ИНВЕРТОР ТОКА

ИНВЕРТОР ТОКА


RU (11) 2285325 (13) C2

(51) МПК
H02M 7/5387 (2006.01) 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 20.11.2007 - может прекратить свое действие 

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

Документ: В формате PDF 
(21) Заявка: 2003112557/09 
(22) Дата подачи заявки: 2003.04.28 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2003.04.28 
(43) Дата публикации заявки: 2004.11.10 
(45) Опубликовано: 2006.10.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 1309223 A1, 07.05.1987. RU 2165125 C1, 10.04.2001. GB 2237943 A1, 15.05.1991. 
(72) Автор(ы): Силкин Евгений Михайлович (RU) 
(73) Патентообладатель(и): Акционерное общество открытого типа ЭЛСИ (RU) 
Адрес для переписки: 432027, г.Ульяновск, ул. У. Громовой, 4, кв.84, Е.М. Силкину 

(54) ИНВЕРТОР ТОКА

Изобретение (ИЗ) относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для индукционного нагревателя. ИЗ обеспечивает технический результат - повышение надежности работы инвертора тока (ИТ). ИЗ содержит подключенный к входным выводам (ВЫ) ИТ через дроссели (ДР) фильтра, однофазный мост (ОМ) на транзисторах (ТР) с последовательными диодами (ДИ). Выходные ВЫ ИТ зашунтированы конденсатором (КН). Выходные ВЫ ИТ подключены к выходным ВЫ ОМ через коммутирующие ДР. ТР зашунтированы встречными ДИ и варисторами. Последовательные ДИ зашунтированы последовательными цепями (ПЦ), содержащими КН и резистор (РЕ). ОМ зашунтирован ПЦ, содержащей второй КН, ДИ и третий КН, второй ПЦ, содержащей второй ДИ, третий КН и третий ДИ, встречно. Общая точка (ОТ) соединения второго КН и ДИ соединена с катодом четвертого ДИ. ОТ соединения второго ДИ и третьего КН соединена с катодом пятого ДИ. Аноды четвертого и пятого ДИ соединены и подключены к эмиттерной группе ОМ через третью ПЦ, содержащую ДР и РЕ. ОТ соединения ДИ и второго КН соединена с анодом шестого ДИ. ОТ соединения третьего КН и третьего ДИ соединена с анодом седьмого ДИ. Катоды шестого и седьмого ДИ соединены и подключены к коллекторной группе ОМ через четвертую ПЦ, содержащую второй ДР и второй РЕ. 1 ил. 




ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для индукционного нагревателя.

Известен инвертор тока, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссель фильтра однофазный мост на транзисторах, выходные выводы инвертора тока зашунтированы конденсатором (Глазенко Т.Д., Сеньков В. И. Схемотехнические и конструктивные методы обеспечения электромагнитной совместимости транзисторных преобразователей постоянного напряжениях/Электричество. - 1989. - №2. - С.37-43).

Недостатком инвертора тока является низкая надежность работы из-за высоких значений коммутационных потерь в транзисторах, высоких перенапряжений на элементах схемы инвертора тока при обрыве цепи нагрузки.

Известен инвертор тока, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссель фильтра однофазный мост на транзисторах, выходные выводы инвертора тока зашунтированы конденсатором (П. 2155433 Россия, МКИ Н 02 М 5/451. Преобразователь частоты / Силкин Е.М. - Заявл. 13. 04.99, Опубл. 27.08.00. - Бюл. № 24).

Недостатком инвертора тока является низкая надежность работы из-за высоких значений коммутационных потерь в транзисторах, высоких перенапряжений на элементах схемы инвертора тока при обрыве цепи нагрузки.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является инвертор тока (Ruzsamyi Т., Baesanyi С. Transistor-wechelrichter fur Induktiwe Erwarmung//Period. polytechn. Mech. engineering. - 1986. - №1. - S.99-122), который и рассматривается в качестве прототипа.

Прототип содержит подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами, выходные выводы инвертора тока зашунтированы конденсатором.

Недостатком прототипа является низкая надежность работы из-за высоких значений коммутационных потерь в транзисторах и диодах, перенапряжений на элементах схемы инвертора тока при обрыве цепи нагрузки.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы инвертора тока, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в инверторе тока, содержащем подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами, выходные выводы инвертора тока зашунтированы конденсатором, выходные выводы инвертора тока подключены к выходным выводам однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через коммутирующие дроссели, транзисторы зашунтированы встречными диодами и варисторами, последовательные диоды зашунтированы последовательными цепями, содержащими конденсатор и резистор, однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами зашунтирован последовательной цепью, содержащей второй конденсатор, диод и третий конденсатор, второй последовательной цепью, содержащей второй диод, третий конденсатор и третий диод, встречно, общая точка соединения второго конденсатора и диода соединена с катодом четвертого диода, общая точка соединения второго диода и третьего конденсатора соединена с катодом пятого диода, аноды четвертого и пятого диодов соединены и подключены к эмиттерной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через третью последовательную цепь, содержащую дроссель и резистор, общая точка соединения диода и второго конденсатора соединена с анодом шестого диода, общая точка соединения третьего конденсатора и третьего диода соединена с анодом седьмого диода, катоды шестого и седьмого диодов соединены и подключены к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через четвертую последовательную цепь. содержащую второй дроссель и второй резистор.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы инвертора тока на индукционный нагреватель за счет снижения коммутационных потерь в транзисторах и диодах, коммутационных перенапряжений, ограничения пере напряжений на элементах при обрыве цепи нагрузки.

