ПОЛУМОСТОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР

ПОЛУМОСТОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОР


RU (11) 2326484 (13) C1

(51) МПК
H02M 7/538 (2007.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 05.12.2008 - действует 

--------------------------------------------------------------------------------

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2007111215/09 
(22) Дата подачи заявки: 2007.03.27 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2007.03.27 
(45) Опубликовано: 2008.06.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: SU 817945 A, 30.03.1981. RU 20074492 C1, 27.02.1997. GB 2300533 A, 11.06.1997. 
(72) Автор(ы): Магазинник Лев Теодорович (RU); Магазинник Аркадий Григорьевич (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Ульяновский государственный технический университет" (RU) 
Адрес для переписки: 432027, г.Ульяновск, Северный Венец, 32, ГОУ ВПО "Ульяновский государственный технический университет", Проректору по научной работе 

(54) ПОЛУМОСТОВОЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ИНВЕРТОРПолумостовой транзисторный инвертор, содержащий полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока, нагруженный на первичную обмотку согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена через диодный мост к нагрузке постоянного тока активно-индуктивного характера. Инвертор управляется от типовой системы широтно-импульсного регулирования, замкнутой по току и средневыпрямленному напряжению нагрузки. Отличительная особенность заключается в том, что для линеаризации внешних характеристик RC-цепочка, определяющая частоту генератора импульсов и соответственно частоту инвертора, выполнена в виде конденсатора и двух последовательно соединенных резисторов, один из которых шунтирован диагональю переменного тока диодного моста, диагональ постоянного тока которого подключена к транзистору. Транзистор в совокупности с обратными связями по току и напряжению нагрузки и простой логической схемой представляет аналог регулируемого резистора и позволяет осуществить автоматический переход из режима широтно-импульсной модуляции с фиксированной частотой в режим широтно и частотно-импульсной модуляции с увеличением частоты пропорционально току нагрузки. Технический результат - обеспечение линейности внешних характеристик. 4 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Предлагаемое изобретение относится к области электротехники, а именно к полумостовым транзисторным инверторам преимущественно с трансформаторной нагрузкой. Транзисторные инверторы широко применяются в различных радио- и электроустановках [1, 2]. В тех случаях, когда нагрузкой инвертора является трансформатор, применение двухтактных инверторов с мостовой схемой или схемой со средней точкой в первичной обмотке трансформатора («нулевая схемам) неэффективно, так как в диагонали переменного тока инвертора неизбежно появление постоянной составляющей, что приводит к ухудшению использования трансформатора, необходимости воздушного зазора в сердечнике. Постоянная составляющая отсутствует в полумостовых инверторах, представляющих собой полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух последовательно соединенных конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, диагональ постоянного тока которого подключена к источнику питания, а в диагональ переменного тока включена первичная обмотка согласующего трансформатора [2, 3, 4]. Вторичная обмотка согласующего трансформатора обычно через диодный мост подключается к нагрузке постоянного тока активно-индуктивного характера, последовательно с которой включены сглаживающий дроссель и датчик тока, а параллельно - датчик средневыпрямленного напряжения.

Управление, т.е. регулирование выходных параметров (тока, напряжения) в известных инверторах такого типа, осуществляется методом широтно-импульсной модуляции от типовых систем управления, обычно замкнутых по току и напряжению нагрузки, представляющих собой микроконтроллер и содержащих на входе генератор импульсов заданной частоты [5, рис.33.11, 33.12].

