΔP] -P max is the most favorable and effective area of operation of the elements of the converter circuit. The prototype (ed. St. N 1304155) in this area may cause an uncontrolled area, where due to asymmetry, a circuit may malfunction and thyristors may fail. In the inventive converter circuit over the entire frequency range from 0 to f nom, the output power remains adjustable, which allows you to work in optimal mode (Fig. 5). In the claimed converter circuit, an indicator equal to the ratio of the output power to the converter mass will be higher compared to the prototype, i.e. the proposed scheme allows the most efficient use of equipment.
При работе преобразователя в режиме непрерывного выходного тока тиристоры включаются в момент времени, когда ток противофазных обратных вентилей диодов еще не кончился, а скорость нарастания анодного тока тиристоров ограничивается нелинейным дросселем насыщения, например при открытии тиристоров 1 и 4 ток протекает по контурам 13-1-7-12-13 и 13-6-4-12-1 и скорость его нарастания определяется собственной индуктивностью обмотки нелинейного дросселя 12. When the converter is operating in the continuous output current mode, the thyristors turn on at the moment when the current of the antiphase check valves of the diodes has not yet ended, and the rise rate of the anode current of the thyristors is limited by a non-linear saturation inductor, for example, when the thyristors 1 and 4 are opened, the current flows along the circuits 13-1- 7-12-13 and 13-6-4-12-1 and its slew rate is determined by the intrinsic inductance of the winding of the nonlinear inductor 12.
Кроме того, включение нелинейного дросселя 12 в цепь постоянного тока между точкой подключения фильтрового конденсатора и точкой подключения инвертирующего тиристорного моста с обратными вентилями к входным выводам позволяет ограничить величину импульса тока сквозного разряда фильтрового конденсатора 13 при одновременном отпирании противофазных тиристоров 1, 3 или 2, 4 в момент срыва процесса инвертирования. Ток разряда фильтрового конденсатора 13 протекает по контуру 13-1-3-12-13 или 13-2-4-12-13. Амплитуда импульса тока сквозного разряда фильтрового конденсатора 13 в данной схеме обратно пропорциональна величине суммарной собственной индуктивности обмотки нелинейного дросселя и прямо пропорциональна величине емкости фильтрового конденсатора 13. Таким образом, нелинейный дроссель позволяет максимально снизить амплитуду импульса тока сквозного разряда фильтрового конденсатора 13 через тиристоры и ограничить скорость его нарастания. In addition, the inclusion of a non-linear inductor 12 in the DC circuit between the connection point of the filter capacitor and the connection point of the inverting thyristor bridge with check valves to the input terminals allows you to limit the magnitude of the current pulse of the through discharge of the filter capacitor 13 while unlocking the antiphase thyristors 1, 3 or 2, 4 at the time of disruption of the inversion process. The discharge current of the filter capacitor 13 flows along the circuit 13-1-3-12-13 or 13-2-4-12-13. The amplitude of the end-to-end current pulse of the filter capacitor 13 in this circuit is inversely proportional to the total intrinsic inductance of the winding of the nonlinear inductor and is directly proportional to the value of the capacitance of the filter capacitor 13. Thus, the non-linear inductor can minimize the amplitude of the end-to-end current pulse of the filter capacitor 13 through the thyristors and limit the speed its growth.
Включение нелинейного дросселя в цепь постоянного тока между точкой подключения фильтрового конденсатора и точкой подключения инвертирующего тиристорного моста с обратными вентилями оказывается весьма полезным и позволяет обеспечить стабильные условия работы преобразователя как в стационарных режимах, так и при срыве процесса инвертирования с достаточной степенью надежности при минимальных массогабаритных показателях. The inclusion of a nonlinear inductor in the DC circuit between the connection point of the filter capacitor and the connection point of the inverting thyristor bridge with non-return valves is very useful and allows you to provide stable conditions for the converter both in stationary conditions and when the inversion process is interrupted with a sufficient degree of reliability with minimum weight and size indicators .
Данная схема нашла практическое применение в тиристорных преобразователях частоты для индукционного нагрева металла и закалки. Внедрено более пятидесяти таких установок на машиностроительных и металлургических производствах России и ближнего зарубежья. This circuit has found practical application in thyristor frequency converters for induction heating of metal and quenching. More than fifty such plants have been introduced at the machine-building and metallurgical industries of Russia and neighboring countries.
