мостовой инвертор

Формула изобретения

Мостовой инвертор, содержащий однофазный транзисторный мост, шунтированный обратным диодным мостом и подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор к нагрузке, а также систему управления в виде типового двухтактного широтно-импульсного модулятора в составе двухтактного автогенератора, связанного выходом со входом двухтактного генератора пилообразного напряжения, которое через два разделительных диода плюсом подключено к первому входу первого компаратора, а минусом к первому входу второго компаратора, причем второй вход первого компаратора связан с сигналом управления непосредственно, второй вход второго компаратора связан с сигналом управления через логический инвертор, а выходы обоих компараторов объединены каждый с управляющими входами соответствующей диагональной пары транзисторов однофазного транзисторного моста, отличающийся тем, что параллельно первичной обмотке силового согласующего трансформатора включена R-C цепь из последовательно соединенных резистора и конденсатора, к зажимам упомянутого конденсатора через блок гальванической развязки подключен входом интегратор напряжения, выход которого по принципу отрицательной обратной связи по постоянной составляющей выходного напряжения инвертора соединен с третьим входом одного из двух компараторов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники, а именно к однофазным автономным мостовым транзисторным инверторам.

Однофазные инверторы широко применяются в различных вторичных источниках питания. Например, в аудио- и видеоаппаратуре, в электросварочных аппаратах дуговой электросварки и т.п.

Широко известны, например, сварочные аппараты инверторного типа, содержащие источники питания (сетевой выпрямитель), собственно инвертор, силовой согласующий трансформатор, подключенный первичной обмоткой к инвертору, а вторичной, через диодный выпрямитель, к нагрузке (см. Transpoket - Австрия, Каталог 1995-96 г., "ДС-200 Al-Технотрон" - Россия, "Invertec V-130-S-Lincoln" - США и др.).

Инверторы в перечисленных установках выполняются по однотактной схеме, что приводит к плохому использованию силового согласующего трансформатора и сглаживающего дросселя, необходимости выполнения трансформатора с воздушным зазором в сердечнике и, как следствие, увеличению тока намагничивания и потерь. Указанные недостатки в значительной мере компенсируются повышением частоты преобразования (упомянутые выше фирмы доводят частоту до 100 кГц), однако при этом растут потери в полупроводниковой части инвертора (силовые транзисторы, диоды, снабберы) и повышаются требования к частотным характеристикам полупроводниковой базы. Повышается, соответственно, и стоимость устройства.

Двухтактная схема инвертора, например полумостовая (Half-Bridqe), приведенная в книге В.А.Прянишникова "Электроника". СПб, 1998, с.374, рис.33.10 лишена перечисленных выше недостатков однотактных схем, но имеет плохое использование коммутирующих конденсаторов, а главное, включение конденсаторов в силовую цепь инвертора обуславливает нелинейность внешних характеристик устройства. В той же книге на рис.33.11 с.375 приведена двухтактная мостовая схема (Full-Bridqe) инвертора, где использование коммутирующего конденсатора в 4 раза выше, чем в полумостовой схеме, однако последовательное включение конденсатора с первичной обмоткой силового согласующего трансформатора приводит к резонансу напряжений, что делает данную схему практически неработоспособной.

Наилучшими характеристиками обладает "классическая" двухтактная мостовая схема инвертора с обратным диодным мостом (Источники вторичного электропитания. Под ред. Ю.И.Конева. М.: Радио и связь, 1983).

Однако применение упомянутой схемы для трансформаторной нагрузки имеет изложенные выше недостатки. Управление инвертором в этой схеме осуществляется обычно от широтно-импульсного модулятора, типовые схемы которого в одно- и двухтактных вариантах имеются в приведенных выше книгах (В.А.Прянишников "Электроника". СПб, 1998, с.261, рис.24.12 и "Источники вторичного питания". Под ред. Ю.И.Конева, 1983).

Мостовой инвертор с обратным диодным мостом и управлением от широтно-импульсного модулятора является наиболее близким устройством того же назначения к заявленному изобретению по совокупности признаков и принимается за прототип.

К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании как прототипа, так и других известных двухтактных схем инверторов без конденсаторов в силовой цепи, относится то, что в любой двухтактной схеме инвертора без конденсаторов в силовой цепи неизбежна асимметрия в кривой выходного напряжения из-за технического разброса параметров отдельных элементов инвертора и, как следствие, появление постоянной составляющей в выходном напряжении. Последнее, в свою очередь, заставляет выполнять силовой согласующий трансформатор с воздушным зазором. Увеличиваются, соответственно, габариты и намагничивающий ток трансформатора и практически сводятся к нулю преимущества двухтактной схемы перед однотактной.