Повышение надежности работы инвертора тока на индукционный нагреватель является полученным техническим результатом, обусловленным введением новых элементов и связей, т.е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого инвертора тока являются существенными.

На чертеже приведена схема инвертора тока.

Инвертор тока содержит подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра 1, 2 однофазный мост на четырех транзисторах 3-6 с последовательными диодами 7-10, выходные выводы 11 инвертора тока зашунтированы конденсатором 12, выходные выводы инвертора тока подключены к выходным выводам однофазного моста через коммутирующие дроссели 13, 14, транзисторы зашунтированы встречными диодами 15-18 и варисторами 19-22, последовательные диоды зашунтированы последовательными цепями, содержащими конденсатор 23-26 и резистор 27-30, однофазный мост зашунтирован последовательной цепью, содержащей второй конденсатор 31, диод 32 и конденсатор 33, второй последовательной цепью, содержащей второй диод 34, третий конденсатор 35 и третий диод 36, встречно, общая точка соединения второго конденсатора и диода первой последовательной цепи соединена с катодом четвертого диода 37, общая точка соединения второго диода и третьего конденсатора соединена с катодом пятого диода 38, аноды четвертого и пятого диодов соединены и подключены к эмиттерной группе однофазного моста через третью последовательную цепь, содержащую дроссель 39 и резистор 40, общая точка соединения диода и второго конденсатора соединена с анодом шестого диода 41, общая точка соединения третьего конденсатора и третьего диода соединена с анодом седьмого диода 42, катоды шестого и седьмого диодов соединены и подключены к коллекторной группе однофазною моста через четвертую последовательную цепь, содержащую второй дроссель 43 и второй резистор 44.

Инвертор тока работает следующим образом. Транзисторы диагоналей моста инвертора 3, 6 и 4, 5 включаются поочередно с частотой, определяемой собственной частотой параллельного колебательного контура, образованного индукционным нагревателем 11 и конденсатором 12. Причем включение очередной пары транзисторов 3, 6 или 4, 5 происходит с опережением момента перехода напряжения на конденсаторе 12 контура через нулевое значение. Указанный контур обладает высокой добротностью, в результате чего напряжение на индукционном нагревателе 11 и конденсаторе 12 имеет близкую к синусоидальной форму. Индуктивность дросселей фильтра 1, 2 имеет большую величину. Поэтому входной ток инвертора тока сглажен, а ток, протекающий через транзисторы 3-6 и последовательные диоды 7-10, имеет форму, близкую к прямоугольной. В момент включения транзисторов 4, 5 напряжение на конденсаторе 12 условно отрицательное ("+" слева на чертеже). Уровень напряжения на конденсаторе 12 равен:

u=(v E/cosb) sinb:

u<E,

где v - постоянный схемный коэффициент, Е - постоянное напряжение на входе инвертора тока, b - угол опережения (угол между моментом включения очередной пары транзисторов и моментом перехода напряжения на конденсаторе 12 через нулевое значение).

При включении транзисторов 4, 5 конденсатор 12 начинает разряжаться по цепям: 12-13-7-3-5-9-14-12 и 12-13-8-4-6-10-14-12. Дроссели 13, 14 ограничивают скорость разряда конденсатора 12 и скорость спада (нарастания) тока через транзисторы 3-6 и последовательные диоды 7-10. Ток транзисторов 3, 6 и последовательных диодов 7, 10 спадает от максимального значения до нулевого, а ток транзисторов 4, 5 и последовательных диодов 8, 9 нарастает от нулевого значения до максимального. При обрыве обратного тока последовательных диодов 7, 10 ток разряда конденсатора 12 замыкается через конденсаторы и резисторы RC-цепей 23, 26 и 27, 30 по цепям: 12-13-27-23-15-5-9-14-12 и 12-13-8-4-18-26-30-14-12. Энергия, накопленная в электромагнитном поле дросселей 13, 14 (а также соединительных шин), частично переходит в конденсаторы 23, 26 и, частично, рассеивается в резисторах 27, 30 и индукционном нагревателе 11. Коммутационные потери в транзисторах 3-6 и последовательных диодах 7-10, а также уровни коммутационных перенапряжений на элементах схемы инвертора тока ограничиваются. Далее при работе транзисторов 4, 5 после окончания коммутационного интервала в интервале времени, когда напряжение на конденсаторе 12 остается условно отрицательным, конденсаторы 23, 26 разряжаются на индукционный нагреватель 11, причем энергия, накопленная в конденсаторах 23, 26, возвращается (рекуперируется) в индукционный нагреватель 11 до полного их разряда. Конденсаторы 23, 26 при изменении полярности напряжения на конденсаторе 12 на следующем интервале работы остаются в разряженном состоянии. При этом разряда конденсаторов 23, 26 RC-цепей через полупроводниковые приборы, минуя нагрузку, не происходит, что существенно снижает потери в полупроводниковых приборах и самих RC-цепях. При возрастании напряжения на конденсаторах 23, 26 выше напряжения питания на входе инвертора тока включаются диоды 34, 36 и энергия перенапряжения направляется на заряд конденсатора 35. В исходном состоянии конденсатор 35 заряжен до напряжения, близкого к напряжению на входе инвертора тока. После расходования энергии перенапряжения диоды 34, 36 выключаются. Энергия, переданная в конденсатор 35, далее возвращается (рекуперируется.) в индукционный нагреватель 11 через последовательные цепи, включающие элементы 42, 43, 44 и 40, 39, 38 по цепи: 35-42-43-44-5-9-14-(11,12)-13-8-4-40-39-38-35, где потребляется. Частично энергия конденсатора 35 рассеивается в резисторах 40, 44. Варисторы 19-22 обеспечивают дополнительную защиту транзисторов 3-6 от перенапряжений положительной полярности. Электромагнитные процессы в инверторе тока при включении транзисторов 3, 6 протекают аналогично описанным. Очередное включение транзисторов 4, 5 заканчивает период. В индукционном нагревателе 11 при этом формируется полная волна выходного переменного напряжения.

