способ снижения потерь в инверторе напряжения

Формула изобретения

Способ снижения потерь в инверторе напряжения, работающего в режиме индуктивной расстройки на последовательно соединенные энергопотребляющий параллельный колебательный контур и согласующий последовательный колебательный контур, отличающийся тем, что коммутацию ключей инвертора напряжения осуществляют при нулевом напряжении путем подсоединения параллельно каждому ключу конденсатора, подбора элементов согласующего последовательного колебательного контура и применения специального алгоритма управления ключами инвертора: выключение упомянутых ключей производят через определенный промежуток времени после прохождения через ноль интеграла от напряжения на энергопотребляющем параллельном колебательном контуре, причем упомянутый промежуток времени задают исходя из условия поддержания заданного значения сдвига по фазе между интегралом от тока согласующего последовательного колебательного контура и напряжением на энергопотребляющем параллельном колебательном контуре, включение ключей инвертора производят при достижении на них нулевого напряжения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях электроэнергии, в которых потребителем энергии является параллельный колебательный контур, например в транзисторных генераторах индукционного нагрева.

Питание энергопотребляющего параллельного колебательного контура с помощью инвертора напряжения является достаточно сложной задачей: обычно требуется согласование выхода инвертора напряжения и упомянутого контура. Для этого применяют дополнительные реактивные элементы, нагрузка становится многоконтурной, что приводит к появлению дополнительных резонансных частот, работа на которых не допустима. Одновременно необходимо решать задачу формирования требуемой рабочей траектории ключей инвертора напряжения с точки зрения минимизации динамических потерь и оптимизации формы тока указанных ключей с точки зрения минимизации статических потерь.

При работе инвертора напряжения в режиме емкостной расстройки динамические потери в ключах будут определяться потерями при включении последних. Надежных простых схем минимизации указанных потерь не существует. Поэтому рассматриваемый в настоящем патенте инвертор напряжения работает при индуктивной расстройке.

Известен способ питания энергопотребляющего параллельного колебательного контура в установках индукционного нагрева [1], выбранный в качестве аналога, основанный на сочетании непосредственного подсоединения индуктора к выходу инвертора напряжения с шунтированием ключей инвертора напряжения конденсаторами, выполняющими роль конденсаторов упомянутого контура. Это дает фактически нулевые динамические потери, что является преимуществом данного способа.

Недостатком является большой коэффициент амплитуды тока ключей инвертора напряжения, что является источником завышенных статических потерь.

Наиболее близким аналогом, выбранным в качестве прототипа [2], (фиг.2), является способ снижения потерь в инверторе напряжения, заключающийся в использовании согласующего последовательного колебательного контура, подсоединенного между выходом инвертора напряжения и энергопотребляющим параллельным колебательным контуром, выборе более экономного с точки зрения потерь на включение или выключение ключей инвертора напряжения режима работы: индуктивной или емкостной расстройки и применении более быстрых и точных цепей управления.

Преимуществом указанного способа является снижение статических и части динамических потерь в ключах инвертора напряжения.

Недостатком является неполное снижение динамических потерь в ключах инвертора напряжения: остается «жесткая» коммутация ключей один раз за период - при включении или при выключении ключей в зависимости от типа расстройки.

Техническим результатом изобретения является снижение потерь в ключах инвертора напряжения, работающего в режиме индуктивной расстройки на последовательно соединенные энергопотребляющий параллельный колебательный контур и согласующий последовательный колебательный контур.

Технический результат по предлагаемому способу достигается тем, что коммутацию ключей инвертора напряжения осуществляют при нулевом напряжении путем подсоединения параллельно каждому ключу конденсатора, подбора элементов согласующего последовательного колебательного контура и применения специального алгоритма управления ключами инвертора: выключение упомянутых ключей производят через определенный промежуток времени после прохождения через ноль интеграла от напряжения на энергопотребляющем параллельном колебательном контуре, причем упомянутый промежуток времени задают исходя из условия поддержания заданного значения сдвига по фазе между интегралом от тока согласующего последовательного колебательного контура и напряжением на энергопотребляющем параллельном колебательном контуре, включение ключей инвертора производят при достижении на них нулевого напряжения.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена структурная силовая схема устройства на основе полномостового инвертора напряжения для реализации предлагаемого способа.

Схема устройства-прототипа [2] отличается от приведенной на фиг.1 отсутствием конденсаторов, подсоединенных параллельно ключам инвертора напряжения.

На фиг.2 представлены результаты численных расчетов работы устройства, представленного на фиг.1.

Устройство для реализации способа содержит инвертор напряжения 1, который питается от источника постоянного напряжения 2, ключи 3-6 инвертора напряжения 1 зашунтированы обратными диодами 7-10 и конденсаторами 11-14, к выходу инвертора напряжения 1 подключены последовательно соединенные энергопотребляющий параллельный колебательный контур 15 и согласующий последовательный колебательный контур 16, причем контур 15 состоит из параллельно соединенных между собой индуктивного элемента 17, например, индуктора, и конденсатора 18, а контур 16 состоит из последовательно соединенных дросселя 19 и конденсатора 20.

Система управления согласно предложенному алгоритму определяет момент времени t _выкл выключения включенных ключей 3, 6 (4, 5) инвертора напряжения 1. После указанного момента времени напряжение на ключах 3, 6 (4, 5) нарастает плавно за счет перехода тока дросселя 19 из ключей 3, 6 (4, 5) в конденсаторы 11-14, причем спад тока в ключах 3, 6 (4, 5) успевает произойти еще при незначительном напряжении на них, что позволяет снизить динамические потери при выключении упомянутых ключей 3, 6 (4, 5), то есть реализовать так называемое «выключение при нулевом напряжении».

К моменту t_вкл заканчивается полная перезарядка конденсаторов 11-14, то есть напряжение на подлежащих включению ключах 4, 5 (3, 6) инвертора напряжения 1 становится близким к нулю. Поэтому включение ключей 4, 5 (3, 6) сразу после момента t _вкл сопровождается нулевыми динамическими потерями, что позволяет реализовать так называемое «включение при нулевом напряжении». Указанный процесс может произойти лишь в том случае, если указанная перезарядка конденсаторов 11-14 закончится раньше, чем достигнет нуля ток дросселя 19 в момент времени t_критич , иначе напряжение на ключах 4, 5 (3, 6), подлежащих включению, не достигнет ноля и будет снова нарастать. Выполнение этого условия и обеспечивает упомянутый специальный алгоритм.

Снижение статических потерь на ключах 3-6 инвертора напряжения 1 обеспечивают за счет того, что при подобранных элементах контура 16 и используемом упомянутом алгоритме управления выходной ток инвертора напряжения 1 близок по форме и фазе к напряжению на контуре 15.

Анализ известных технических решений показал, что предложенный способ снижения потерь в инверторе напряжения проявляет новые свойства, заключающиеся в снижении потерь в ключах инвертора напряжения.

Литература

1. Патент 2061292, Россия, МКИ Н02М 5/44. Способ управления преобразователем частоты. / Силкин Е.М. - Заявл. 22.09.92, опубл. 27.05.1996. - Бюл. №15.

2. Патент 2183379, Россия, МКИ Н02М 7/523. Устройство управления для инвертора напряжения. / Кузнецов А.В. - Заявл. 26.12.2000. Опубл. 10.06.2002. - Бюл. №16.