Устройство для управления тиристорным инвертором

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК 51) 4 Н 02 M 7/515

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К А ВТОРСКОМЪ(СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ (21) 4024382/24-07 (22) 19.02.86 (46) 23,08,88. Бюл. У 31 (71) Уфимский авиационный институт им. Серго Орджоникидзе (72) А.В.Иванов, А.М.Уржумсков, В.Д.Богомолов. н А.В.Шалагинов (53) 621.316.727(088.8) (56) Беркович Е.И. и др. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для злектротехнологических установок.

Л.: Энергия,. 1983, с.131-135.

Авторское свидетельство СССР

В 830628, кл. Н 02 M 7/515, 1979.. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЬЙ ИНВЕРТОРОМ (57) Изобретение относится K преобразовательной технике и может быть ис„„SU„„1418873 A1 польэовано при управлении ннверторами. Цель иэобретения - расширение функциональных воэможностей. Устройство содержит буферные запоминающие устройства 1 — 3, подключенные к реверсивным счетчикам 4 — 6, которые через элемент И 9 связаны с инвертором 10. Блок 13 сравнения, блок 14 задания мощности инвертора, цифровой блок 15 задания параметров технологического процесса и вычислительный блок 16 функционально объединены микроЭВМ 12. За счет введения трех буферных запоминающих устройств 1

3, трех реверсивных счетчиков 4 — 6, задающего генератора 7, RS-триггера

8 и элемента И 9 обеспечивается цифровая обработка информации. 7 ил.

1418873

Изобпетение относится к преобразовательной технике и может найти применение в системах управления по-, лупроводниковыми преобразонателями

«с частоты.

Цель изобретения — расширение функциональных возможностей устройства.

На фиг. 1 показана функциональная схема устройства; на фиг.2 — временные диаграммы работы устройства; на фиг.З вЂ” ocновной алгоритм работы микpo9RM; на фиг.4 — алгоритм подпрограммы частотного способа управления; на фиг.5 — алгоритм подпрограммы широтно-импульсного способа управления; на фиг.6 — алгоритм подпрограммы выключения инвертора; на фиг.7 — частотная характеристика Hà- 20 груэки.

Устройство содержит буферные запоминающие устройства 1 — 3 (ЗУ)

ЗУЗ), ренерсивные счетчики 4 — 6, задающий генератор 7, RS-триггер 8, 25 элемент И 9, иннертор 10, датчик 11 мошности иннертора, а также блоки, функционально объединенные микроЭВМ

12, блок 13 сравнения, блок )4 задания мощности инвертора, цифровой 30 блок 15 задания параметров технологического процесса, вычислительный блок 16, который содержит информационные входы 17 и 18, шину 19 данных и шину 20 разрешения записи, Устройство работает следующим об-. разом.

Датчик 11 мощности вырабатывает значение мощности инвертора 10 н цифровом коде (например, при помощи ана- 40 лого-цифрового преобразователя). Блок

13 сравнения сравнивает цифровые коды энаЧений мощности инвертора со значением заданной мощности но технологической программе работы инверто- 4

f ра, которая задается блоком 14 задания мощности, Последний мо:-ет представлять собой, например, устройство памяти, где записана технологическая программа работы инвертора — зависи50 мость мощности от времени t S=(j(t), или пульт управления оператора с устройством ввода-вывода информации (например, алфавитно-цифровым дисплеем) .

В том случае занисимос гь S=g(t) задается оператором вручную.

Цифровой код сигнала рассогласования с выгода блока 13 сравнения поступает на первый информационный вход

17 вычислительного блока 16. В блоке

15 хранятся значения исходных параметров технологического процесса, которые поступают на второй информационный нход 18 вычислительного блока 16 по сигналу обращения, поступающему из вычислительного блока по шине 20 разрешения записи на адресный вход блока 15 и представляющему собой адрес (цифровой код) соответствующей ячейке блока 15, где хранится требуемый параметр.

