RU179238U1

RU179238U1 - HALF BRIDGE AC / DC CONVERTER

Info

Publication number: RU179238U1
Application number: RU2017141615U
Authority: RU
Inventors: Александр Павлович Клачков; Алексей Гаврилович Пономаренко
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2018-05-07

Abstract

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве устройства для питания током ультразвуковой частоты индукционных нагревателей, акустических излучателей или иных индуктивно-резистивных нагрузок, расположенных внутри нефтяных скважин. Заявлен погружной полумостовой преобразователь с колебательным контуром из последовательно включенных конденсатора и индуктивно-резистивной нагрузки, в котором переключения транзисторов происходят в близкой окрестности момента перехода квазигармонического тока нагрузки через 0. При изменении эквивалентных параметров нагрузки частота преобразования изменяется автоматически. Гарантированная временная пауза между активными фазами преобразования при этом сохраняется неизменной и достаточной для надежной работы силовых ключей. Техническим результатом заявленной полезной модели является существенное сокращение размеров преобразователя при сохранении высокого кпд, повышении предельной мощности и автономности в условиях работы на изменяющуюся индуктивно-резистивную нагрузку, перемещаемую снаружи капсулы преобразователя на расстояние до 20 м. 4 ил.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used as a device for supplying a current of ultrasonic frequency to induction heaters, acoustic emitters or other inductive-resistive loads located inside oil wells. A submersible half-bridge converter with an oscillatory circuit from a series-connected capacitor and an inductive-resistive load is declared, in which the transistors switch in a close vicinity of the moment of transition of the quasi-harmonic load current through 0. When the equivalent load parameters are changed, the conversion frequency changes automatically. The guaranteed temporary pause between the active phases of the conversion remains unchanged and sufficient for the reliable operation of power switches. The technical result of the claimed utility model is a significant reduction in the size of the converter while maintaining high efficiency, increasing the maximum power and autonomy in the conditions of work on a changing inductive-resistive load, which is moved outside the converter capsule by a distance of up to 20 m. 4 silt.

Description

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в качестве устройства для питания током ультразвуковой частоты индуктивно-резистивной нагрузки типа индукционного нагревателя обсадной трубы нефтяной скважины или ультразвукового акустического излучателя.The utility model relates to the field of electrical engineering and can be used as a device for supplying a current of an ultrasonic frequency to an inductive-resistive load such as an induction casing heater of an oil well or an ultrasonic acoustic emitter.

В настоящее время в нефтепромысловой отрасли для решения задач диагностики пластов и интенсификации добычи трудноизвлекаемой нефти широко используется геофизическая аппаратура, которая требует питания переменным током ультразвуковой частоты. Однако при передаче сигналов большой мощности с поверхности Земли внутрь скважины на глубину до 2 км возникают технические проблемы, связанные с потерями энергии в кабеле и его высокой индуктивностью. Это означает необходимость разработки генератора электрических колебаний ультразвуковой частоты, который был бы способен к работе внутри высокопрочной капсулы, находящейся в скважине на большой глубине на расстоянии 1-20 метров от потребителя. Такой генератор должен быть компактным, обладать максимально высоким кпд, надежностью и автономностью в условиях возможных существенных изменений параметров нагрузки при ее перемещении в указанном диапазоне расстояний.At present, in the oil industry, geophysical equipment is widely used to solve the problems of reservoir diagnostics and intensification of production of hard-to-recover oil, which requires an ultrasonic frequency alternating current supply. However, when transmitting high power signals from the Earth’s surface into the borehole to a depth of 2 km, technical problems arise associated with the loss of energy in the cable and its high inductance. This means the need to develop an ultrasonic frequency generator of electric oscillations that would be able to work inside a high-strength capsule located in the well at great depths at a distance of 1-20 meters from the consumer. Such a generator should be compact, have the highest possible efficiency, reliability and autonomy under the conditions of possible significant changes in the load parameters during its movement in the specified range of distances.