Упрощенная схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит в силовой части мостовой инвертор в виде однофазного транзисторного моста 1, 2, 3, 4, шунтированного обратным диодным мостом 5, 6, 7, 8 и подключенного диагональю постоянного тока к источнику питания 9, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор 10 к нагрузке 11. Система управления представляет собой типовой двухтактный широтно-импульсный модулятор (ШИМ), содержащий двухтактный автогенератор 12, связанный выходом с входом двухтактного генератора пилообразного напряжения 13, которое через разделительные диоды 14 и 15 подключено к соответствующим входам компараторов 16 и 17.

Сигнал управления U_у подан на второй вход компаратора 16 и, через логический инвертор 18, на второй вход компаратора 17. Выходы компараторов 16 и 17 соединены с соответствующими управляющими входами диагональных пар транзисторов 2, 4 и 1, 3 соответственно. Для простоты элементы гальванической развязки и промежуточного усиления на фиг.1 не показаны.

Технический результат - уменьшение габаритов силового согласующего трансформатора и снижение потерь за счет исключения постоянной составляющей в выходном напряжении мостового инвертора.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, представляющем мостовой инвертор, содержащий однофазный транзисторный мост, шунтированный обратным диодным мостом и подключенный диагональю постоянного тока к источнику питания, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор к нагрузке и содержащем систему управления в виде типового двухтактного широтно-импульсного модулятора в составе двухтактного автогенератора, связанного выходом с входом двухтактного генератора пилообразного напряжения, которое через два разделительных диода плюсом подключено к первому входу первого компаратора, а минусом - к первому входу второго компаратора, причем второй вход первого компаратора связан с сигналом управления непосредственно, второй вход второго компаратора соединен с сигналом управления через логический инвертор, а выходы обоих компараторов объединены каждый с управляющими входами соответствующей диагональной пары транзисторов однофазного транзисторного моста, параллельно первичной обмотке силового согласующего трансформатора включена R-C цепь из последовательно соединенных резистора и конденсатора, к зажимам упомянутого конденсатора через блок гальванической развязки подключен входом интегратор напряжения, выход которого по принципу отрицательной обратной связи по постоянной составляющей выходного напряжения инвертора соединен с третьим входом одного из двух упомянутых компараторов.

Это позволило исключить постоянную составляющую в выходном напряжении инвертора и, таким образом, решить поставленную задачу.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, позволил установить, что заявитель не обнаружил аналог, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволил выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков в заявленном устройстве, изложенных в формуле изобретения.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. Результаты поиска показали, что заявленное изобретение не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение технического результата, в частности заявленным изобретением не предусматриваются следующие преобразования:

- дополнение известного средства какой-либо известной частью (частями), присоединяемой (присоединяемыми) к нему по известным правилам для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно таких дополнений;

- замена какой-либо части (частей) известного средства другой известной частью для достижения технического результата, в отношении которого установлено влияние именно такой замены;

- исключение какой-либо части (элемента) средства с одновременным исключением обусловленной ее наличием функции и достижением при этом обычного для такого исключения результата (упрощение, уменьшение массы, габаритов, материалоемкости, повышение надежности и прочее);

- увеличение количества однотипных элементов для усиления технического результата, обусловленного наличием в средстве именно таких элементов;

- выполнение известного средства или его части (частей) из известного материала для достижения технического результата, обусловленного известными свойствами этого материала;

- создание средства, состоящего из известных частей, выбор которых и связь между которыми осуществлены на основании известных правил, рекомендаций и достигаемый при этом технический результат обусловлен только известными свойствами частей этого средства и связей между ними.

Описываемое изобретение не основано на изменении количественного признака (признаков), представлении таких признаков во взаимосвязи либо изменении ее вида. Имеется в виду случай, когда известен факт влияния каждого из указанных признаков на технический результат, и новые значения этих признаков или их взаимосвязь могли быть получены, исходя из известных зависимостей, закономерностей.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".

Сущность изобретения поясняется фиг.2, на которой представлена схема мостового инвертора, и диаграммами напряжений (фиг.3).

Схема содержит в силовой части мостовой инвертор в виде однофазного транзисторного моста 1, 2, 3, 4, шунтированного обратным диодным мостом 5, 6, 7, 8, который подключен диагональю постоянного тока к источнику питания 9, а диагональю переменного тока через силовой согласующий трансформатор 10 к нагрузке 11. Система управления представляет собой типовой двухтактный широтно-импульсный модулятор (ШИМ), содержащий двухтактный автогенератор 12, выход которого связан со входом двухтактного генератора пилообразного напряжения 13. Через разделительные диоды 14 и 15 это напряжение поступает на первые входы компараторов 16 и 17: плюс напряжения "пилы" поступает на первый вход компаратора 16, а минус - на первый вход компаратора 17.