Вычислительный блок 16 по величине сигнала рассогласовывания на первом информационном входе 17, а также в занисимости от исходных параметров рассчитывает по заложенному н ием алгоритму три числа: F, N и К, которые заносятся по шине 19 данных в

ЗУ1-ЗУЗ. Значения F, N и К определяют способ управления инвертором.

В ЗУ1 эаписынается число F, определяющее частоту импульсов управления инвертором. B 3Y2 записывается число N определяющее длительность пачки (количество импульсов управления инвертором в пачке) при IIIHpoTHQ импульсном и частотно-импульсном способах управления. В ЗУЗ записынается число К, которое определяет период следования пачек.

Запись этих числе в ЗУ)-ЗУЗ осуществляется следующим образом. После расчета вычислительный блок )6 выдает на шину 20 разрешения записи адрес ЗУ), а затем на шину данных— число F, После записи F по указанному на шине 20 разрешения записи адресу, т ° е. н ЗУ1, число и адрес снимаются с шин, и на шину 20 разрешения записи выдаются адрес ЗУЗ и число N, затем аналогичным образом в

ЗУ3 записывается число К.

По шине 20 разрешения записи также происходит обращение к датчику ll мощности для .считывания цифрового кода значения мощности инвертора, который поступает на первый цифровой вход блока 13 сравнения, а также обращение к блоку 15 для считывания значений исходных параметров техпроцесса.

Частота работы иннертора определяется иэ числа F следующим образом.

По сигналу синхронизации выхода реверсивного счетчика 4 число F загружается н счетчик 4, На нычитающий вход счетчика 4 постоянно поступа т

1418873

В счетчик 6 загружается число К из ЗУЗ. На вычитающий вход счетчика 6 40 также поступают импульсы управления инвертором Q 4. При 1 !ИМ и 1НМ должно ыть K U, После отсчета К импульсов управления инвертором на выходе счетчика 6 появляется импульс 0 6, кото- 45 рый поступает на вход R-триггера 8, возвращая сигнал О 8 в единичное состояние. После этого импульсы управления 1 4 вновь проходят на инвертор

10 через элемент И 9. Так начинается новая пачка импульсов. Синхронизация счетчиков 5 и 6 производится импульсами Q 6, импульсы задающего генератора 7, работающего на постоянной частоте. С приходом каждого из этих импульсов числа F в счетчике 4 уменьшается на единицу. После прихода F импульсов задающего генератора 7 на выходе счетчика 4 появляется выходной импульс последовательности Q 4 (фиг.2), который через элемент И 9 поступает 10 на инвертор 10. Таким образом, число

F определяет период следования импульсов управления инвертором 10 (т.е. частоту его работы). Кроме того, после отсчета F импульсов ис- 15 точника 7 импульс Q 4 поступает на вход С счетчика 4, тем самым загру-. жая в него новое число F.

Количество импульсов в пачке при

ШИМ- и ЧЯЧ-управлении определяется 20 из числа N следующим образом. По сигналу синхронизации С счетчика 5 число N загружается в счетчик 5 из ЗУ2.

На вычитающий вход счетчика 5 поступают импульсы управления инвертором 25 с выхода счетчика 4, После отсчета

N импульсов Q 4 на выходе счетчика 5 появляется импульс 11 5, который устанавливает RS-триггер 8 по входу S в состояние логической единицы. На 30 инверсном выходе триггера 8 появляется сигнал низкого уровня Q 8, который поступает на второй вход элемента

И 9, тем самым блокируя прохождение импульсов управления Q 4 на инвертор, Так формируются окончание пачки импульсов и начало паузы.

Таким образом, частотный метод управления реализуется при N > К и F

= ar (переменной величине), т.е. при отсутствии пауз и переменной частоте импульсов управления инвертором.

111иротно-импульсный метод реализуется при N < К, N = const, N=var, F=const т.е, при постоянном периоде следования пачек и переменной длительности пачки импульсов с постоянной частотой.