Известен полумостовой преобразователь [1], который содержит два последовательно включенных силовых транзистора и емкостной делитель напряжения из двух последовательно включенных конденсаторов. Входное напряжение в нем подается на два силовых транзистора и емкостной делитель. Преобразование поступающей энергии здесь производится посредством поочередной коммутации транзисторов. При этом на диагонали цепи, проходящей от общего узла силовых транзисторов к средней точке емкостного делителя, формируется напряжение в виде импульсов чередующейся полярности. Полезная нагрузка такого преобразователя включается в диагональ моста через импульсный трансформатор с выходным выпрямителем. Несомненным достоинством данного преобразователя является высокий кпд процесса преобразования энергии, обусловленный ключевым режимом работы силовых транзисторов. Однако выходной сигнал в нем не содержит квазигармонических токов, которые необходимы для питания индукционного нагревателя или ультразвукового акустического излучателя в скважине.Known half-bridge Converter [1], which contains two series-connected power transistors and a capacitive voltage divider from two series-connected capacitors. The input voltage in it is supplied to two power transistors and a capacitive divider. The conversion of incoming energy here is carried out by alternately switching transistors. At the same time, a voltage is formed in the form of pulses of alternating polarity on the diagonal of the circuit passing from the common node of the power transistors to the midpoint of the capacitive divider. The payload of such a converter is included in the diagonal of the bridge through a pulse transformer with an output rectifier. The undoubted advantage of this converter is the high efficiency of the energy conversion process, due to the key mode of operation of power transistors. However, the output signal in it does not contain quasi-harmonic currents, which are necessary to power the induction heater or ultrasonic acoustic emitter in the well.

Известен также полумостовой преобразователь [2], выбранный в качестве прототипа, который содержит два последовательно включенных силовых транзистора со встречными диодами, шунтированных RC-цепочками, и емкостной делитель напряжения из двух последовательно включенных конденсаторов. Входное постоянное напряжение в нем также подается на два силовых транзистора и емкостной делитель, однако, в диагонали цепи, проходящей от общего узла силовых транзисторов к средней точке емкостного делителя, расположен колебательный контур, образованный катушкой индуктивности и конденсатором, а напряжение на полезную нагрузку снимается с катушки и подается в нее через выпрямитель. Силовые транзисторы здесь включаются / выключаются поочередно, однако благодаря колебательному контуру, расположенному в диагонали полумоста, ток в ней приобретает синусоидальный характер. Это дает возможность производить коммутацию в моменты, когда ток или напряжение нагрузки близки к нулю. В этом случае за счет снижения коммутационных потерь обеспечиваются более высокие энергетическая эффективность и надежность работы преобразователя. Тем самым, создаются предпосылки для достижения таких массогабаритных характеристик устройства, которые позволяли бы его размещение в высокопрочном корпусе внутри скважины на глубине до 2 км.Also known is a half-bridge converter [2], selected as a prototype, which contains two series-connected power transistors with counter diodes, shunted by RC circuits, and a capacitive voltage divider from two series-connected capacitors. The input DC voltage in it is also supplied to two power transistors and a capacitive divider, however, in the diagonal of the circuit passing from the common node of the power transistors to the midpoint of the capacitive divider, there is an oscillatory circuit formed by an inductor and a capacitor, and the voltage to the payload is removed from coil and fed into it through a rectifier. Power transistors here turn on / off alternately, however, thanks to the oscillatory circuit located in the diagonal of the half-bridge, the current in it acquires a sinusoidal character. This makes it possible to switch at times when the load current or voltage is close to zero. In this case, due to the reduction of switching losses, higher energy efficiency and reliability of the converter are provided. Thus, the prerequisites are created for achieving such mass-dimensional characteristics of the device that would allow its placement in a high-strength housing inside the well at a depth of up to 2 km.

Однако указанный преобразователь не может быть использован непосредственно внутри скважины для питания индуктивно-резистивных нагрузок, поскольку он предназначен для стабилизации и регулирования постоянного напряжения на нагрузке. Это повлекло неприемлемое усложнение силовой части преобразователя и маломощной электроники управления, затруднило реализацию задачи снижения размеров преобразователя до габаритов погружаемой капсулы и вызвало нежелательное снижение средней мощности преобразователя. Кроме того, индуктивно-резистивный характер сопротивления нагрузок требует их существенного реактивного энергообмена с преобразователем, что невозможно реализовать в вышеназванных устройствах. Третье препятствие заключается в том, что при перемещении нагрузки внутри обсадной трубы скважины возможно существенное изменение ее эквивалентных параметров, которое может повлиять на процесс преобразования вплоть до возникновения аварийных режимов.However, this converter cannot be used directly inside the well to supply inductive-resistive loads, since it is designed to stabilize and regulate the constant voltage at the load. This led to an unacceptable complication of the power part of the converter and low-power control electronics, complicated the task of reducing the size of the converter to the dimensions of the immersed capsule and caused an undesirable decrease in the average power of the converter. In addition, the inductive-resistive nature of the load resistance requires a significant reactive energy exchange with the converter, which is impossible to implement in the above devices. The third obstacle is that when the load moves inside the casing of the well, a significant change in its equivalent parameters is possible, which can affect the conversion process until emergency conditions occur.

