SU1312708A1 - Автономный инвертор напр жени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к преобразовательной технике и м.б.использовано в различного вида преобразовател х параметров электрической энергии дл  питани  нагрузок средней и большой мощности. Целью изобретени   вл етс  повышение энергетических показателей. Устр-во содержит мост основных ключевых элементов 2, 3, 7, 8 с выходным тр-ром 5 и тр-ра- ми возврата 19, 20. Основные 31-34 и дополнительные 35-38 коммутирующие конденсаторы подключены к источнику подзар да через разделительные диоды 39, 40. Мост подключен к входным выводам через разделительный диод 45, а к разделительным диодам 39,40 - через ключи 41-44. Продолжительность разр да коммутирующих конденсаторов, например, 31,35 определ ет врем  приложени  обратного напр жени  к выключенному ключевому элементу 3. Одновременно при этом происходит зар д коммутирующих конденсаторов 32, 36. Ток зар да конденсатора 36, протека  через первичную обмотку 17 тр-ра 19, создает на ней напр жение, которое, трансформиру сь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию в источник. 4 ил., 1 табл. ш (Л со to « о 00

Description

Изобретение относитс  к электротехнике , а именно к силовым полупроводниковым преобразовател м посто нного напр жени  в переменное, выполненным на однооперационных тиристорах , и может быть использовано в качестве выходного или промежуточного звена в различного вида преобразовател х параметров электрической энергии дл  питани  нагрузок средней и большой мощности.

Целью изобретени   вл етс  повышение энергетических показателей.

На фиг. 1 представлена схема мостового инвертора; на фиг. 2 - кривые токов i и напр жений на соответствующих элементах схемы дл  случа  о,; 60° и LP 60°; на фиг. 3 - схема многофазного много чейкового инвертора; на фиг. 4 - полумостовой вариант схемы инвертора.

Устройство содержит мост 1 с основными ключевыми элементами 2 и 3, образующими пару с включенными между ними коммутирующими дросселем 4 с полуобмотками 5 и 6 и основными ключевыми элементами 7 и 8, образующими вторую пару, с включенным между ними коммутирующим дросселем 9 с полуобмотками 10 и 1 I .

Между средними точками дросселей 4 и 9 подключена первична  обмотка 12 выходного трансформатора 13, вторична  обмотка 14 которого подключена к активно-индуктивной нагрузке 15 и 16.

К средним точкам коммутирующих дросселей 4 и 9 подключены соответственно начала первичных обмоток I7 и 18 трансформатЬров 19 или 20 возврата с вторичными обмотками 21 и 22, а концы первичных обмоток 17 и

18соединены с общими точками обрат- .ных вентилей 23, 24 и 25, 26. Концы

вторичных обмоток 21 и 22 соединены с общими точками вентилей 27, 28 и 29, 30 соответственно.

Разветвленные коммутирующие контуры образуютс  соответственно основными группами коммутирующих конденсаторов 31-34, подключенными первыми обкладками к средним точкам коммутирующих дросселей 4 и 9 и дополнительными группами коммутирующих конденсаторов 35-38, подключенными первыми обкладками к концам первичных обмоток 17 и 18 трансформаторов

19и 20 возврата. Вторые обкладки

10

15

127082

основных 31, 33 и дополнительных 35, 37 коммутируюЕцих конденсаторов соединены с катодом первого разделительного диода 39, включенного в прово- 5 д щем напр женин в положительную шину (+UP) источника зар да конденсаторов , а вторые обкладки основных 32, 34 и дополнительных 36, 38 коммутирующих конденсаторов соединены с анодом второго разделительного диода 40j включенного в провод щем направлении в отрицательную шину (-Uc) источника зар да конденсатора. Анод второго разделительного диода 40 и вторые обкладки групп 32, 34, 36, 38 коммутирующих конденсаторов катодной части моста соединены с катодом третьего ключа 41 и анодом первого ключа 42, а анод третьего

ключа 41 и катод первого ключа 42 подключены к отрицательному полюсу (-Е) основного источника питани . Катод первого разделительного

25 диода 39 и вторые обкладки коммутирующих конденсаторов 31, 33, 35, 37 анодной части моста 1 соединены с анодом четвертого ключа 43 и катодом второго ключа 44, а катод четвертого ключа 43 и анод второго ключа 44 соединены в общую точку с основными ключевыми элементами 2 и 7 анодной части моста 1 и катодом третьего разделительного диода 45, включенного в провод щем направлении в поло

5 жительный полюс основного источника питани  и отдел ющего- точку соединени  катода четвертого ключа 43, анода второго ключа 44 и анодов основных ключевых элементов 2 и 7 от

40

входного вывода положительного полюса (-1-Е) основного источника питани  и подключенных к нему катодов обратных вентилей 23, 25, 27, 29, 46, 47.

