RU2279754C1

RU2279754C1 - One-phased bridge transistor inverter

Info

Publication number: RU2279754C1
Application number: RU2005111210/09A
Authority: RU
Inventors: Лев Теодорович Магазинник (RU); Лев Теодорович Магазинник
Priority date: 2005-04-15
Filing date: 2005-04-15
Publication date: 2006-07-10

Abstract

FIELD: electronic engineering.

SUBSTANCE: one-phased bridge transistor inverter is disclosed with transformer load and capacitor, enabled serially with primary winding of transformer in diagonal line of alternating current of transistor bridge, bridged by reverse diode bridge. For achieving technical effect, one-polar transistor key is utilized, enabled between connection point of primary winding of transformer with capacitor and common point of two additional reverse diodes, not connected to diagonals of alternating current, transistor bridge. One-polar key is controlled by logical circuit AND of optical-electronic type, providing control over inertial state of transistor bridge.

EFFECT: protection from resonance overvoltages in the network.

3 dwg

Description

Изобретение относится к области электротехники, а именно к транзисторным инверторам, и может быть использовано в различных вторичных источниках питания в диапазоне мощностей от сотен ватт до десятков киловатт, например, в электросварочных аппаратах инверторного типа, однофазных плазмотронах, электронных стабилизаторах напряжения т.п.The invention relates to the field of electrical engineering, namely to transistor inverters, and can be used in various secondary power sources in the power range from hundreds of watts to tens of kilowatts, for example, inverter-type electric welding machines, single-phase plasmatrons, electronic voltage regulators, etc.

Известны транзисторные однофазные мостовые инверторы, содержащие в силовой цепи транзисторный мост, шунтированный обратным диодным мостом и подключенный диагональю постоянного тока к сетевому выпрямителю, а диагональю переменного тока к нагрузке [1, 2].Known transistor single-phase bridge inverters containing a transistor bridge in the power circuit, shunted by a reverse diode bridge and connected by a diagonal of direct current to the network rectifier, and by a diagonal of alternating current to the load [1, 2].

Для устранения постоянной составляющей в диагонали нагрузки последовательно с нагрузкой включают конденсатор [3]. Однако в большинстве случаев нагрузкой транзисторного моста является первичная обмотка трансформатора. То есть нагрузка носит активно-индуктивный характер, что может вызвать резонанс напряжений в последовательной L-С цепи. Чтобы устранить вызванные резонансом перенапряжения в [4] предложено снабдить трансформатор дополнительной обмоткой, включенной в первичную обмотку, а указанную дополнительную обмотку включить в диагональ переменного тока обратного диодного моста, не связанного с одноименной диагональю транзисторного моста, причем диагональ постоянного тока обратного диодного моста через транзисторный ключ подключить параллельно одноименной диагонали транзисторного моста.To eliminate the constant component in the load diagonal, a capacitor is connected in series with the load [3]. However, in most cases, the load on the transistor bridge is the primary winding of the transformer. That is, the load is active-inductive in nature, which can cause a resonance of stresses in the serial L-C circuit. In order to eliminate the overvoltages caused by the resonance, it was proposed in [4] to equip the transformer with an additional winding included in the primary winding, and to include the indicated additional winding in the alternating current diagonal of the reverse diode bridge, not connected with the diagonal of the transistor bridge of the same name, the diagonal of the direct current of the reverse diode bridge through the transistor connect the key in parallel with the diagonal of the transistor bridge of the same name.

Данное устройство 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 прототипа, относится то, что технически трудно обеспечить идеальную магнитную связь между первичной и дополнительной обмотками трансформатора, а следовательно, невозможно полностью устранить перенапряжения. Кроме того, наличие дополнительной обмотки несколько усложняет конструкцию трансформатора.This device is the closest device of the same purpose to the claimed invention in terms of features and is taken as a prototype. The reasons that impede the achievement of the technical result indicated below when using the prototype include the fact that it is technically difficult to provide perfect magnetic coupling between the primary and secondary windings of the transformer, and therefore it is impossible to completely eliminate overvoltages. In addition, the presence of an additional winding somewhat complicates the design of the transformer.

