RU89306U1

RU89306U1 - AUTONOMOUS AGREED INVERTER WITH QUASI-RESONANCE COMMUTATION

Info

Publication number: RU89306U1
Application number: RU2009126222/22U
Authority: RU
Inventors: Евгений Михайлович Силкин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Силовая электроника"
Priority date: 2009-07-08
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2009-11-27

Abstract

Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, к выводам переменного тока которого подключена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель, компенсирующий конденсатор, выходные выводы инвертора, второй компенсирующий конденсатор и второй коммутирующий дроссель, зашунтированная коммутирующим конденсатором.A self-contained matched inverter with quasi-resonant switching, containing a single-phase bridge connected to the input terminals of the inverter via filter inductors with direct-current diodes, bypassed by a filter capacitor, to the alternating current terminals of which is connected a serial circuit containing a switching inductor compensating the capacitor, inverter output terminals, a second compensating capacitor and a second switching choke, a shunted commutator capacitor.

Description

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может быть использована в источниках питания для телекоммуникационных систем, разрядных ламп, индукционных нагревателей, озонаторов и других электротехнологических нагрузок. Полезная модель повышает надежность работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией.The utility model relates to converting technology and can be used in power supplies for telecommunication systems, discharge lamps, induction heaters, ozonizers and other electrotechnological loads. The utility model improves the reliability of a stand-alone coordinated inverter with quasi-resonant switching.

Известен автономный инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, к выводам переменного тока которого подключены выходные выводы инвертора, зашунтированные коммутирующим конденсатором (П. 0072802 РФ, МКИ Н02М 7\5387. Инвертор напряжения \ Силкин Е.М. - Заявл. 14.12.07, Опубл. 27.04.08, Б.И. №12).A self-contained voltage inverter with quasi-resonant switching is known, which contains a single-phase bridge connected to the input terminals of the inverter via filter inductors with direct-current diodes, shunted by a filter capacitor, to the AC terminals of which are connected the inverter output terminals, shunted by a switching capacitor (P . 0072802 RF, MKI N02M 7 \ 5387. Voltage inverter \ Silkin EM - Announcement 14.12.07, Publ. 27.04.08, B.I. No. 12).

Недостатком автономного инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией является недостаточная надежность при работе на нагрузку с повышенной добротностью, что обусловлено неполной компенсацией и большими амплитудами токов через управляемые вентили и встречно параллельные диоды.The disadvantage of a stand-alone voltage inverter with quasi-resonant switching is the lack of reliability when working on a load with high Q factor, due to incomplete compensation and large amplitudes of currents through controlled valves and counter-parallel diodes.

Известен автономный инвертор напряжения с квазирезонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, к выводам переменного тока которого подключена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель и выходные выводы инвертора, управляемые вентили зашунтированы коммутирующими конденсаторами (П. 2155432 РФ, МКИ Н02М 5\45. Преобразователь частоты \ Силкин Е.М. - Заявл. 13.04.99, Опубл. 27.08.00, Б.И. №24).A self-contained voltage inverter with quasi-resonant switching is known, comprising a single-phase bridge connected to the input terminals of the inverter through filter inductors with direct-current diodes, bypassed by a filter capacitor, to the alternating current terminals of which is connected a serial circuit containing a switching inductor and output terminals inverters, controlled valves are shunted by switching capacitors (P. 2155432 RF, MKI N02M 5 \ 45. Frequency converter \ C lkin EM - stated 13.04.99, published 08.27.00, BI №24)...

Недостатком автономного инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией является недостаточная надежность при работе на нагрузку с повышенной добротностью, что обусловлено сложностью схемы, неполной компенсацией и большими амплитудами токов через управляемые вентили и встречно параллельные диоды.The disadvantage of a stand-alone voltage inverter with quasi-resonant switching is the lack of reliability when working on a load with high quality factor, due to the complexity of the circuit, incomplete compensation and large current amplitudes through controlled valves and counter-parallel diodes.

Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, к выводам переменного тока которого подключена последовательная цепь, содержащая дроссель насыщения, компенсирующий конденсатор, выходные выводы инвертора, второй компенсирующий конденсатор и второй дроссель насыщения, зашунтированная симметричным ограничителем напряжения (П. 0057064 РФ, МКИ Н02М 7\5387. Инвертор \ Силкин Е.М. - Заявл. 06.03.06, Опубл. 27.09.06, Б.И. №27).A self-contained matched inverter with resonant switching is known, which contains a single-phase bridge connected to the input terminals of the inverter via filter inductors with direct current terminals, shunted by a filter capacitor, to the alternating current terminals of which a serial circuit containing a saturation reactor, a compensating capacitor is connected , the output terminals of the inverter, the second compensating capacitor and the second saturation inductor, shunted symmetrical voltage limiter (P. 0057064 of the Russian Federation, MKI N02M 7 \ 5387. Inverter \ Silkin EM - Application. 06.03.06, Publish. 09/27/06, B.I. No. 27).

Указанный автономный согласованный инвертор является наиболее близким, по технической сущности, к полезной модели и выбран в качестве прототипа.The specified autonomous matched inverter is the closest, in technical essence, to a utility model and is selected as a prototype.

Недостатком автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, выбранного за прототип полезной модели, является низкая надежность работы на нагрузку с повышенной добротностью. Это обусловлено сложностью схемы, неполной компенсацией реактивности нагрузки (емкостная расстройка), высокими уровнями коммутационных потерь и перенапряжений, электромагнитных помех, скоростей нарастания напряжения и большими амплитудами токов через управляемые вентили и встречно параллельные диоды, что может привести к выходу их из строя. Излучаемые электромагнитные помехи могут вызывать сбои в системе управления автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.The disadvantage of a self-contained matched inverter with resonant switching, selected for the prototype of the utility model, is the low reliability of the load with high quality factor. This is due to the complexity of the circuit, incomplete compensation of load reactivity (capacitive detuning), high levels of switching losses and overvoltages, electromagnetic interference, voltage rise rates and large current amplitudes through controlled valves and counter parallel diodes, which can lead to their failure. Radiated electromagnetic interference may cause malfunctions in the control system of an autonomous matched inverter with resonant switching.

Полезная модель направлена на решение задачи повышения надежности работы автономного согласованного инвертора, что является целью полезной модели.The utility model is aimed at solving the problem of improving the reliability of a stand-alone coordinated inverter, which is the purpose of the utility model.

Указанная цель достигается тем, что автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией содержит, подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированный конденсатором фильтра, к выводам переменного тока которого подключена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель, компенсирующий конденсатор, выходные выводы инвертора, второй компенсирующий конденсатор и второй коммутирующий дроссель, зашунтированная коммутирующим конденсатором.This goal is achieved by the fact that a self-contained matched inverter with quasi-resonant switching contains, connected to the input terminals of the inverter via filter inductors, direct current terminals with a single-phase bridge on controlled gates with counter-parallel diodes, shunted by a filter capacitor, to the alternating current terminals of which is connected a serial circuit containing switching inductor, compensating capacitor, inverter output terminals, second compensating capacitor and second switching d ossel shunted switching capacitor.

Существенным отличием, характеризующим полезную модель, является повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией на различные нагрузки с повышенной и высокой добротностью, что достигается снижением уровней коммутационных потерь и перенапряжений, электромагнитных помех, скоростей нарастания напряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, уровней токов через них. Это уменьшает вероятность выхода управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов из строя, а также сбоев в системе управления инвертора. Заявляемый автономный согласованный инвертор относится к новому классу преобразовательных устройств силовой электроники.A significant difference characterizing the utility model is an increase in the reliability of an autonomous matched inverter with quasi-resonant switching for various loads with high and high quality factors, which is achieved by lowering the levels of switching losses and overvoltages, electromagnetic interference, voltage rise rates on controlled gates and counter-parallel diodes, levels of currents through them. This reduces the likelihood of controlled valves and counter-parallel diodes failing, as well as failures in the inverter control system. The inventive self-contained matched inverter belongs to a new class of converting devices of power electronics.

Повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора, порядком их включения, реализуемым способом управления и новыми связями, то есть отличительными признаками полезной модели. Таким образом, отличительные признаки заявляемого автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией являются существенными.Improving the reliability of a stand-alone coordinated inverter with quasi-resonant switching is the technical result obtained due to new elements in the inverter circuit, the order of their inclusion, the implemented control method and new connections, that is, the hallmarks of the utility model. Thus, the distinguishing features of the claimed autonomous matched inverter with quasi-resonant switching are essential.

На рисунке приведена схема автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией.The figure shows a diagram of an autonomous matched inverter with quasi-resonant switching.

Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией содержит, подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра 1, 2 выводами постоянного тока однофазный мост на управляемых вентилях 3-6 с встречно-параллельными диодами 7-10, зашунтированный конденсатором фильтра 11, к выводам переменного тока которого подключена последовательная цепь, содержащая коммутирующий дроссель 12, компенсирующий конденсатор 13, выходные выводы инвертора 14, второй компенсирующий конденсатор 15 и второй коммутирующий дроссель 16, зашунтированная коммутирующим конденсатором 17.A self-contained matched inverter with quasi-resonant switching contains, connected to the input terminals of the inverter through the inductors of the filter 1, 2 DC outputs, a single-phase bridge on controlled gates 3-6 with counter-parallel diodes 7-10, shunted by the filter capacitor 11, to the AC terminals of which is connected a serial circuit containing a switching inductor 12, a compensating capacitor 13, the output terminals of the inverter 14, a second compensating capacitor 15 and a second switching inductor 16, shunted ƈ This switching capacitor 17.

Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом.Autonomous matched inverter with quasi-resonant switching in steady state operates as follows.

Импульсы управления на управляемые вентили 3, 6 и 4, 5 автономного инвертора подаются и вентили 3, 6 и 4, 5 включаются поочередно в моменты перехода напряжения на них через нуль с положительной в отрицательную область значений, то есть, не ранее момента равенства напряжения на конденсаторе фильтра 11 и мгновенного значения напряжения на коммутирующем конденсаторе 17, и не позднее момента выключения соответствующих встречно-параллельных диодов 7, 10 и 8, 9. Выключение управляемых вентилей 3, 6 и 4, 5 производится не позднее прогнозируемого момента перехода через нулевое значение мгновенного тока в последовательной цепи коммутирующего дросселя 12, компенсирующего конденсатора 13, нагрузкиThe control pulses to the controlled valves 3, 6 and 4, 5 of the autonomous inverter are supplied and the valves 3, 6 and 4, 5 are switched on alternately at the moments when the voltage passes through them from zero from the positive to the negative range of values, that is, not earlier than the moment of equal voltage filter capacitor 11 and the instantaneous voltage value at the switching capacitor 17, and no later than the moment of switching off the corresponding counter-parallel diodes 7, 10 and 8, 9. The controlled valves 3, 6 and 4, 5 are turned off no later than the predicted moment of switching ode through zero the instantaneous current in the series circuit of the switching choke 12, compensating capacitor 13, load

14 (выходных выводов инвертора), второго компенсирующего конденсатора14 (output terminals of the inverter), the second compensating capacitor

15 и второго коммутирующего дросселя 16, образующей нагрузочный колебательный контур последовательного типа. Между моментами выключения пары управляемых вентилей 3, 6 или 4, 5 и включения очередной пары управляемых вентилей 4, 5 или 3, 6 имеет место пауза в работе. Частота со управления вентилями 3, 6 и 4, 5 устанавливается выше собственной частоты ω последовательного колебательного контура нагрузки 14. То есть, расстройка последовательного контура нагрузки 14 является индуктивной. За счет энергии, накопленной в электромагнитном поле эквивалентной индуктивности последовательного колебательного контура нагрузки 14, производится переразряд емкости коммутирующего конденсатора 17 до напряжения противоположной полярности в интервалах паузы (после выключения очередной пары управляемых вентилей 3, 6 или 4, 5). В момент равенства напряжения на конденсаторе фильтра 11 и мгновенного значения напряжения на коммутирующем конденсаторе 17 включаются соответствующие встречно-параллельные диоды 7, 10 (при условно положительной) или 8, 9 (при условно отрицательной полярности напряжения на коммутирующем конденсаторе 17). Управляемые вентили 3, 6 или 4, 5 в интервалах проводимости соответствующих встречно-параллельных диодов 7, 10 или 8, 9 тока не проводят. После выключения встречно-параллельных диодов 7, 10 или 8, 9 управляемые вентили 3, 6 или 4, 5 вступают в работу и начинают проводить ток, который изменяется по колебательному закону до момента их отключения (снятия управляющих импульсов). Управляемые вентили 3, 6 или 4, 5 и встречно-параллельные диоды 7, 10 или 8, 9, таким образом, проводят ток в течение суммарного интервала времени, равного половине периода выходного переменного напряжения в положительном и отрицательном полупериодах. Период (полный цикл работы инвертора) выходного переменного напряжения соответствует полному циклу работы всех управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10.15 and the second switching inductor 16, forming a load oscillating circuit of a sequential type. Between the moments when the pair of controlled gates 3, 6 or 4, 5 is turned off and the next pair of controlled gates 4, 5 or 3, 6 is turned on, there is a pause in operation. The frequency with the control valves 3, 6 and 4, 5 is set above the natural frequency ω of the sequential oscillatory load circuit 14. That is, the detuning of the serial load circuit 14 is inductive. Due to the energy stored in the electromagnetic field of the equivalent inductance of the series oscillatory load circuit 14, the capacitance of the switching capacitor 17 is overdischarged to the voltage of the opposite polarity in the pause intervals (after switching off the next pair of controlled valves 3, 6 or 4, 5). At the moment of equality of the voltage across the filter capacitor 11 and the instantaneous voltage value at the switching capacitor 17, the corresponding counter-parallel diodes 7, 10 (with conditionally positive) or 8, 9 (with the conditionally negative polarity of voltage across the switching capacitor 17) are turned on. Controlled valves 3, 6 or 4, 5 do not conduct current in the conduction intervals of the corresponding counter-parallel diodes 7, 10 or 8, 9. After turning off the counter-parallel diodes 7, 10 or 8, 9, the controlled valves 3, 6 or 4, 5 come into operation and begin to conduct current, which changes according to the oscillatory law until they are turned off (removal of control pulses). Controlled valves 3, 6 or 4, 5 and counter-parallel diodes 7, 10 or 8, 9, thus, conduct current for a total time interval equal to half the period of the output alternating voltage in the positive and negative half-periods. The period (full cycle of the inverter) of the output AC voltage corresponds to the full cycle of operation of all controlled valves 3-6 and counter-parallel diodes 7-10.