Аноды обратных вентилей 24, 26, 28, 30, 48, 49 соединены с отрицательным полдосом (-Е) основного источника питани .

Начала вторичных обмоток 21 ч 22

трансформаторов 19 и 20 возврата соответственно соединены с общими точками соединени  обратных вентилей 46, 48 и 47, 49. Причем обратные вентили 27, 28, 46, 48 и 29, 30,.

5-5 47, 49 образуют обратные выпр мители , которые катодами обратных вентилей 27, 46 и 29, 47 подключены к положительной шине (+Е) основного

30

источника питани  и аноду третьего диода 45, а анодами обратных вентилей 28, 48 и 30, 49 - к отрицательной шине (-Е) основного источника питани .

Устройство работает следующим образом .

Коммутаци  пар ключевых элементов 2 и 3, 7 и 8 может происходить либо при положительном, либо при отрицательном значении тока нагрузки, Есо1 ли вьтолн етс  условие f + - О,

то коммутаци  вентильной пары 2 и 3 имеет место при положительном значении тока нагрузки i(o) 7 О, если (/

fO

2

О, то при отрицательном.

где у - угол сдвига между напр жением и током нагрузки в эл. град, (при индуктивной нагрузке - отстающий , фиг, 2, при емкостной - опережающий ), oi угол регулировани  инвертора значени  в эл, град; i(o) - значение тока нагрузки дл  нулевого момента времени. Пара 7 и В коммутирует при отрицательном значении тока нагрузки, если Yu jПри индуктивной нагрузке t/, О и при любом угле регулировани  d пара 2 и 3 коммутирует при отрицательном значении тока нагрузки, дл  которых услови  коммутации получаютс  более т желыми. Поэтому рассмотрим процессы коммутации дл  случа , когда i(o) f О, полага , что за врем  коммутации ток нагрузки не успевает заметно изменитьс  и остаетс  равным

1(0).

Рассмотрим процесс коммутации с ключевого элемента 3 на ключевой элемент 2. Этапы коммутации.

15

20

13127084

(+Uc)-39-43-7-10-34-40 (-U);

(+Uc)-39-43-7-10-18-38-40 (-U.).

Первый 42 и второй 44, третий 41 и четвертый 43 ключи закрыты. Обратное напр жение на обратных вентил х 23, 26 и пр мое напр жение на ключевых элементах 2 н 8 равно напр жению (Е) основного источника питани ,

В момент времени импульсами управлени  включаютс  ключевой элемент 2 и первый 42 и четвертый 43 ключи. Напр жение на полуобмотке 5 (Ug) коммутирующего дроссел  4 становитс  равным Uj.E (при Е 7 U.), Если считать коэффициент св зи между полуобмотками 5 и 6 коммутирующего дроссел  4 равным единице, то такое же напр жение по величине индуктируетс  и на полуобмотке 6 с пол рностью, указанной на фиг. 1, Поскольку напр жение на основном 32 и дополнительном 36 коммутирующих конденсаторах в первый момент после включени  ключевого элемента 2 остаетс  равным нулю, полуобмотка 6 закорачиваетс  через основной коммутирующий конденсатор 32 и параллельно через первичную обмотку I7 трансформатора 19 возврата, дополни- 30 тельный коммутирующий конденсатор 36, первый ключ 42 и ключевой элемент 3, Ток короткого замыкани  iЭ2 в контуре элементов (+6)-32-42-3-(-6) нарастает быстро, так как он ограничен только индуктивностью рассе ни  коммутирующего дроссел  4, Ток i :«,

в контуре (+6)-17-36-42-3-(-6) нарастает медленнее, так как он oi- раничен индуктивностью рассе ни  коммутирующего дроссел  4 и индуктивностью первичной обмотки 17 трансформатора 19 возврата.