Частотно-импульсный метод реализуется при N < К, К=чаг, N=const, F

=const, т.е. при постоянной длительности пачки и переменном периоде их следования.

МикроЭВМ 12 содержит блок 13 сравнения, блок 14 задания мощности, цифровой блок 15 задания параметров и вычислительный блок 16.

Алгоритм работы микроЭВМ составлен для управления резонансным инвертором, работающим на нагрузку, представляющую собой параллельный LC-контур, используемый при индукционном нагреве, регулирование мощности в котором может осуществляться частотным, широтно-импульсным и частотно-импульсным способами.

Частотная характеристика такой нагрузки показана на фиг.7, где S —мощность, потребляемая нагрузкой; f частота работы инвертора.

Программа состоит из основной программы (фиг.3) и четырех подпрограмм: частотного регулирования (фиг.4), широтно-импульсного регулирования (фиг.5), частотно-импульсного регулирования и выключения (фиг.6).

После инициализации программа (фиг,3) выдает на устройство вводавывода информации микроЭВМ (например, дисплей) запрос на ввод исходных данных, где Р MMH число, записываемое в ЭУ1, соответствующее минимальной частоте работы инвертора (f „,цд, фиг.7), при которой можно производить

pro пуск; F „ — число, соответствующее максимально допустимой частоте работы инвертора, при которой энергетические и временные соотношения в схеме последнего находятся в допустимых пределах. Частота f «c, соответствующая Svaxe может быть как больше, так и меньше f р . При работе на резонансную нагрузку обычно выбирают f zq f рез ° S gIIn минимально допустимая мощнос гь инвертора, при которой целесообразно частотное регулирование мощности. При S c S >,Д (фиг.7) выходная мощность иивертора начинает слабо зависеть от частоты

50

5 и значения мощности S с Я,м оказы— мия

BBMT<:ÿ при частотном способе недостижимь!ми. Поэтому здесь лу ппе переходить к ШИ1-(или ЧИМ)-управлению, подавая на инвертор пачки импульсов, на частоте, соответствующей S4,!„или меньше. Изменяя длительность пачек или частоту следования, можно получить большую глубину регулирования мощности (пунктирная линия, фиг.7). При

Я „ также возможно выключение ин мuí вертора.

БМ „с — максимально допустимая мощность инвертора, выбираемая из энергетических соображений. Может быть как больше, так и меньше S или как больше, так и меньше мощности соответствующей

1 <„„ — MHHHMально допустимое чис— ло импульсов в пачке при IIIHM-регулировании. Критерии выбора N äi< îòсутствуют (кроме 0 (N с?<1 ), N м„„ — максимально допустимое число импульсов в пачке при 1!1ИМ-ре- 25 гулировании оПределяется исходя из инерционности нагрузки.

Программа построена таким образом, что максимальи!й период повторения пачек импУльсов К макс(Рав Nìàêñ 30 поэтому это число выбирают таким, чтобы при максимальном периоде повторения пачек импульсов управления инвертором, контролируемый технолоГический параметр например темпера тура в нагрузке, не успевала заметно уменьшиться за время паузы между пачками.

ЛР используется в подпрограмме выключения инвертора. Представляет собой интервалы уменьшения частоты работы инвертора для постепенного снижения мощности ниже SIC!!ii, при которой производится выключение инвертора. Введение Л F обуславливается 45 тем, что существуют нагрузки, не допускающие резкого снижения мощности (например, при варке оптического стекла в вольфрамовых тиглях). Остывание нагреваемого тела в такой нагрузке должно вестись постепенно, при постепенном умень!