Техническим результатом предлагаемой полезной модели является существенное сокращение размеров преобразователя при сохранении его кпд, повышении предельной мощности и автономности в условиях работы на изменяющуюся индуктивно-резистивную нагрузку, перемещаемую снаружи капсулы преобразователя на расстояние до 20 м.The technical result of the proposed utility model is a significant reduction in the size of the transducer while maintaining its efficiency, increasing the maximum power and autonomy under operating conditions at a changing inductive-resistive load, which can be moved outside the transducer capsule by a distance of up to 20 m.

Этот результат достигается тем, что в известном устройстве, корпус которого содержал два силовых транзистора со встречными диодами, шунтированных RC-цепочками и имеющих общую точку, емкостной делитель входного напряжения, устройство автоматического управления силовыми транзисторами, последовательный колебательный контур из катушки индуктивности и конденсатора, в предлагаемой полезной модели катушка индуктивности выполнена в виде обмотки индукционного нагревателя, расположенного за пределами корпуса и соединенного с ним гибкой линией передачи, с возможностью перемещаться на расстояние до 20 м от корпуса, а устройство автоматического управления силовыми транзисторами представляет собою датчик мгновенного тока нагрузки на основе трансформатора тока с двухполупериодным выпрямителем, каскадно соединенный с ним амплитудныый ограничитель напряжения сигнала, к выходу которого подключено пороговое устройство с уровнями напряжения выключения u₁ и включения u₂, причем u₁<u₂<Uмакс, где Uмакс - напряжение ограничения сигнала, с выходом порогового устройства соединены вход счетного триггера с переключением по событию перехода «1»→«0» и через звено задержки - первые входы двух двухвходовых логических элементов «И», вторые входы которых соединены с парафазными выходами счетного триггера, при этом выходы логических элементов «И» соединены с двумя входами микросхемы-драйвера силовых транзисторов преобразователя.This result is achieved by the fact that in the known device, the housing of which contained two power transistors with counter diodes, shunted by RC circuits and having a common point, a capacitive input voltage divider, an automatic control device for power transistors, a series oscillatory circuit from an inductor and a capacitor, in of the proposed utility model, the inductor is made in the form of a winding of an induction heater located outside the housing and connected to it by a flexible line transmissions to it, with the ability to move up to 20 m from the case, and the automatic power transistor control device is an instantaneous load current sensor based on a current transformer with a half-wave rectifier, a cascade-connected amplitude signal voltage limiter to the output of which a threshold device with the voltage levels of turning off u ₁ and turning on u ₂ , and u ₁ <u ₂ <Umax, where Umax is the signal limiting voltage, the input with the output of the threshold device even trigger with switching by the transition event "1" → "0" and through the delay link - the first inputs of two two-input logic elements "And", the second inputs of which are connected to the paraphase outputs of the counting trigger, while the outputs of the logic elements "And" are connected to two the inputs of the driver microcircuit driver transistors of the converter.