25

35

40

Ток ij меньше по амплитуде тоВ исходном состо нии схемы ток на-. ка ijj и измен етс  с круговой часгрузки 1 протекает по цепи ()-45- -7-10-12-6-3-(-Е), Ключевые элементы 2 и 8 закрыты. Основные и дополнительные группы 32, 36 и 33, 37 коммутирующих конденсаторов разр жены (они шунтированы открытыми ключевыми элементами 3 и 7), напр жение на них равно нулю, следовательно, напр жение на основных и дополнитель50

тотой в два-три раза меньшей, чем ток ijj. Ток i jg, протека  через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напр жение, которое, трансформиру сь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по цепи (-Е)-48-21-27- -(+Е) или по цепи (-Е)-28-21-46-(-ьЕ) при изменении направлени  тока i

ных группах зар да U, которые соот- в конденсатор 50 фильтра посто нно- ветственно зар дились по цеп м (по- л рность показана без скобок), равно

(+Uc)-39-32-6-3-41-40 (-Uc);

(+Uc)-39-35-l 7-6-3-41-4Д (-Uc);

го тока основного источника питани  и на зар д основных и дополнительных групп коммутирующих конденсаторов через ключи 44 и 42.

Ток ij меньше по амплитуде тока ijj и измен етс  с круговой час

тотой в два-три раза меньшей, чем ток ijj. Ток i jg, протека  через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напр жение, которое, трансформиру сь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по цепи (-Е)-48-21-27- -(+Е) или по цепи (-Е)-28-21-46-(-ьЕ) при изменении направлени  тока i

в конденсатор 50 фильтра посто нно-

в конденсатор 50 фильтра посто нно-

го тока основного источника питани  и на зар д основных и дополнительных групп коммутирующих конденсаторов через ключи 44 и 42.

5

Токи и ij, накла ток нагрузки ключевого и  вл  сь противоположнравлению , уменьшают ток нул , включа  ключевой первый ключ 42, Ток чер элемент 2 увеличиваетс  величины - i(o).

Таким образом, ток с элемента 3 переходит на

элемент 2. Поскольку ig ij2 и ij Цд,следовательно, в момент времени суммарные токи ij, ij и 131, i 3 коммутирующих конденсаторов скачкообразно возрастают до значени , равного -1(0),

Врем  первого этапа, св занного с выключением ключевого элемента 3, мало, поэтому можно считать переход тока с ключевого элемента 3 на ключевой элемент 2 мгновенным.

После выключени  ключевого элемента 3 и первого ключа 42 начинаетс  второй этап коммутации, который характеризуетс  разр дом коммутирующих конденсаторов 31 и 35 через полуоб- мотки 5 коммутирующего дроссел  4 по цеп м 31-43-2-5-31; 35-43-2-5-17-35.

Ток разр да ijj, протека  по последней цепи через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напр жение, которое, трансформиру сь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по цепи (-Е)-48-21-27-(+Е) при указанном на фиг. 1 стрелкой токе ° цепи (-Е)28-21-46-(+Е) при противоположном направлении тока в конденсатор 50 фильтра. Продолжительность разр да коммутирующих конденсаторов 31 и 35 определ ет врем  приложени  обратного напр жени  к выключенному ключевому элементу 3, Одновременно происходит зар д коммутирующих конденсаторов 32, 36 по цеп м (+Uc)-39-43-2-5-32-40-(-Uc) и (+Uc)-39-43-2-5-17-36-40-(-Uc),

Ток зар да ij, протека  через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает в ней напр жение, которое, трансформиру сь во вторичную обмотку 21, возвращает избыточную энергию по описанным цеп м. Второй этап заканчиваетс , когда напр жение коммутирующих конденсаторов 31, 35 становитс  равным нулю и стремитс  помен ть пол рность. Однако цепи перезар да коммутирующих кон

5

денсаторов 31, 35 нет, так как заперт четвертый ключ 43, Токи в конденсаторах 31 и 35 отсутствуют, поскольку они разр жены до нул , а токи коммутирующих конденсаторов 32 и 36 отсутствуют, поскольку они зар жены до напр жени  U.

Таким образом, в начале третьего этапа ток ключевого элемента 2 и ток нагрузки IH переход т на обратный вентиль 23 по контуру 5-17-23-45-2-5. Этот этап можно считать этапом разр да полуобмотки 5 коммутирующего дроссел  4 по указанной цепи. При этом разр дный ток дроссел  4, замыка сь через первичную обмотку 17 трансформатора 19 возврата, создает на ней напр жение дЦ, которое, трансформиру сь во вторичную обмотку 21, возвращает основную часть избыточной энергии по цепи (-Е)-48-21-27-(+Е) в основной источник питани .