Схема прототипа приведена на фиг.1 и содержит транзисторный мост 1, 2, 3, 4, подключенный диагональю постоянного тока к выходу сетевого выпрямителя (для простоты сетевой выпрямитель на фиг.1 не показан), а диагональю переменного тока к первичной обмотке трансформатора 5 через включенный последовательно с этой обмоткой конденсатор 6. Вторичная обмотка 7 трансформатора питает нагрузку 8, содержащую обычно выпрямитель, сглаживающий дроссель и собственно нагрузку, которые для простоты на фиг.1 не показаны. Трансформатор снабжен также дополнительной обмоткой 9, включенной в диагональ переменного тока обратного диодного моста 10, 11, 12, 13, который диагональю постоянного тока подключен общими катодами к плюсу сетевого выпрямителя, а общими анодами к эмиттеру (истоку) транзисторного ключа 14, коллектор (сток) которого соединен с минусом сетевого выпрямителя. Система управления упомянутым транзисторным ключом 14 представляет собой логическую схему «И» в составе двух светодиодов 15, 16, соединенных согласно последовательно и подключенных в проводящем направлении каждый через свой токоограничивающий резистор 17, 18 к сетевому выпрямителю, причем общая точка упомянутых светодиодов 15, 16 связана с одной из вершин в диагонали переменного тока транзисторного моста 1, 2, 3, 4. Светодиоды 15, 16 образуют с одноименными фотодиодами 15, 16 две оптронных пары, выполняющие логическую функцию «И», при этом фотодиоды 15, 16 соединены между собой согласно-последовательно и подключены в непроводящем направлении свободным анодом к плюсу управляющего входа транзисторного ключа 14, а свободным катодом к общей точке делителя напряжения из двух последовательно соединенных резисторов 19, 20, свободными концами включенных между общими анодами обратного диодного моста 10, 11, 12, 13 и минусом сетевого выпрямителя. Кроме перечисленного, схема содержит типовую систему управления 21 инвертором, выполненную по принципу широтно-импульсной модуляции.The prototype diagram is shown in figure 1 and contains a transistor bridge 1, 2, 3, 4 connected by a diagonal of direct current to the output of the network rectifier (for simplicity, the network rectifier in figure 1 is not shown), and by a diagonal of alternating current to the primary winding of the transformer 5 through The capacitor 6 connected in series with this winding 6. The secondary winding 7 of the transformer feeds the load 8, which usually contains a rectifier, a smoothing inductor and the actual load, which are not shown in FIG. 1 for simplicity. The transformer is also equipped with an additional winding 9, included in the diagonal of the alternating current of the reverse diode bridge 10, 11, 12, 13, which is connected by a common current cathode to the plus of the network rectifier, and by common anodes to the emitter (source) of the transistor switch 14, the collector (drain ) which is connected to the minus of the network rectifier. The control system of said transistor switch 14 is a logic circuit “I” consisting of two LEDs 15, 16, connected in series and connected in a conducting direction, each through its current-limiting resistor 17, 18 to the network rectifier, and the common point of the mentioned LEDs 15, 16 is connected from one of the vertices in the diagonal of the alternating current of the transistor bridge 1, 2, 3, 4. The LEDs 15, 16 form two optocoupler pairs with the same photodiodes 15, 16, performing the logical function “I”, while the photodiodes 15, 16 are interconnected in series and connected in a non-conducting direction by a free anode to the plus of the control input of the transistor switch 14, and by a free cathode to the common point of the voltage divider from two series-connected resistors 19, 20, free ends connected between the common anodes of the reverse diode bridge 10, 11, 12, 13 and minus the network rectifier. In addition to the above, the circuit contains a typical control system 21 of the inverter, made on the principle of pulse-width modulation.