Сигнал управления U_у поступает (непосредственно) на второй вход компаратора 16 и, через логический инвертор 18, на второй вход компаратора 17. Выходы компараторов 16 и 17 соединены с соответствующими управляющими входами диагональных пар транзисторов 2, 4 и 1, 3. Для простоты элементы гальванической развязки и промежуточного усиления между выходами компараторов и управляющими входами транзисторов 1, 2, 3, 4 на фиг.2 не показаны. Таким образом, в описанной части схема фиг.2 в точности повторяет схему прототипа. Дополнительно введены следующие элементы: параллельно первичной обмотке трансформатора 10 включена R-C цепь из последовательно соединенных конденсатора 19 и резистора 20. К конденсатору через блок гальванической развязки 21 подключен входом интегратор 22, выход которого присоединен к третьему входу компаратора 17.

Работа устройства осуществляется следующим образом. При включении в питающую сеть двухтактный автогенератор 12 (фиг.2) вырабатывает переменное напряжение U₁ прямоугольной формы (см. первую диаграмму на фиг.3). Это напряжение преобразуется генератором пилообразного напряжения 13 в пилообразную форму (U₂ на фиг.3). Положительная "полуволна" U₂ через разделительный диод 14 проходит на первый вход компаратора 16, где она сравнивается с напряжением управления U_у на втором входе. Отрицательная "полуволна" напряжения U₂ через разделительный диод 15 проходит на первый вход компаратора 17, а на второй вход этого компаратора через логический инвертор 18, меняющий полярность, поступает напряжение U_у. При идеальной симметрии напряжения в диагонали переменного тока инвертора 1, 2, 3, 4 постоянная составляющая напряжения на конденсаторе 19 равна нулю (см. ₄ на фиг.3), соответственно, равна нулю постоянная составляющая на выходе блока 21 гальванической развязки (т. е. блока "модулятор-демодулятор"), подключенного к конденсатору 19, и равен нулю сигнал на выходе интегратора 22, связанного с третьим входом компаратора 17. В реальной ситуации небольшая асимметрия в диагонали переменного тока моста 1, 2, 3, 4 неизбежна, поэтому на обкладках конденсатора 19, кроме основной переменной составляющей, амплитуда которой ограничена резистором 20, появляется постоянная составляющая, которая за время, обусловленное параметрами R-C цепи, т.е. резистора 20 и конденсатора 19, достигает некоторого значения U_m (см. U₄ ¹ на фиг.3). Это напряжение через интегратор 22 проходит на третий вход компаратора 17 и складывается с сигналом U_у или вычитается из него, в зависимости от полярности постоянной составляющей на конденсаторе 19.

Допустим, что "плюс" на левой обкладке конденсатора 19. Это означает, что транзисторы 1, 3 включаются на более продолжительное время, чем другая диагональная пара, т. е. чем транзисторы 2, 4. В этом случае напряжение на выходе интегратора 22 имеет обратную полярность по отношению к сигналу - U_у на выходе логического инвертора 18, т.е. сумма этих двух сигналов уменьшается, соответственно, уменьшается продолжительность включения диагональной пары 1, 3 (см. диаграмму U₅ на фиг.3) - на величину t. Если у постоянной составляющей "плюс" будет на правой обкладке конденсатора 19, изменится полярность и на выходе интегратора 22 и его сигнал будет складываться с сигналом управления - U_у логического инвертора 18, увеличивая время включенного состояния транзисторов 1, 3. Поскольку в канал управления включен интегратор, установившаяся ошибка системы равна нулю, т.е. система регулирования астатическая и обеспечивает в установившемся режиме полную симметрию и отсутствие постоянной составляющей напряжения на первичной обмотке силового согласующего трансформатора 10. Заметим, что U₄ и U₄ ¹ показаны приближенно, без учета обратного напряжения в межимпульсную паузу.

Следует также отметить, что все дополнительные элементы, включая конденсатор 19 и резистор 20, введенные в устройство, являются слаботочными. Таким образом, желаемый результат достигнут с помощью малогабаритных недорогих элементов. В то же время предложенное устройство позволяет реализовать в полной мере преимущества мостовой схемы: уменьшение в 2-4 раза габаритов силового согласующего трансформатора, уменьшение примерно вдвое габаритов сглаживающего дросселя (если нагрузка на постоянном токе), уменьшение намагничивающего тока и, соответственно, потерь.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного устройства следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в промышленности, а именно в области электротехники;

- для заявленного устройства в том виде, как оно охарактеризовано в независимом пункте изложенной формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов;

- средство, воплощающее заявленное изобретение при его осуществлении, способно обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "промышленная применимость".