Введение в контур разр да дополнительного напр жени  ли первичной обмотки 17 трансформатора 19 существенно уменьшает врем  tp разр да коммутирующего дроссел  4.

На этом процесс коммутации тока с ключевого элемента 3 на ключевой

элемент 2 заканчиваетс  и схема готова к коммутации тока с ключевого элемента 7 на ключевой элемент 8 через временный сдвиг, определ емый - углом d (эп, град.) регулировани 

5 инвертора,

IT. макс- L4

0

5

зи

где 1

т. макс

0

5

Ч ли амплитудное значение тока ключевого элемента 2 в конце второго этапа;

индуктивность полуобмотки 5 дроссел  4; дополнительное напр жение первичной обмот-, ки 17 трансформатора 19, вводимое в контур дл  ускорени  разр да. Если в течение интервала времени разр да дроссел  4 ток нагрузки не изменит знак, то в конце эт ого интервала ключевой элемент 2 отключаетс  и ток нагрузки переходит на диод 23.

В этом случае дл  обеспечени  нормальной работы схемы управл ющий импульс , подаваемый на ключевой эле0

мент 2 (также и 3), должен быть достаточно длительным по времени, чтобы ключевой элемент 2 находилс  в провод щем состо нии к моменту изменени  пол рности тока нагрузки. Если в течение интервала времени разр да дроссел  4 ток нагрузки измен ет знак и возрастает в сторону положительных значений, то ключевой элемент 2 проводит ток Непрерывно.

Врем  tp должно быть меньше половины периода выходного напр жени  инвертора. По заданному времени tp можно определить необходимое напр жение jU и рассчитать коэффициент трансформации трансформаторов 19 и 20 возврата.

Максимальное значение тока i в ключевом элементе де суммарного разр да тока ic.wdKc конденсатора с. м«кс . где ip ««кг амплитудное значение сум1 waikt

марного разр дного тока основной и дополнительной групп коммутирующих конденсаторов

т, «а К 2 равно амплиту

Uc

--- sinwc

t+

Ur . ,

- sinuj;, t,

po

Uj. - напр жение разр да коммутирующих конденсаторов 31 и 35;

Wp - кругова  частота собственных колебаний контура включающего основного конденсатора 31,

LO

1

N2L

tojj- кругова  частота собственных колебаний контура включающего дополнительного конденсатора 35

2

3 7

О

180

180+dL

со:

(при L,

этом

f 2а,Ц)С/ ,/ u)L 7, 2

5

31

Cjs

Uc Po

0

Wo/ bo; 7, 2-3); индуктивность полуобмотки 5 коммутирующего дроссел  4;

индуктивность первичной обмотки 17 трансформатора 19 возврата; емкость коммутирующего конденсатора 31; емкость коммутирующего конденсатора 35; напр жение источника под- зар да коммутирующих кон- ден аторов;

волновое сопротивление коммутирующим конденсатором 31 ,

Ра

LO

о 5

о

волновое сопротивление контура с дополнительным коммутирующим конденсатором 35,

 ;,

и);,(ь,.+ц,).

Энерги  WL, записываема  в коммутирующем дросселе 4 в процессе коммутации (без учета потерь), равна

2

W,

т -2 .MOIKC

yliCj,.iC35.1j

Частота переключений пар ключевых элементов 2 и 3, 7 и 8 задаетс  частотой управл ющих импульсов системы управлени .

Алгоритм и частота переключений ключевых элементов и диодов приведены в таблице.

42 44 42

13

Примечание: f- частота напр жени  на

первичной обмотке I2 трансформатора 13 нагрузки.

Коммутаци  с ключевого элемента 7 на ключевой элемент 8 происходит аналогично описанному процессу.

Однофазный мостовой инвертор напр жени  (фиг. I) выполнен с широтным регулированием выходного напр жени . При этом система регулировани  инвертором допускает временной сдвиг на электрический угол d моментов отпирани  ключевых элементов 7 и 8 относительно моментов отпирани  ключевых элементов 3 и 2, причем моменты отпирани  ключевых элементов 2 и 3, 7 и 8 всегда сдвинуты на угол Т. При оС.0 ключевые элементы 2 и 8, а также 3 и 7 отпираютс  одновременно и на выходе трансформатора 13 нагрузки формируетс  напр жение пр моугольной формы, а в многофазных много чейковых инверторах напр жени 

131270810

П родолжение таблицы

f

(фиг. 3), состо щих из однофазных мостов (фиг. I), формируетс  напр жение многоступенчатой (квазнсинусо- идальной) формы.