Закон изменения заданной мощности во времени S „„= ? () — программа

TexHnëîãè÷åñêîãî процесса. Задается исходя из конкретного применения и требований нагрузки в виде таблицы, так и анап!!тически, например в виде много

87Э 6 с!.о коэффициенты) . Формула многочлена в этом случае используется непосредственно в теле программы, Показатель инерционности нагруэки— в зависимости от его значения псуществляется переход к 111ИМ- или ЧИМуправле!!ию при Я с Я „. Если нагрузка инерционная, т.е. эа максимальнь!й период следования пачек импульсов температура в нагрузке (или другой технологический параметр) значительно не меняется, возможно ЧИ1-управление. Если нагрузка слабоинерционна, целесообразно Ц?И1-управление, при котором период следования пачек импульсов фиксирован.

Например, исходные данные в память микроЭВМ введены. После ввода исходных данных в ЗУI загружается число F соответствующее в ЗУ2 и ЗУЗ загружаются числа N

N»„,, К = N„ « . При этом реализуется частотный способ управления, так как период следования пачек К равен длительности пачки N.

Затем происходит пуск инвертора на частоте f„„„ и расчет заданной мощности по аналитической зависимости Я „ = ц() или выбор соответствующего значения мощности иэ введенной таблицы. То и другое называют расч етом S»„. Я !а « сравнивается с

Б4,„и, если S » с S „,„, происходит переход на импульсное регулирование (1?1И?! или ЧИМ) с формированием соответствую!!его признака и, если требуется, выдачей сообщения °

ECJIH 5 4 С, а<<, ПРОИСХОДИТ ПЕРЕход к подпрограмме частотного управления (фиг.4), работа которой начинается с опроса датчика мощности и ввода считанного значения мощности

S, н память микроЭВМ. Вычисляется

< рассогласование O =-S! -Б з и при l =0 формируется признак выхода на режим, т.е. выходная мощность инвертора S.

1 со отв е тс тв ует заданной S „ < и осуществляется выход из подпрограммы. При д О вычисляется новое значение

Это вычисление лучше всего производить по закону пропорционально-интег?<аль но-дифференциального (ПИД) регу!!ирования как наиболее универсальному.

Коз!

1418873 тора.

Поскольку система цифрового управления мощностью от микро-ЭВМ являет45 ся синхронной, все действия в ней выполняются последовательно.

Эта последовательность может быть, а например, следующей.

МикроЭВМ 12 выдает адрес датчика

11 мощности на лину 20 адресов и считывает данные с его выхода через шину 19 данных. Работа датчика мощности может быть при этом как синхрон55 ной так и асинхронной — измерения могут производиться как по команде микроЭВМ, так и непрерывно, отслеживая изменения мощности в инверторе.

МикроЭВМ 12 производит сравнение счипрен пченин F; Р„„„„ формируется приз нак возможности достижения Б,,„А при заданных параметрах и осуществляется выход из подпрограммы. Здесь осуществляется проверка S,„ S„ в случае превышения рассчитанной мощности S„„ä над введенной S „,, также производится выход из подпрограммы. В случае нахождения F u S „ в установленных пределах производится запись

F. в ЗУ1. Затем производится провер1 ка на достижение резонанса. Если вычисленное значение F, больше преды1 . дущего Fi >, т.е. частота увеличивается, а S, (S; „, т,е. мощность падает, это значит, что превышена резонансная частота нагрузки. Работа резонансного инвертора в таком режиме нежелательна и, кроме того, S д дальнейшим увеличением частоты достичь не удается, поэтому при выполнении условий F. (F,,и S- c S ., формируется признак достижения резонанса при S; S3 А и осуществляется выход из подпрограммы. Если

S v S. это означает, что при воз"I i- t растании частоты возрастает мощность, т.е. частота работы инвертора меньше <ре> происходит переход на считывание с датчика нового значения S....

Рассмотрим работу основной программы (фиг.3) в случае, когда Я ад меньше, чем S>,„. При этом целесообразен переход к импульсному регулированию. При невыполнении условия

S1а* ) Бдоп формируется приз ак перехода на импульсное регулирование.

Если нагрузка инерционная, осу.цествляется переход к подпрограмме ЧИМрегулирования (фиг.5) .