Технический результат - устранение резонансных перенапряжений и упрощение трансформатора.EFFECT: elimination of resonant overvoltages and simplification of a transformer.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в известном устройстве, содержащем однофазный мостовой транзисторный инвертор в составе транзисторного моста, обратного диодного моста, трансформатора, первичная обмотка которого последовательно с конденсатором включена в диагональ переменного тока транзисторного моста, а вторичная обмотка соединена с нагрузкой транзисторного ключа, управляемого оптоэлектронной логической схемой «И», состоящей из двух оптоэлектронных пар, которые двумя своими светодиодами, соединенными согласно-последовательно, подключены через свои токоограничивающие резисторы к сетевому выпрямителю в проводящем ток направлении, а общей точкой подключены к одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста, двумя одноименными фотодиодами, также соединенными согласно-последовательно, но в непроводящем направлении, связаны свободным анодом с положительным выводом управляющего входа транзисторного ключа, отрицательный вывод которого подключен к минусу сетевого выпрямителя, а также содержащем типовую систему управления инвертором, выполненную по принципу широтно-импульсной модуляции. Упомянутый транзисторный ключ выполнен униполярным и включен между точкой соединения конденсатора с первичной обмоткой трансформатора и обшей точкой двух дополнительных обратных диодов, не связанных с диагональю переменного тока транзисторного моста. Это позволило исключить резонансные перенапряжения на конденсаторе и трансформаторе мостового транзисторного инвертора, а также убрать дополнительную обмотку трансформатора, что упростило его конструкцию.The specified technical result in the implementation of the invention is achieved by the fact that in a known device containing a single-phase bridge transistor inverter comprising a transistor bridge, a reverse diode bridge, a transformer, the primary winding of which is connected in series with the capacitor to the diagonal of the alternating current of the transistor bridge, and the secondary winding is connected to the load a transistor switch controlled by an “I” optoelectronic logic circuit consisting of two optoelectronic pairs, which are two of their light by diodes connected in series, connected through their current-limiting resistors to a network rectifier in the current-conducting direction, and connected by a common point to one of the vertices of the diagonal of the transistor bridge, two photodiodes of the same name, also connected in series, but in a non-conducting direction, are connected a free anode with a positive terminal of the control input of the transistor switch, the negative terminal of which is connected to the minus of the network rectifier, as well as containing new inverter control system, made on the basis of pulse-width modulation. Mentioned transistor switch is made unipolar and is connected between the connection point of the capacitor with the primary winding of the transformer and the common point of two additional reverse diodes that are not connected with the diagonal of the alternating current of the transistor bridge. This made it possible to exclude resonant overvoltages on the capacitor and transformer of the bridge transistor inverter, as well as to remove the additional winding of the transformer, which simplified its design.

Сущность изобретения поясняется на фиг.2, на которой представлена схема однофазного мостового транзисторного инвертора, и на фиг.3, на которой представлен униполярный транзисторный ключ.The invention is illustrated in figure 2, which shows a diagram of a single-phase bridge transistor inverter, and figure 3, which shows a unipolar transistor switch.