Реализация технического решения, предложенного в полезной модели, обеспечивает достижение технического результата, описанного выше. А именно, применение колебательного контура приводит к тому, что ток и напряжение в нем изменяются по квазигармоническому закону на резонансной частоте, а переключение силовых транзисторов происходит в близкой окрестности нулевого тока, - это гарантирует низкий уровень коммутационных потерь, высокий кпд преобразования и снижает требования к использованной элементной базе. Кроме того, между выключением одного силового транзистора и включением другого существует гарантированная временная пауза, продолжительность которой определяется значениями пороговых напряжений u₁ и u₂. Это обеспечивает надежность работы транзисторов и других элементов силовой цепи преобразователя в условиях их продолжительной автономной работы. Возможность регулирования напряжений u₁ и u₂ позволяет избегать чрезмерных запасов по продолжительности паузы, увеличивая тем самым длительность активной фазы преобразования и обеспечивая наивысший уровень полезной мощности. Непосредственное включение индуктивно-резистивной нагрузки в состав колебательного контура позволяет отказаться от применения громоздких элементов типа трансформатора и/или катушки индуктивности, при этом относительно крупноразмерная нагрузка находится за пределами корпуса преобразователя. Тем самым, обеспечивается возможность существенного снижения габаритных размеров последнего до уровня, определяемого условиями работы внутри нефтяной скважины. Возможные изменения эквивалентных параметров индуктивно-резистивной нагрузки, обусловленные ее перемещением внутри обсадной трубы скважины, влекут за собой изменения частоты и амплитуды колебаний в контуре, но это автономно отрабатывается устройством управления. Наконец, выполнение линии передачи в виде N≤5 параллельно включенных кабелей позволяет увеличить ее гибкость и токонесущую способность, одновременно предотвращая ухудшение эксплуатационных параметров преобразователя путем снижения ее паразитной индуктивности L_ЛП и сопротивления потерь R_ЛП до значенийThe implementation of the technical solution proposed in the utility model ensures the achievement of the technical result described above. Namely, the use of the oscillatory circuit leads to the fact that the current and voltage in it change according to the quasiharmonic law at the resonant frequency, and the switching of power transistors occurs in a close vicinity of zero current - this ensures a low level of switching losses, high conversion efficiency and reduces the requirements for used element base. In addition, between turning off one power transistor and turning on another, there is a guaranteed temporary pause, the duration of which is determined by the threshold voltage values u ₁ and u ₂ . This ensures the reliability of the transistors and other elements of the power circuit of the converter in the conditions of their long-term autonomous operation. The ability to control the voltages u ₁ and u ₂ allows you to avoid excessive reserves for the duration of the pause, thereby increasing the duration of the active phase of the conversion and providing the highest level of useful power. The direct inclusion of the inductive-resistive load in the oscillatory circuit allows you to abandon the use of bulky elements such as a transformer and / or inductor, while a relatively large load is located outside the transducer housing. Thus, it is possible to significantly reduce the overall dimensions of the latter to a level determined by the working conditions inside the oil well. Possible changes in the equivalent parameters of the inductive-resistive load due to its movement inside the casing of the well entail changes in the frequency and amplitude of oscillations in the circuit, but this is autonomously worked out by the control device. Finally, the implementation of the transmission line in the form of N≤5 parallel-connected cables allows to increase its flexibility and current-carrying capacity, while preventing deterioration of the operational parameters of the converter by reducing its parasitic inductance L _LP and loss resistance R _LP to values

где L_н и R_н - индуктивность и сопротивление нагрузки.where L _n and R _n - inductance and load resistance.

Ниже приведен конкретный пример реализации преобразователя для случая нагрузки в виде индукционного нагревателя обсадной трубы скважины. Схема полезной модели показана на Фиг. 1.The following is a specific example of the implementation of the transducer for the case of load in the form of an induction well casing heater. A utility model diagram is shown in FIG. one.