Описанный полумостовой транзисторный инвертор с типовой системой управления по методу широтно-импульсной модуляции является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит в силовой части два транзистора 1, 2, шунтированных двумя обратными диодами 3, 4, два конденсатора 5, 6, образующих в совокупности с транзисторами 1, 2 мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания Uп. В диагональ переменного тока включена первичная обмотка 7 согласующего трансформатора, а его вторичная обмотка 8 через диодный мост 9 подключена к нагрузке 10, последовательно с которой включены дроссель 11 и датчик тока 12. Параллельно нагрузке включен датчик средневыпрямленного напряжения 13. Система управления 14 замкнута по току и напряжению нагрузки сигналами с датчика тока 12 и датчика средневыпрямленного напряжения 13, подключенными своими выходами к соответствующим входам системы. Выходы системы управления 14 связаны с соответствующими входами транзисторов 1, 2. В состав системы управления 14 входит задающий генератор 15, частота выходных импульсов которого и соответственно частота инвертора определяются параметрами резистора 16 и конденсатора 17, соединенных последовательно и подключенных к соответствующим зажимам генератора импульсов 15. Естественная внешняя характеристика (1), т.е. зависимость напряжения на нагрузке от тока нагрузки при максимальной скважности управляющих импульсов на входах транзисторов 1, 2 представлена на фиг.2. Эта характеристика при токе нагрузки Id больше, чем Iкр , где Iкр - ток, при котором конденсаторы 5, 6 (фиг.1) успевают полностью разряжаться за интервал между импульсами с выхода широтно-импульсного модулятора, имеет вид гиперболы [3]. Такая характеристика идеальна, например, если нагрузкой устройства является электрическая дуга при сварке в воздухе [3, 4]. Однако во многих электроустановках, например, при электросварке в среде углекислого газа (СО 2) или в аргоне требуется линейная и достаточно жесткая внешняя характеристика.

Рассмотрение семейства внешних характеристик 2, 3, 4 (фиг.2) при различных скважностях управляющих импульсов показывает, что для получения линейной жесткой характеристики в замкнутой по напряжению системе управления (в диапазоне 0 - Idном) необходимо либо иметь примерно трехкратный запас по напряжению, либо увеличить емкость конденсаторов 5, 6 (фиг.1) до такой величины, чтобы во всем рабочем диапазоне нагрузок от нуля до Idmax (см. фиг.2) «рабочая» точка А находилась на линейном участке внешней характеристики. В обоих случаях увеличиваются габариты и установленная мощность устройства, также увеличиваются коммутационные потери в транзисторах 1, 2 (фиг.1), так как минимальные потери в транзисторах соответствуют гиперболическому участку внешней характеристики, т.е. бестоковой коммутации (3, 4, фиг.2).

Из приведенного анализа вытекают следующие недостатки прототипа, препятствующие достижению указанного ниже технического результата: линеаризация внешних характеристик полумостового транзисторного инвертора с широтно-импульсным регулированием требует либо увеличения запаса по напряжению инвертора, либо увеличения емкости конденсаторов, причем в обоих случаях увеличивается установленная мощность устройства и коммутационные потери в транзисторах.

Технический результат - обеспечение линейных внешних характеристик полумостового транзисторного инвертора без увеличения его установленной мощности и коммутационных потерь в транзисторах.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, представляющем собой полумостовой транзисторный инвертор, содержащий в силовой части полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока нагруженный на первичную обмотку согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через диодный мост подключена к нагрузке постоянного тока активно-индуктивного характера, последовательно с которой включены сглаживающий дроссель и датчик тока, а параллельно которой включен датчик средневыпрямленного напряжения, а также содержащий типовую систему управления по методу широтно-импульсной модуляции, замкнутую по току и напряжению нагрузки сигналами с упомянутых датчиков тока и средневыпрямленного напряжения и имеющую на входе задающий генератор импульсов, частота которых определяется параметрами RC-цепочки из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенных свободными концами к соответствующим зажимам генератора импульсов, РЕЗИСТОР В УПОМЯНУТОЙ RC-ЦЕПОЧКЕ ЗАМЕНЕН двумя последовательно соединенными резисторами, параллельно одному из этих резисторов подключен выводами переменного тока диодный мост, диагональ постоянного тока которого шунтирована транзистором в проводящем ток направлении, управляющий вход транзистора через последовательно включенный логический ключ соединен с выходом элемента сравнения, на первый вход которого подключено эталонное напряжение, пропорциональное заданному напряжению нагрузки, а на второй вход подключено по принципу отрицательной обратной связи напряжение с выхода упомянутого датчика средневыпрямленного напряжения, пропорциональное фактическому напряжению на нагрузке, а управляющий вход упомянутого ключа связан с выходом компаратора, на первый вход которого подключен сигнал эталонного тока, пропорциональный критическому току перехода на нелинейную часть внешней характеристики полумостового транзисторного инвертора, а на второй вход с выхода упомянутого датчика тока подан по принципу отрицательной обратной связи сигнал, пропорциональный фактическому току нагрузки.

Это позволило обеспечить линейность и необходимую жесткость внешних характеристик полумостового транзисторного инвертора без увеличения запаса по напряжению, либо увеличения емкости конденсаторов, а также уменьшить коммутационные потери в транзисторах, т.е. достичь нужного технического результата.