Устройство (фиг.2) содержит транзисторный мост 1, 2, 3, 4, обратный диодный мост 5, 6, 7, 8, трансформатор с первичной обмоткой 9 и вторичной обмоткой 10. Первичная обмотка 9 соединена последовательно с конденсатором 11, а свободными концами первичная обмотка 9 и конденсатор 11 включены в диагональ переменного тока транзисторного моста 1, 2, 3, 4. Вторичная обмотка 10 подключена к нагрузке 12. Устройство содержит также униполярный транзисторный ключ 13, полная схема которого приведена на фиг.3 и описана ниже. Униполярный транзисторный ключ 13 управляется оптоэлектронной логической схемой «И», состоящей из двух оптоэлектронных пар 14 и 15. Светодиоды этих пар соединены согласно-последовательно и подключены в проводящем ток направлении через свои токоограничивающие резисторы 16, 17 к сетевому выпрямителю. Общая точка светодиодов подключена к одной из вершин диагонали переменного тока транзисторного моста. На фиг.2 эта вершина связана с конденсатором 11, однако в принципе возможно подключение и к противоположной вершине, связанной с первичной обмоткой 9 трансформатора. Одноименные фотодиоды оптоэлектронных пар 14, 15 также соединены согласно-последовательно, но в непроводящем направлении по отношению к сетевому выпрямителю и связаны свободным катодом через токоограничивающий резистор 18 с плюсом сетевого выпрямителя, а свободным анодом с плюсовым выводом управляющего входа униполярного транзисторного ключа 13, минусовой вывод которого объединен с минусом сетевого выпрямителя. Транзисторный ключ 13 выполнен униполярным (см. фиг.3) и включен между точкой соединения конденсатора 11 с первичной обмоткой 9 трансформатора и между общей точкой дополнительных обратных диодов 19, 20, кроме того, устройство содержит типовую систему управления инвертором (21), выполненную по принципу широтно-импульсной модуляции и соединенную своими четырьмя выводами, по числу транзисторов моста, с соответствующими управляющими входами этих транзисторов 1, 2, 3, 4.The device (figure 2) contains a transistor bridge 1, 2, 3, 4, a reverse diode bridge 5, 6, 7, 8, a transformer with a primary winding 9 and a secondary winding 10. The primary winding 9 is connected in series with the capacitor 11, and the free ends the primary winding 9 and the capacitor 11 are included in the diagonal of the alternating current of the transistor bridge 1, 2, 3, 4. The secondary winding 10 is connected to the load 12. The device also contains a unipolar transistor switch 13, the complete circuit of which is shown in FIG. 3 and described below. The unipolar transistor switch 13 is controlled by an “I” optoelectronic logic circuit consisting of two optoelectronic pairs 14 and 15. The LEDs of these pairs are connected in series and connected in the current-conducting direction through their current-limiting resistors 16, 17 to the network rectifier. The common point of the LEDs is connected to one of the vertices of the diagonal of the AC transistor bridge. In figure 2, this peak is connected to the capacitor 11, however, in principle, it is possible to connect to the opposite peak connected to the primary winding 9 of the transformer. The same photodiodes of the optoelectronic pairs 14, 15 are also connected in series, but in a non-conductive direction with respect to the network rectifier and are connected by a free cathode through a current-limiting resistor 18 with the plus of the network rectifier, and by a free anode with the positive output of the control input of the unipolar transistor switch 13, the negative output which is combined with the minus of the network rectifier. The transistor switch 13 is made unipolar (see figure 3) and is connected between the connection point of the capacitor 11 with the primary winding 9 of the transformer and between the common point of the additional reverse diodes 19, 20, in addition, the device contains a typical inverter control system (21), made by the principle of pulse width modulation and connected by its four terminals, according to the number of bridge transistors, with the corresponding control inputs of these transistors 1, 2, 3, 4.

Униполярный транзисторный ключ 13 (фиг.3) содержит фототранзистор 22, коллекторная цепь которого включена в диагональ постоянного тока диодного моста 23, 24, 25, 26 эмиттером к общим анодам диодного моста, а коллектором к общим катодам. Диагональ переменного тока диодного моста 23, 24, 25, 26 включена между точкой соединения конденсатора 11 с первичной обмоткой 9 трансформатора (фиг.2 и 3) и общей точкой дополнительных обратных диодов 19, 20. Управляющим входом униполярного ключа является светодиод фототранзистора 22, связанный анодом с анодом фотодиода оптоэлектронной пары (фиг.2 и 3), а катодом с минусом сетевого выпрямителя.Unipolar transistor switch 13 (Fig.3) contains a phototransistor 22, the collector circuit of which is included in the DC diagonal of the diode bridge 23, 24, 25, 26 by the emitter to the common anodes of the diode bridge, and the collector to the common cathodes. The diagonal of the alternating current of the diode bridge 23, 24, 25, 26 is connected between the connection point of the capacitor 11 with the primary winding 9 of the transformer (FIGS. 2 and 3) and the common point of the additional reverse diodes 19, 20. The control input of the unipolar switch is a phototransistor 22 LED connected the anode with the anode of the photodiode of the optoelectronic pair (Fig.2 and 3), and the cathode with the minus of the network rectifier.