При обрыве цепи индукционного нагревателя 11 (или отключении инвертора тока, а также при периодических перенапряжениях в переходных режимах и при пуске инвертора тока) возрастает напряжение на входе однофазного моста на транзисторах 3-6 с последовательными диодами 7-10. Если напряжение на входе инвертора тока превысит уровень напряжения, равный сумме напряжений на конденсаторах 31, 33, включается диод 32. Входной ток инвертора тока замыкается по цепи: "+"-1-31-32-33-"-""+". В результате напряжение на входе однофазного моста на транзисторах 3-6 с последовательными диодами 7-10 ограничивается на уровне суммы напряжений на конденсаторах 31, 33. Заряд конденсаторов 31, 33 приводит к уменьшению входного тока инвертора тока. Энергия, накопленная в электромагнитном поле дросселей фильтра 1, 2 на предыдущих интервалах работы, переходит в конденсаторы 31, 33. Диод 32 выключается. Далее конденсаторы 31, 33 разряжаются на нагрузку через резисторы 40, 44 и дроссели 39, 43 по цепям, включающим диоды 37, 41: 31-3(5)-7(9)-13-(11,12)-14-10(8)-6(4)-40-39-37-31; 33-41-43-44-3(5)-7(9)-13-(11,12)-14-10(8)-6(4)-33.

По сравнению с прототипом существенно повышается надежность работы инвертора тока за счет снижения коммутационных потерь и перенапряжений. Это обеспечивается рациональным набором и взаимным резервированием защитных цепей. Недопустимые импульсные перенапряжения на транзисторах и диодах отсутствуют. Причем ограничиваются перенапряжения прямой и обратной полярности. В том числе, при обрыве цепи нагрузки уровни перенапряжений на элементах инвертора тока ограничиваются на уровне удвоенного напряжения питания. Коммутирующие дроссели ограничивают скорости нарастания и спада тока транзисторов и диодов при коммутациях, что также снижает уровни коммутационных перенапряжений. Симметричное ограничение перенапряжений позволяет упростить пуск инвертора тока, что повышает надежность его работы.

По сравнению с прототипом увеличивается коэффициент полезного действия инвертора тока за счет уменьшения потерь в элементах схемы, в том числе демпфирующих цепях.

По сравнению с прототипом уменьшается стоимость элементов инвертора за счет возможности использования элементов (транзисторов, диодов и др.) на меньшие допустимые токи.




ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


Инвертор тока, содержащий подключенный к входным выводам инвертора тока через дроссели фильтра однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами, выходные выводы инвертора тока зашунтированы конденсатором, отличающийся тем, что выходные выводы инвертора тока подключены к выходным выводам однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через коммутирующие дроссели, транзисторы зашунтированы встречными диодами и варисторами, последовательные диоды зашунтированы последовательными цепями, содержащими конденсатор и резистор, однофазный мост на транзисторах с последовательными диодами зашунтирован последовательной цепью, содержащей второй конденсатор, диод и конденсатор, а также зашунтирован встречно второй последовательной цепью, содержащей второй диод, третий конденсатор и третий диод, общая точка соединения второго конденсатора и диода соединена с катодом четвертого диода, общая точка соединения второго диода и третьего конденсатора соединена с катодом пятого диода, аноды четвертого и пятого диодов соединены и подключены к эмиттерной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через третью последовательную цепь, содержащую дроссель и резистор, общая точка соединения диода и конденсатора последовательной цепи соединена с анодом шестого диода, общая точка соединения третьего конденсатора и третьего диода соединена с анодом седьмого диода, катоды шестого и седьмого диодов соединены и подключены к коллекторной группе однофазного моста на транзисторах с последовательными диодами через четвертую последовательную цепь, содержащую второй дроссель и второй резистор.