Устройство содержит два силовых транзистора 1 и 2 со встречными диодами, шунтированных RC-цепочками и имеющих общую точку, емкостной делитель входного напряжения из двух конденсаторов 3 и 4, последовательный колебательный контур из конденсатора 5 и катушки индуктивности 6, которая выполнена в виде обмотки индукционного нагревателя, расположенного за пределами корпуса 7 преобразователя, и соединена с ним гибкой линией передачи 8 с возможностью перемещаться в диапазоне расстояний от 1 до 20 м от корпуса. Устройство 9 автоматического управления силовыми транзисторами представляет собою датчик 10 тока нагрузки на основе трансформатора тока с двухполупериодным выпрямителем и каскадно соединенным с ним амплитудным ограничителем 11 напряжения сигнала, к выходу которого подключено пороговое устройство 12 с уровнями напряжения выключения u₁ и включения u₂, причем u₁<u₂<Uмакс, где Uмакс - напряжение ограничения сигнала. К выходу порогового устройства подсоединены вход счетного триггера 13 с переключением по событию перехода «1»→«0» и через звено задержки 14 – по одному входу двухвходовых логических элементов 15 и 16, вторые входы которых соединены с парафазными выходами счетного триггера 13, при этом выходы логических элементов 15 и 16 соединены с двумя входами микросхемы-драйвера 17 силовых транзисторов преобразователя.The device contains two power transistors 1 and 2 with counter diodes, shunted by RC circuits and having a common point, a capacitive input voltage divider from two capacitors 3 and 4, a series oscillatory circuit from a capacitor 5 and an inductor 6, which is made in the form of an induction heater coil located outside the housing 7 of the Converter, and connected to it by a flexible transmission line 8 with the ability to move in a range of distances from 1 to 20 m from the housing. The device 9 for automatic control of power transistors is a load current sensor 10 based on a current transformer with a half-wave rectifier and a cascade-connected amplitude signal voltage limiter 11, to the output of which a threshold device 12 is connected with turn-off voltage levels u ₁ and turn-on u ₂ , and u ₁ <u ₂ <Umax, where Umax is the signal limiting voltage. The input of the counting trigger 13 is connected to the output of the threshold device with switching by the transition event “1” → “0” and through the delay link 14, one input of two-input logic elements 15 and 16, the second inputs of which are connected to the paraphase outputs of the counting trigger 13, while the outputs of the logic elements 15 and 16 are connected to two inputs of the driver microcircuit 17 of the power transistors of the converter.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Входное напряжение U_BX постоянного тока подается на силовые транзисторы 1 и 2 и заряжает конденсаторы 3 и 4 до U_BX/2 каждый. В ходе поочередного замыкания транзисторов 1 и 2 в силовом колебательном контуре из конденсатора 5 и катушки индуктора 6, соединенных через линию передачи 8, возбуждаются квазигармонические колебания с рабочей частотой ω переключения транзисторов. Наивысшими эксплуатационными параметрами преобразователь обладает в случае, когда частота ω совпадает с собственной частотой ω₀ колебаний в контурах «ключ 1 - конденсатор 3 - конденсатор 5 - обмотка индуктора 6», когда ключ 1 замкнут, а 2 - разомкнут и «ключ 2 - обмотка индуктора 6 - конденсатор 5 - конденсатор 4», когда замкнут ключ 2, а разомкнут 1.The input DC voltage U _BX is supplied to power transistors 1 and 2 and charges capacitors 3 and 4 to U _BX / 2 each. During the alternate closure of transistors 1 and 2 in a power oscillatory circuit from a capacitor 5 and an inductor 6 connected through a transmission line 8, quasi-harmonic oscillations are excited with the operating switching frequency ω of the transistors. The converter has the highest operational parameters in the case when the frequency ω coincides with the natural frequency ω _{0 of} oscillations in the circuits "key 1 - capacitor 3 - capacitor 5 - winding of the inductor 6", when key 1 is closed and 2 is open and "key 2 is winding inductor 6 - capacitor 5 - capacitor 4 "when the key is closed 2, and open 1.

Емкости конденсаторов 3 и 4 целесообразно выбирать так, чтобы они превышали емкость конденсатора 5 в 5-10 раз. В этом случае собственная частота колебательной системы близка к значениюThe capacitance of the capacitors 3 and 4, it is advisable to choose so that they exceed the capacity of the capacitor 5 by 5-10 times. In this case, the natural frequency of the oscillatory system is close to

где L_н - индуктивность нагрузки 6, С - емкость конденсатора 5.where L _n is the inductance of the load 6, C is the capacitance of the capacitor 5.

В предложенной полезной модели корпус 7 погружаемого преобразователя может находиться от нагрузки 6 на расстоянии до 20 м. Это на 2 порядка меньше дистанции передачи в.ч. энергии, если питание нагревателя или иной геофизической аппаратуры производить по традиционной схеме, т.е. от генератора, расположенного на поверхности земли. Тем самым, становится реальной задача удовлетворения неравенств (1).In the proposed utility model, the housing 7 of the immersed transducer can be from the load 6 at a distance of up to 20 m. This is 2 orders of magnitude less than the transmission distance of the RF energy, if the heater or other geophysical equipment is powered according to a traditional scheme, i.e. from a generator located on the surface of the earth. Thus, the problem of satisfying inequalities (1) becomes real.