Устройство функционирует следующим образом. Диагональные пары транзисторов инвертора 1-4 и 2-3 включаются поочередно, а продолжительность их включения и выключенного состояния, то есть широтно-импульсная модуляция задается системой управления 21. Когда включена одна из диагональных пар, например 1-4, транзистор 1 шунтирует цепь светодиода оптопары 14, поэтому фотодиод этой оптопары ток не проводит. Соответственно сигнал на управляющем входе транзисторного ключа 13 равен нулю и транзистор, представленный на фиг.2 символически в виде контакта, заперт (контакт разомкнут). На фиг.3 представлена полная схема униполярного транзисторного ключа 13. Из рассмотрения этой схемы ясно, что если фотодиод оптоэлектронной пары 14 ток не проводит, то светодиод 22 одноименного фототранзистора не «светится» и фототранзистор заперт. Соответственно заперт и диодный мост 23, 24, 25, 26. Ток между точкой соединения конденсатора 11 с первичной обмоткой 9 трансформатора (см. фиг.2 и 3) и общей точкой дополнительных обратных диодов 19, 20 проходить ни в одном направлении не может. Аналогичная ситуация возникает и при включении другой диагональной пары 2-3 транзисторов: шунтируется транзистором 2 светодиод оптоэлектронной пары 15, не проводит ток одноименный фотодиод, не светится фотодиод фототранзистора 22, заперт диодный мост 23, 24, 25, 26. Только во время паузы при переключении диагональных пар транзисторов 1-4 и 2-3 оба транзистора 1 и 2 разных диагональных пар оказываются запертыми, соответственно, оба светодиода оптоэлектронных пар 14 и 15 «светятся» - проводят ток фотодиоды обеих оптоэлектронных пар, светится «светодиод» 22 одноименного фототранзистора, отперт диодный мост 23, 24, 25, 26, замкнута цепь между точкой соединения конденсатора 11 с обмоткой 9 трансформатора и общей точкой дополнительных обратных диодов 19, 20. Если при этом напряжение на обкладках конденсатора 11, либо выводах первичной обмотки 9 трансформатора превышает напряжение питания инвертора, то есть напряжение сетевого выпрямителя, происходит разряд конденсатора 11 до уровня напряжения сетевого выпрямителя, либо разряд избыточной электромагнитной энергии первичной обмотки 9 трансформатора, либо эти процессы идут одновременно, а униполярность транзисторного ключа (фиг.2) 22-26 (на фиг.3) обеспечивает протекание тока разряда в двух направлениях.The device operates as follows. The diagonal pairs of the inverter transistors 1-4 and 2-3 are turned on alternately, and the duration of their on and off state, that is, pulse-width modulation is set by the control system 21. When one of the diagonal pairs, for example 1-4, is turned on, transistor 1 shunts the LED circuit optocouplers 14, therefore, the photodiode of this optocoupler does not conduct current. Accordingly, the signal at the control input of the transistor switch 13 is zero, and the transistor shown in FIG. 2 symbolically in the form of a contact is locked (the contact is open). Figure 3 presents the complete circuit of a unipolar transistor switch 13. From the consideration of this circuit it is clear that if the photodiode of the optoelectronic pair 14 does not conduct current, then the LED 22 of the phototransistor of the same name is not “lit” and the phototransistor is locked. Accordingly, the diode bridge 23, 24, 25, 26 is also locked. The current between the point of connection of the capacitor 11 with the primary winding 9 of the transformer (see FIGS. 2 and 3) and the common point of the additional reverse diodes 19, 20 cannot pass in any direction. A similar situation arises when another diagonal pair of 2-3 transistors is turned on: the optoelectronic pair 15 LED is shunted by transistor 2, the photodiode of the same name does not conduct current, the phototransistor 22 photodiode does not light, the diode bridge 23, 24, 25, 26 is locked. Only during a pause when when switching diagonal pairs of transistors 1-4 and 2-3, both transistors 1 and 2 of different diagonal pairs turn out to be locked, respectively, both LEDs of optoelectronic pairs 14 and 15 “light up” - photodiodes of both optoelectronic pairs conduct current, “LED” lights up 22 of the phototransistor of the same name, the diode bridge 23, 24, 25, 26 is unlocked, a circuit is closed between the connection point of the capacitor 11 with the transformer winding 9 and the common point of the additional reverse diodes 19, 20. If this is the voltage across the plates of the capacitor 11, or the terminals of the primary winding 9 the transformer exceeds the supply voltage of the inverter, that is, the voltage of the network rectifier, there is a discharge of the capacitor 11 to the voltage level of the network rectifier, or the discharge of excess electromagnetic energy of the primary winding 9 of the transformer, moreover, these processes occur simultaneously, and the unipolarity of the transistor switch (Fig. 2) 22-26 (Fig. 3) ensures that the discharge current flows in two directions.