Коммутирующий конденсатор 17 обеспечивает частичную параллельную компенсацию реактивности цепи нагрузки 14, имеющей высокую добротность, и режим квазирезонансной коммутации. Собственная частота эквивалентного параллельного контура (17, 14) несколько выше частоты ω выходного переменного напряжения инвертора. То есть, параллельный контур также работает с индуктивной расстройкой. Для обеспечения режима квазирезонансной коммутации необходимо, чтобы собственная частота ψ эквивалентного параллельного колебательного контура (17, 14) удовлетворяла условию: ψ>>ω.The switching capacitor 17 provides partial parallel compensation of the reactivity of the load circuit 14, which has a high quality factor, and a quasi-resonant switching mode. The natural frequency of the equivalent parallel circuit (17, 14) is slightly higher than the frequency ω of the inverter output AC voltage. That is, the parallel circuit also works with inductive detuning. To ensure the regime of quasi-resonant switching, it is necessary that the natural frequency ψ of the equivalent parallel oscillatory circuit (17, 14) satisfies the condition: ψ >> ω.

Дроссели фильтра 1, 2 обеспечивают защиту элементов автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией при коротких замыканиях в нагрузке 14, неисправностях элементов схемы, при выходе из строя полностью управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10 и симметричное ограничение тока при глухом закорачивании выводов нагрузки 14 на «землю» (корпус) устройства. Дроссели фильтра 1, 2 также служат для фильтрации переменной составляющей напряжения на конденсаторе фильтра 11 и уменьшения отрицательного влияния на источник питания инвертора или фильтрации переменной составляющей тока источника питания инвертора. Конденсатор фильтра 11 обеспечивает эффективную фильтрацию напряжения на выводах постоянного тока однофазного моста на управляемых вентилях 3-6 и встречно-параллельных диодах 7-10.Filter inductors 1, 2 provide protection for elements of an autonomous matched inverter with quasi-resonant switching during short circuits in load 14, malfunctions of circuit elements, in the event of failure of fully controlled valves 3-6 and counter-parallel diodes 7-10 and symmetrical current limitation with blind shorting conclusions of the load 14 to the "earth" (case) of the device. The inductors of the filter 1, 2 also serve to filter the variable component of the voltage across the filter capacitor 11 and reduce the negative effect on the inverter power source or filter the variable component of the current of the inverter power source. The filter capacitor 11 provides effective filtering of voltage at the DC terminals of a single-phase bridge on controlled valves 3-6 and on-parallel diodes 7-10.