Claims (1)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99118705/09A RU2167485C2 (en) | 1999-08-26 | 1999-08-26 | Dc-to-ac converter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU99118705/09A RU2167485C2 (en) | 1999-08-26 | 1999-08-26 | Dc-to-ac converter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2167485C2 true RU2167485C2 (en) | 2001-05-20 |
Family
ID=20224447
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU99118705/09A RU2167485C2 (en) | 1999-08-26 | 1999-08-26 | Dc-to-ac converter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2167485C2 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6893751B2 (en) | 2001-03-02 | 2005-05-17 | James Hardie Research Pty Limited | Composite product |
| US7658794B2 (en) | 2000-03-14 | 2010-02-09 | James Hardie Technology Limited | Fiber cement building materials with low density additives |
| US7993570B2 (en) | 2002-10-07 | 2011-08-09 | James Hardie Technology Limited | Durable medium-density fibre cement composite |
| US7998571B2 (en) | 2004-07-09 | 2011-08-16 | James Hardie Technology Limited | Composite cement article incorporating a powder coating and methods of making same |
| US8209927B2 (en) | 2007-12-20 | 2012-07-03 | James Hardie Technology Limited | Structural fiber cement building materials |
| RU2518525C2 (en) * | 2008-06-06 | 2014-06-10 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Led lamp driver and method |
| US8993462B2 (en) | 2006-04-12 | 2015-03-31 | James Hardie Technology Limited | Surface sealed reinforced building element |
-
1999
- 1999-08-26 RU RU99118705/09A patent/RU2167485C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7658794B2 (en) | 2000-03-14 | 2010-02-09 | James Hardie Technology Limited | Fiber cement building materials with low density additives |
| US7727329B2 (en) | 2000-03-14 | 2010-06-01 | James Hardie Technology Limited | Fiber cement building materials with low density additives |
| US8182606B2 (en) | 2000-03-14 | 2012-05-22 | James Hardie Technology Limited | Fiber cement building materials with low density additives |
| US8603239B2 (en) | 2000-03-14 | 2013-12-10 | James Hardie Technology Limited | Fiber cement building materials with low density additives |
| US6893751B2 (en) | 2001-03-02 | 2005-05-17 | James Hardie Research Pty Limited | Composite product |
| US7704316B2 (en) | 2001-03-02 | 2010-04-27 | James Hardie Technology Limited | Coatings for building products and methods of making same |
| US7993570B2 (en) | 2002-10-07 | 2011-08-09 | James Hardie Technology Limited | Durable medium-density fibre cement composite |
| US7998571B2 (en) | 2004-07-09 | 2011-08-16 | James Hardie Technology Limited | Composite cement article incorporating a powder coating and methods of making same |
| US8993462B2 (en) | 2006-04-12 | 2015-03-31 | James Hardie Technology Limited | Surface sealed reinforced building element |
| US8209927B2 (en) | 2007-12-20 | 2012-07-03 | James Hardie Technology Limited | Structural fiber cement building materials |
| RU2518525C2 (en) * | 2008-06-06 | 2014-06-10 | Конинклейке Филипс Электроникс, Н.В. | Led lamp driver and method |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5438498A (en) | Series resonant converter having a resonant snubber | |
| JPS62230369A (en) | Dc/ac converter with asymmetrical half-wave brigde circuit | |
| JPH08289569A (en) | Interrupting power supply using saturable inductance for implementing pulse current source | |
| RU2167485C2 (en) | Dc-to-ac converter | |
| CA1206198A (en) | High-power, high-frequency-inverter system with combined analog control | |
| US5680301A (en) | Series/parallel resonant converter | |
| CA1160681A (en) | Dc side commutated inverter | |
| CA1201157A (en) | Zero crossover triggering circuit for thyristor | |
| Kim et al. | Novel constant frequency PWM DC/DC converter with zero voltage switching for both primary switches and secondary rectifying diodes | |
| RU14323U1 (en) | DC / AC CONVERTER | |
| US3519915A (en) | High-frequency sine-wave static inverter | |
| RU2110881C1 (en) | Pulse-width modulated resonance-tuned converter | |
| SU807467A1 (en) | Serial inverter | |
| SU886172A1 (en) | Series inverter | |
| SU955450A1 (en) | Series inverter | |
| SU1379921A1 (en) | Self-excited inverter | |
| SU1598086A1 (en) | Self-excited series inverter | |
| RU2254664C1 (en) | Off-line inverter | |
| Okuno et al. | Series resonant frequency tracking-based high-frequency inverter using static induction power transistors for electromagnetic industrial induction metal surface heating and feasible evaluations | |
| SU877746A2 (en) | Indepensistor inverter | |
| SU1001383A1 (en) | Self-sustained series inverter | |
| SU862339A1 (en) | Resonance serial-parallel inverter | |
| SU1095327A1 (en) | D.c. voltage converter | |
| RU2030848C1 (en) | Magnetron power regulator for superhigh-frequency furnace | |
| SU1150712A1 (en) | A.c.voltage-to-d.c. voltage converter |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20060827 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20081220 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20090827 |