Необходимо отметить, что схема фиг.3 представляет частный случай реализации униполярного транзисторного ключа, то есть один из возможных вариантов и предметом изобретения не является.It should be noted that the circuit of figure 3 represents a special case of the implementation of a unipolar transistor switch, that is, one of the possible options and the subject of the invention is not.

Униполярный ключ, например, можно реализовать на двух встречно-параллельно соединенных транзисторах.A unipolar switch, for example, can be implemented on two counter-parallel connected transistors.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет просто и эффективно снимать резонансные перенапряжения в однофазных мостовых инверторах с конденсатором в цепи первичной обмотки трансформатора и одновременно избавиться от дополнительной обмотки, усложняющей конструкцию трансформатора. Технический результат достигнут.Thus, the present invention allows simple and effective removal of resonant overvoltages in single-phase bridge inverters with a capacitor in the primary circuit of the transformer and at the same time get rid of the additional winding that complicates the design of the transformer. The technical result is achieved.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИINFORMATION SOURCES

1. «AI - Технотрон» - Россия. Проспект фирмы, 1995 г.1. "AI - Technotron" - Russia. Company Prospectus, 1995

2. «Invertec V - 130 - S - Linkoln» - США, каталог 1998-99 г.2. "Invertec V - 130 - S - Linkoln" - USA, catalog 1998-99.

3. В.А.Прянишников. Электроника. С.Петербург, «Корона принт», 1998. - 400 с.3. V.A. Pryanishnikov. Electronics. S. Petersburg, “Crown Print”, 1998. - 400 p.

4. Однофазный мостовой транзисторный инвертор. Пат. №2216093 опубликован 10.11.2003. БИ №31, авторы Магазинник Л.Т., Магазинник Г.Г., Шингаров В.П.4. Single-phase bridge transistor inverter. Pat. No.2216093 was published on 11/10/2003. BI №31, authors Magazine L.T., Magazine G.G., Shingarov V.P.

Claims

Single-phase bridge transistor inverter as part of a transistor bridge, reverse diode bridge, transformer, the primary winding of which is connected in series with the capacitor to the diagonal of the alternating current of the transistor bridge, and the secondary winding is connected to the load of a transistor switch controlled by an "I" optoelectronic logic circuit consisting of two optoelectronic pairs, which are connected in series with their LEDs, connected through their current-limiting resistors to a network rectifier in the current-conducting direction, and by a common point are connected to one of the vertices of the diagonal of the transistor bridge AC, two photodiodes of the same name, also connected in series but non-conducting direction, are connected by a free anode to the positive terminal of the control input of the transistor switch, the negative terminal of which is connected to "minus" the network rectifier, also containing a typical inverter control system, made on the basis of pulse-width modulation, characterized in that the said ranzistorny key configured unipolar and is connected between the connection point of the capacitor to the primary winding of the transformer and the common point of two additional freewheeling diodes, non-diagonal AC transistor bridge.