Сущность изобретения поясняется фиг.3, на которой представлена схема полумостового транзисторного инвертора.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения, заключаются в следующем.

Схема устройства, представленная на фиг.3, идентична в силовой части схеме прототипа (фиг.1) и содержит полумост из транзисторов 1, 2, шунтированных двумя обратными диодами 3, 4, два конденсатора 5, 6, образующих в совокупности с транзисторами 1, 2 мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания Uп. В диагональ переменного тока включена первичная обмотка 7 согласующего трансформатора, а его вторичная обмотка 8 через диодный мост 9 подключена к нагрузке 10 постоянного тока активно-индуктивного характера. Последовательно с нагрузкой 10 включены сглаживающий дроссель 11 и датчик тока 12, а параллельно - датчик средневыпрямленного напряжения 13 на нагрузке. Система управления 14 связана своими выходами с управляющими входами транзисторов 1 и 2 и замкнута по току и напряжению нагрузки выходными сигналами соответственно с датчика тока 12 и датчика средневыпрямленного напряжения 13. К соответствующим зажимам генератора импульсов 15, являющегося составной частью системы управления 14, подключена RC-цепочка, состоящая из последовательно соединенных конденсатора 16 и двух резисторов 17 и 18. Параллельно резистору 18 подключен диагональю переменного тока диодный мост 19, а его диагональ постоянного тока шунтирована в проводящем ток направлении транзистором 20. К управляющему входу транзистора 20 через логический ключ 21 подключен выход элемента сравнения 22, на первый вход которого подключено эталонное напряжение U 1э, пропорциональное заданному выпрямленному напряжению нагрузки, а на второй вход подключено по принципу отрицательной обратной связи напряжение с выхода датчика средневыпрямленного напряжения 13, пропорциональное фактическому напряжению на нагрузке, управляющий вход логического ключа 21 связан с выходом компаратора 23, на первый вход которого подключен сигнал эталонного тока U2э, пропорциональный критическому току перехода на нелинейную часть внешней характеристики полумостового транзисторного инвертора, а на второй вход с выхода датчика тока 12 подан по принципу отрицательной обратной связи сигнал, пропорциональный фактическому току нагрузки.

Устройство функционирует следующим образом. Пусть включен источник питания Uп , установлены соответствующие значения эталонных напряжений U 1э и U2э, т.е. задан режим работы устройства, например, с максимальным напряжением на нагрузке и током нагрузки в пределах 0<Id<I max. Допустим также, что из-за наличия индуктивности в нагрузке 10 ток Id за межкоммутационный интервал не меняется, а согласующий трансформатор имеет «идеальную» прямоугольную петлю гистерезиса. Тогда напряжение U 7 на первичной обмотке 7 согласующего трансформатора будет иметь вид, представленный на фиг.4, диаграмме 1а, б, где t в - время паузы, необходимое для восстановления запирающих свойств при выключении транзисторов 1, 2 (фиг.3). В этом режиме при Id Iкр сигнал на выходе датчика тока 12 меньше или равен сигналу U2э, поэтому разрешающий сигнал на выходе компаратора 23 отсутствует и логический ключ 21 заперт. Соответственно, заперт транзистор 20, период Т1 (диаграмма 1 на фиг.4) постоянен и определяется постоянной времени цепочки RC:



т.е. генератор импульсов 15 работает с постоянной частотой, а регулирование тока и напряжения нагрузки осуществляется широтно-импульсным методом как и в прототипе (фиг.1). Напряжение на нагрузке



так как tв<<Т 1. При Id=Iкр напряжение еще равно приблизительно Uп /2 (фиг.4, диаграмма 1, б). Внешняя характеристика (без учета действия широтно-импульсного модулятора и при отсутствии запаса по напряжению) линейная и жесткая.