В рабочих условиях, а именно при перемещении индукционного нагревателя внутри обсадной трубы скважины, возможны существенные изменения эквивалентных параметров нагрузки L_н и R_н. Это приводит к изменению резонансной частоты ω₀ колебательной системы и амплитуды тока в ней.Under operating conditions, namely when moving the induction heater inside the casing of the well, significant changes in the equivalent load parameters L _n and R _{n are} possible. This leads to a change in the resonant frequency ω _{0 of the} oscillatory system and the amplitude of the current in it.

Система 9 автоматического управления силовыми транзисторами преобразователя предназначена для обеспечения надежной работы и оптимального режима преобразователя, который достигается при ω=ω₀. Она содержит датчик мгновенного тока нагрузки i(t) на основе трансформатора с двухполупериодным выпрямителем 10 и амплитудным ограничителем 11 с порогом ограничения Uмакс, близким к напряжению питания микросхемы порогового устройства 12. Последнее имеет уровни включения u₂ и выключения u₁, которые отвечают ограничениюThe system 9 of automatic control of power transistors of the converter is designed to ensure reliable operation and optimal mode of the converter, which is achieved when ω = ω ₀ . It contains an instantaneous load current sensor i (t) based on a transformer with a half-wave rectifier 10 and an amplitude limiter 11 with a limit threshold Umax close to the supply voltage of the microcircuit of threshold device 12. The latter has turn-on levels u ₂ and turn-off u ₁ that meet the limit

Сигнал с порогового устройства 12 подается на счетный триггер 13, а также через устройство задержки 14 - на двухвходовые логические элементы «И» 15 и 16, сигналы с выходов которых поступают на входы микросхемы-драйвера 17 силовых транзисторов полумостового преобразователя.The signal from the threshold device 12 is supplied to the counting trigger 13, and also through the delay device 14 to the two-input logic elements “I” 15 and 16, the signals from the outputs of which are fed to the inputs of the driver chip 17 of the power transistors of the half-bridge converter.

Коэффициент передачи датчика тока 10 равен отношениюThe transfer coefficient of the current sensor 10 is equal to

где сигналы u(t) и i(t) показаны на временной диаграмме Фиг. 2.where the signals u (t) and i (t) are shown in the timing diagram of FIG. 2.

Напряжение u(t) через ограничитель 11 поступает на вход порогового устройства 12 с ограничением по уровню Uмакс. В окрестности момента t=0, когда ток i(t) равен 0, напряжение u(t)=i(t)⋅k_дт<u₁, пороговое устройство выключено и на его выходе действует сигнал U_ск, соответствующий «логическому 0». Это означает, что и на выходах логических элементов 15 и 16, т.е. на входах контроллера 17, также действует «0». В указанном интервале времени оба транзисторных ключа 1 и 2 разомкнуты, а ток i(t) замыкается через RC-цепочки и один из встроенных диодов 1 и 2.The voltage u (t) through the limiter 11 is supplied to the input of the threshold device 12 with a limit on the level of Umax. In the vicinity of the moment t = 0, when the current i (t) is 0, the voltage u (t) = i (t) ⋅k _dt <u ₁ , the threshold device is turned off and the signal U _cx corresponding to “logical 0” acts on its output . This means that at the outputs of the logic elements 15 and 16, i.e. at the inputs of the controller 17, also acts "0". In the indicated time interval, both transistor switches 1 and 2 are open, and the current i (t) is closed via RC circuits and one of the built-in diodes 1 and 2.