Пусть фаза интервалов проводимости ключевых элементов 8 и 7 измен етс  относительно фазы интервгшов проводимости тиристоров 2 и 3 в сторону отставани  на эл. угол. На фиг. 2 представлены кривые токов и напр жений на элементах схемы дл  случа  oi 60° и 60°. В те интервалы времени, когда одновременно включены ключевые элементы, подсоединенные к одному полюсу основного источника питани  (2 и 7, 3 и 8) напр жение на первичной обмотке 12 трансформатора 13 нагрузки равно нулю , поскольку соответствующие пары 2, 7 или 3, 8 закорачивают первичную

It1

обмотку 12 трансформатора 13 нагрузки . В кривой выходного напр жени  по по вл ютс  нулевые участки длительностью oL. Крива  выходного напр жени  Е„ (фиг. 2) в этом случае может быть представлена как сумма двух кривых такой же формы, как и при , но сдвинутых по времени на эл. угол ci и уменьшенных вдвое rfo амплитуде. Измен   угол е от нул  до Т , принципиально можно регулировать выходное напр женне от максимального значени , определ емого величиной Е, до нул .

Иногда с целью сохранени  неизменной фазы выходного напр жени  ключевые элементы 2 и 3- открывают раньше некоторого опорного момента времени на эл, угол , а

ключевые элементы 8 и 7 открывают позже некоторого опорного момента

ot времени также на эл. угол -.

Claims (1)

1. Формула изобретени 

   Автономный инвертор напр жени , содержащий однофазный мост, катодна  группа основных ключевых элементов которого подключена, к отрицательному входному выводу, и параллельные разветвленные коммутирующие LC-контуры с включенными между парами основных ключевых элементов моста коммутирующими дроссел ми, к средним точкам которых подключены первична  обмотка трансформатора нагрузки и начала первой и второй трансформаторных обмоток возврата, соединенных концами через обратные вентили с положительными неотрицательными входными выводами, а треть  трансформаторна  обмотка возврата подключена к входным выводам через вентили обратного выпр мител , а также основные коммутирующие конденсаторы, соединенные попарно последовательно и подключенные общими точками к соответствующим общим точкам соединени  средней точки соответствующих коммутирующего дроссел  и начала трансформаторной обмотки возврата, отличающийс  тем, что, с целью повышени  энергетических показателей, он снабжен трем  разделительными диодами , четырьм  ключами, источником подэар да и четырьм  дополнительны8 ми.

   12

   попарно последовательно соединенными конденсаторами, включенными между катодом первого разделительного диода, соединенного анодом с поло- жительной шиной источника подзар да и анодом второго разделительного диода , соединенного катодом с отрицательной щиной источника подзар да, а обща  точка каждой пары дополнительных конденсаторов подключена к концу соответствующей первой или второй трансформаторной обмотки возврата , в качестве которых использованы первичные обмотки двух введенных трансформаторов возврата, причем в качестве третьей обмотки использована вторична  обмотка одного из введенных трансформаторов возврата, вторична  обмотка другого из которых

   подключена к входным выводам через вентили введенного дополнительного обратного выпр мител , а положительный входной вывод соединен с анодньй группой основных ключевых элементов

   моста через третий разделительный диод, включенный в пр мом направлении , соединенный катодом через два встречно параллельно включенных указанных ключа с катодом первого разделительного диода, а катодна  группа моста через два других встречно параллельно включенных ключа соединена с анодом второго разделительного диода, причем

   35

   Шо

   U)o

   7/ 2-3,

   40

   Где ujg - собственна  кругова  часгРад

   тота (---) коммутирующего

   5

   5

   контура, образованного емкостью с дополнительных коммутируюошх конденсаторов , индуктивностью L первичной обмоткн трансформатора возврата и индуктивностью L полуобмотки коммутирующего дроссел ; Ыд- собственна  кругова  час- рад тота () коммутирующего

   контура, образованного емкостью С основных коммутирующих конденсаторов и индуктивностью L полуобмотки коммутирующего дроссел .

   2Л t

   JflJ

   ,fm

   г  9

   v W

   JV

   iff ijr

   2JT

   ФигЗ

   Wc

   3d

   ФигЛ