При I d>Iкр сигнал с датчика тока 12 становится больше U2э (фиг.3), ключ 21 отпирается и пропускает сигнал с выхода элемента сравнения 22. При Id>Iкр, в соответствии с диаграммой 2, а, б на фиг 4, конденсаторы 5, 6 (фиг.3) разряжаются за меньшее время (t3 <t2<1) и при уменьшении сигнала с датчика средневыпрямленного напряжения 13 на входе транзистора 20 появляется отпирающее напряжение. Поскольку транзистор 20 в совокупности с диодным мостом 19 шунтирует резистор 18, сопротивление RC-цепочки уменьшается, уменьшается постоянная времени =R·С, и частота генератора импульсов 15 возрастает. При этом tв=const, так как время запирания транзисторов задается постоянным. Внешняя характеристика (при отсутствии запаса по напряжению) несколько увеличивает свой наклон (диаграмма 3, кривая 1 на фиг.4), так как относительное значение tв/t2, t в/t3 возрастает, однако остается близкой к линейной и достаточно жесткой, поэтому (10-15)% запаса по напряжению источника питания Uп вполне достаточно для получения абсолютно жесткой внешней характеристики (пунктирная линия 2 на диаграмме 3), тогда как в прототипе требуется около 300% запаса.

Источники информации

1. Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1983 г.

2. «Invertec» - V - 130 - S - Lincoln, США, (каталог) 1998-2000 гг.

3. Однофазные источники питания инверторного типа с конденсаторами в силовой цепи. Электромеханика. Изв. вузов №6, 2003 г. с.21-24, г.Новочеркасск.

4. Вторичные источники питания. Пат.№2131640. Авторы Г.Г.Магазинник, В.П.Шингаров, Л.Т.Магазинник. Опубл. в БИ №16 10.06.99.

5. В.А.Прянишников. Электроника. Санкт-Петербург, 1998.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Полумостовой транзисторный инвертор, содержащий в силовой части полумост из двух транзисторов, шунтированных двумя обратными диодами, и двух конденсаторов, образующих в совокупности с транзисторами мост, подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока нагруженный на первичную обмотку согласующего трансформатора, вторичная обмотка которого через диодный мост подключена к нагрузке постоянного тока активно-индуктивного характера, последовательно с которой включены сглаживающий дроссель и датчик тока, а параллельно которой включен датчик средневыпрямленного напряжения на нагрузке, а также содержащий типовую систему управления по методу широтно-импульсной модуляции, замкнутую по току и напряжению нагрузки сигналами с упомянутых датчиков тока и средневыпрямленного напряжения и имеющую на входе задающий генератор импульсов, частота которого определяется параметрами RC-цепочки из последовательно соединенных резистора и конденсатора, подключенных свободными концами к соответствующим зажимам генератора импульсов, отличающийся тем, что резистор в упомянутой RC-цепочке заменен двумя последовательно соединенными резисторами, параллельно одному из этих резисторов подключен выводами переменного тока диодный мост, диагональ постоянного тока которого шунтирована транзистором в проводящем ток направлении, управляющий вход транзистора через последовательно включенный логический ключ соединен с выходом элемента сравнения, на первый вход которого подключено эталонное напряжение, пропорциональное заданному напряжению нагрузки, а на второй вход подключено по принципу отрицательной обратной связи напряжение с выхода упомянутого датчика средневыпрямленного напряжения, пропорциональное фактическому напряжению на нагрузке, а управляющий вход упомянутого ключа связан с выходом компаратора, на первый вход которого подключен сигнал эталонного тока, пропорциональный критическому току перехода на нелинейную часть внешней характеристики полумостового транзисторного инвертора, а на второй вход с выхода упомянутого датчика тока подан по принципу отрицательной обратной связи сигнал, пропорциональный фактическому току нагрузки.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКЕ:
Гелиоэнергетика - Солнечные электростанции, Солнечные батареи. Солнечные коллекторы;
Ветроэнергетика - Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели;
Волновые электростанции. Гидроэлектростанции;
Термоэлектрические источники тока;
Химические источники тока;
Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ;
Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии;
Генераторы постоянного электрического тока. Электрические машины.



Устройства и способы получения, преобразования, передачи, экономии и сохранения электрической энергии




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+электрический -генератор".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "генератор" будут найдены слова "генераторы", "ренераторов" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("генератор!").


Солнечные электростанции. Гелиоэнергетика | Ветроэнергетические установки. Ветродвигатели. Ветрогенераторы | Волновые, геотермальные и гидроэлектростанции | Термоэлектрические источники тока | Химические источники тока. Накопители электроэнергии. Батареи и аккумуляторы | Нетрадиционные устройства и способы получения, преобразования и передачи электрической энергии | Устройства и способы экономии и сохранения электроэнергии | Генераторы постоянного и переменного электрического тока. Электрические машины


Рейтинг@Mail.ru