Такое состояние преобразователя сохраняется до момента, когда напряжение u(t) превысит напряжение включения u₂ устройства 11. В этот момент на его выходе устанавливается значение U_ск=«1». Реакция элементов 15 и 16 на это событие зависит от того, в каком состоянии на момент t=0 находился счетный триггер 13. Если это было состояние Q=«1», то на выходе 15 сохранится уровень «логического 0», а на выходе 16 возникнет «1». Это означает команду на замыкание ключа 2, в результате чего конденсатор делителя 4 и конденсатор 5, заряженный в полярности «плюс справа», разряжаются на индуктивную нагрузку 6.This state of the converter is maintained until the time when the voltage u (t) exceeds the turn-on voltage u _{2 of} device 11. At this moment, the value U _cc = "1" is set at its output. The response of elements 15 and 16 to this event depends on the state in which at the moment t = 0 the counting trigger 13 was located. If this was the state Q = “1”, then the output “logic 0” will be saved at output 15, and at output 16 "1" will appear. This means a command to close the key 2, as a result of which the capacitor of the divider 4 and the capacitor 5, charged in polarity "plus right", are discharged to the inductive load 6.

Через четверть периода конденсатор 5 разряжается до нуля, а модуль тока в нагрузке, напротив, достигает максимума. С этого момента конденсатор 5 начинает заряжаться уже в противоположной полярности, т.е. «плюс слева», - это происходит за счет энергии, запасенной в магнитном поле индуктора 6. Еще через четверть периода |i(t)| вновь приближается к 0 и выходное напряжение датчика тока опускается ниже порогового уровня: u(t)<u₁. Вследствие этого устройство 12 выключается (U_ск=«0»), а триггер 13 изменяет состояние (теперь Q=«0»).After a quarter of a period, the capacitor 5 is discharged to zero, and the current module in the load, on the contrary, reaches a maximum. From this moment, the capacitor 5 begins to charge already in the opposite polarity, i.e. “Plus left” - this is due to the energy stored in the magnetic field of inductor 6. Another quarter of the period | i (t) | again approaching 0 and the output voltage of the current sensor drops below the threshold level: u (t) <u ₁ . As a result, the device 12 turns off (U _ck = "0"), and the trigger 13 changes the state (now Q = "0").

Таким образом, в предлагаемой полезной модели система автоматического управления силовыми транзисторами преобразователя отвечает следующим важным требованиям: чередующиеся импульсы управления транзисторами 1 и 2 имеют частоту повторения, равную резонансной частоте (1) его колебательной системы даже в случае внезапных изменений параметров нагрузки; между импульсами управления ключами 1 и 2 обеспечивается гарантированная временная пауза, необходимая для завершения переходных процессов включения/выключения транзисторов силовых ключей. Длительность паузы Δt определяется мгновенным значением скорости изменения тока |di/dt| и параметрами u₂, u₁ переключательной характеристики устройства 12:Thus, in the proposed utility model, the automatic control system of the power transistors of the converter meets the following important requirements: alternating control pulses of the transistors 1 and 2 have a repetition frequency equal to the resonant frequency (1) of its oscillatory system even in case of sudden changes in the load parameters; between the control pulses of keys 1 and 2, a guaranteed pause is provided, which is necessary to complete the transient processes of switching on / off transistors of power switches. The pause duration Δt is determined by the instantaneous value of the rate of change of current | di / dt | and parameters u ₂ , u ₁ switching characteristics of the device 12:

Она может регулироваться изменением коэффициента преобразования k_ДТ датчика тока (4) при условии соблюдения ограничения (3).It can be controlled by changing the conversion coefficient k _DT of the current sensor (4), subject to restrictions (3).

Достоинством предложенного варианта системы автоматического управления является то, что она обеспечивает коммутацию силовых ключей в моменты с малым значением энергии в индуктивном элементе колебательной системы, снижая требования к используемой элементной базе и создавая тем самым возможности для уменьшения габаритных размеров капсулы преобразователя и сохраняя высокий кпд. The advantage of the proposed version of the automatic control system is that it provides switching of power switches at moments with a low energy value in the inductive element of the oscillatory system, reducing the requirements for the used element base and thereby creating opportunities for reducing the overall dimensions of the converter capsule and maintaining high efficiency.