Включение полностью управляемых вентилей 3-6 осуществляется при нулевых значения тока и напряжения на них. Выключение управляемых вентилей 3-6 происходит при минимально возможном токе через них в интервале колебательного спада указанного тока. За счет действия коммутирующего конденсатора 17, шунтирующего последовательную цепь нагрузки 14, перенапряжения в схеме инвертора отсутствуют (коммутация при нулевом напряжении), а коммутационные потери при выключении управляемых вентилей 3- 6 незначительны. Встречно-параллельные диоды 7-10 проводят минимально возможный ток в течение малого интервала времени.The inclusion of fully controlled valves 3-6 is carried out at zero values of current and voltage on them. Shutdown of controlled valves 3-6 occurs at the lowest possible current through them in the interval of the oscillatory decline of the specified current. Due to the action of the switching capacitor 17, shunting the series load circuit 14, there are no overvoltages in the inverter circuit (switching at zero voltage), and switching losses when switching off controlled valves 3-6 are insignificant. Counter-parallel diodes 7-10 conduct the lowest possible current for a short time interval.

Последовательная компенсация реактивности нагрузки 14 является наиболее предпочтительной при высокой добротности, так как обеспечивает протекание минимальных токов через элементы схемы инвертора при выполнении его на заданную мощность за счет передачи энергии в нагрузку 14 на повышенном напряжении.Sequential compensation of the reactivity of the load 14 is most preferable at high quality factor, as it ensures the flow of minimum currents through the elements of the inverter circuit when it is performed at a given power due to the transfer of energy to the load 14 at an increased voltage.

Коммутирующие дроссели 12, 16 выполняются в виде самостоятельных элементов, либо представляют собой индуктивности соединительных шин.Switching chokes 12, 16 are made in the form of independent elements, or represent the inductance of the connecting busbars.

Разделение общей компенсирующей емкости на части 13, 15 позволяет ограничить аварийные токи короткого замыкания нагрузки 14 и обеспечить, совместно с коммутирующими дросселями 12, 16, работоспособность инвертора практически до режима короткого замыкания.Separation of the total compensating capacitance into parts 13, 15 makes it possible to limit the emergency short-circuit currents of the load 14 and to ensure, together with the switching reactors 12, 16, the inverter operability almost to the short-circuit mode.

Управляемые вентили 3-6 при реализации инвертора могут быть выполнены как на двухоперационных тиристорах, так и на транзисторах различных типов, а также на комбинированных ключах и аналогах полностью управляемых вентилей на приборах с неполной управляемостью.The controlled valves 3-6 during the implementation of the inverter can be performed both on dual-operation thyristors and on transistors of various types, as well as on combination keys and analogs of fully controlled valves on devices with incomplete controllability.

По сравнению с прототипом повышается надежность работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией на нагрузку с высокой добротностью. Это достигается за счет снижения величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов (более чем в три раза в практических случаях), уровней перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, возникающих при их коммутациях, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, нежесткой (квазирезонансной) коммутацией управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов. Повышается устойчивость работы инвертора и снижается вероятность срывов инвертирования при работе, например, на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель, озонатор) при сбоях в системе управления инвертора.Compared with the prototype, the reliability of an autonomous matched inverter with quasi-resonant switching to a load with high quality is increased. This is achieved by reducing the values of the currents of controlled gates and anti-parallel diodes (more than three times in practical cases), the levels of overvoltage on controlled valves and anti-parallel diodes arising from their switching, the levels of electromagnetic interference that occur when the controlled valves are turned off and anti-parallel diodes, non-rigid (quasi-resonant) switching controlled gates and anti-parallel diodes. The stability of the inverter increases and the likelihood of inversion failures during operation, for example, to an electrotechnological load (an induction heater, ozonizer) that varies over a wide range during failures in the inverter control system, decreases.

Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части инвертора и расширена область применения за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.Additionally (in comparison with the prototype), the design of the energy (power) part of the inverter can be greatly simplified and the scope of application can be expanded by providing the possibility of using controlled valves and counter-parallel diodes with reduced requirements for their parameters and lower price.

По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается коэффициент полезного действия инвертора за счет уменьшения токов и коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах (снижение уровней коммутационных перенапряжений, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку).Compared with the prototype, the inverter’s efficiency is additionally increased by reducing currents and switching energy losses in controlled valves and counter-parallel diodes (lowering voltage switching levels, recovering part of the voltage energy to the load).

Claims

A self-contained matched inverter with quasi-resonant switching, containing a single-phase bridge connected to the input terminals of the inverter via filter inductors with direct-current diodes, bypassed by a filter capacitor, to the alternating current terminals of which is connected a serial circuit containing a switching inductor compensating the capacitor, inverter output terminals, a second compensating capacitor and a second switching choke, a shunted commutator capacitor.