Это подтверждается диаграммой Фиг. 3, где показаны результаты численного расчета переходного процесса в цепи Фиг. 1 (вариант без шунтирующих цепочек RC) с нагрузкой в виде индукционного нагревателя спустя 4 мс после запуска процесса преобразования. Здесь напряжение источника питания U_BX=300 В, емкости конденсаторов 3, 4 делителя - по 5 мкФ, конденсатора 5-1,25 мкФ, L_н=64 мкГн, R_н=2,2 Ом, длительность временной паузы между импульсами управления - 1 мкс, период следования импульсов управления - 50 мкс (верхняя диаграмма) и 52,4 мкс (нижняя).This is confirmed by the diagram of FIG. 3, which shows the results of a numerical calculation of the transient in the circuit of FIG. 1 (option without RC shunt circuits) with a load in the form of an induction heater 4 ms after the start of the conversion process. Here the voltage of the power source is U _BX = 300 V, the capacitance of the capacitors 3, 4 of the divider is 5 μF each, the capacitor is 5-1.25 μF, L _n = 64 μH, R _n = 2.2 Ohms, the duration of the pause between the control pulses is 1 μs, the repetition period of the control pulses is 50 μs (upper diagram) and 52.4 μs (lower).

В нижней части Фиг. 3 показаны токи в предлагаемом варианте, когда период следования импульсов управления совпадает с периодом собственных колебаний Т₀=52, 4 мкс, а в верхней - когда он задан принудительно равным Т=50 мкс. В предлагаемом варианте токовая нагрузка элементов преобразователя на интервалах коммутации существенно меньше (см. диаграммы «ток в DVT1» и «ток в DVT2», в обоих случаях временная пауза равна 1 мкс). В случае высокодобротной нагрузки (R_н=0,2 Ом) выигрыш предлагаемой полезной модели еще выше, см. диаграмму Фиг. 4.At the bottom of FIG. Figure 3 shows the currents in the proposed embodiment, when the repetition period of the control pulses coincides with the period of natural oscillations T ₀ = 52, 4 μs, and in the upper one when it is set forcibly equal to T = 50 μs. In the proposed embodiment, the current load of the converter elements at the switching intervals is significantly less (see the diagrams “current in DVT1” and “current in DVT2”, in both cases the time pause is 1 μs). In the case of a high-Q load (R _n = 0.2 Ω), the gain of the proposed utility model is even higher, see the diagram of FIG. four.

Таким образом, предложенная полезная модель обеспечивает существенное сокращение размеров преобразователя при сохранении его кпд и повышает выходную мощность в условиях автономной работы на изменяющуюся индуктивно-резистивную нагрузку, перемещаемую снаружи капсулы преобразователя на расстояние до 20 м.Thus, the proposed utility model provides a significant reduction in the size of the converter while maintaining its efficiency and increases the output power in the conditions of autonomous operation by a changing inductive-resistive load, which is moved outside the converter capsule by a distance of up to 20 m.

Источники информацииInformation sources

1. Б.Ю. Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. Солон-Р. М., 2001 г., 327 с.1. B.Yu. Semenov. Power electronics for amateurs and professionals. Solon-R. M., 2001, 327 p.

2. S. Yang, G. Castino. Резонансный преобразователь мощностью 500 Вт с частотой 100 кГц на МОП-транзисторах. http://irf.ru/pdf/articles/AN-965.pdf, с. 328.2. S. Yang, G. Castino. A 500 W resonant converter with a frequency of 100 kHz on MOS transistors. http://irf.ru/pdf/articles/AN-965.pdf, p. 328.

Claims

1. Half-bridge DC to AC converter, comprising two power transistors with counter diodes shunted by RC circuits and having a common point, a capacitive input voltage divider, an automatic power transistor control device, a series oscillatory circuit from an inductor and a capacitor, characterized in the fact that the inductor is made in the form of a winding of an induction heater located outside the housing and connected to it by a flexible line transmissions, with the ability to move up to 20 m from the case, and the automatic power transistor control device is an instantaneous load current sensor based on a current transformer with a half-wave rectifier and a cascade-connected amplitude signal voltage limiter to the output of which a threshold device with levels is connected off voltage u ₁ and u ₂ inclusions, and u ₁ <u ₂ <Vmax, where Vmax - voltage limit signal, in a yield of threshold devices are connected to the input sche trigger with switching by the transition event “1” → “0” and, through the delay link, the first inputs of two two-input logic elements “I”, the second inputs of which are connected to the paraphase outputs of the counting trigger, while the outputs of the logic elements “And” are connected to two inputs of the driver microcircuit driver transistors of the converter.

2. Half-bridge Converter according to claim 1, characterized in that the flexible transmission line is made in the form of N parallel connected flexible cables, where N≤5.