После входа в подпрограмму осуществляются считывание значения мощности S. с датчика и запись его в

i память микроЭВМ. Затем вычисляется значение N,— ÷èñëà импульсов в пачке.

Если =0, формируется признак выход на режим и производится выход из под программы. При д Ф 0 после расчета происходит сравнение N. с введенным

1 значением N „д„ вЂ” минимально допустимым числом импульсов в пачке. При

N > N происходит переход на на1 мин чало подпрограммы (так как Я,„, еще не достигнуто), в противном случае формируется признак невозможности до .тижения S („А и осуществляется выход из подпрограммы. Поскольку вход в подпрограмму осуществляется при снижении частоты инвертора до значения, соответствующего Sz,„ и F, в подпрограмме ИП1М не меняется. то частота импульсов в пачке равна частоте, соответствующей Вд,„ при частотном управлении. В зависимости от S „ из10 меняется длительность пачки N.

Подпрограмма ЧИМ-управления анало, гична подпрограмме ШИМ с тем отличием, что вместо N . в ней вычисляется

К., т.е. в зависимости от Sz < изме15 няется период следования пачек К.

Рассмотрим работу основной программы в зависимости от формирования различных признаков.

При формировании признака достижения резонанса при S.(S, происходит переход на подпрограмму выключения, поскольку дальнейшая работа инвертора бесполезна. При этом признак формируется только при частотном способе управления, поскольку при ЧИМ и ШИМуправлении работа ведется на частоте, заведомо меньшей f<< То же самое происходит при формировании признака невозможности достижения S при заданных параметрах, это означает, что исходные данные выбраны неверно.

При формировании признака выхода на режим, т.е. при достижении мощностью в нагрузке заданного значения, 35 происходит переход на вычисление нового значения S д .

В подпрограмме выключения (фиг.б) происходит постепенное снижение час40 тоты работы ступенями до тех пор, пока мощность не станет равной Я А», после чего происходит останов инвер1418873 танного значения мощности с программно-заданным и, исходя иэ величины рассогласования и рассмотренного алгоритма, определяет числа F, М и К.МикроЭВМ 12 выдает последовательно адре5 са ЗУ1 — ЗУЗ на шину адресов и осуществляет запись чисел F, N и К в соответствующие ЗУ, Счетчик 4 начинает отсчет F им- 10 пульсов задающего генератора 7, а счетчики 5 и 6 - отсчет N и К импульсов соответственно счетчика 4.

По окончании счета К импульсов последовательности Q 4 производится следующее считывание значения мощности инвертора. 10 с выхода датчика

11 мощности, по которому микроЭВМ 12

1 определяет новые значения чисел F

ЯиК, 20

Для обеспечения достаточного быстродействия системы необходимо, чтобы операции по измерению мощности инвертора и определению чисел F, N u

К производились за время, не превы- 25 шающее период повторения импульсов

Q 4, что при частоте работы инвертора до 20 кГц легко осуществимо.

Укаэанный алгоритм является одним из примеров реализации различных спо- 30 собов управления инвертором, которые может осуществлять предлагаемое устройство. Например, при жестких требованиях к КПД инвертора и надежности его работы в устройстве возможен способ регулирования выходной мощности инвертора, когда инвертор работает в течение пачки на частоте fð 3, а включение после паузы и выключение производятся на частоте f«„. Такой 40 метод применим лишь для инерционных нагрузок, поскольку нарастание частоты от й„,ц„ до Ег в начале пачки и спад ее от f pq3 до f „„„занимают некоторое время, а время работы на 45

fpz> должно хотя бы на порядок превышать суммарное время включения и выключения для того, чтобы проявилось преимущество высокого КПД на

Е э . Поэтому такой метод регулирования удобно реализовать ц виде подпрограммы основного алгоритма по фиг.2 вместо подпрограммы ЧИМ. ( формула изобретения

Устройство для управления тиристорным инвер тором, содержащее эадающий генератор, элемент И, выход которого предназначен для подключения к управляющему входу инвертора, датчик мощности инвертора, выход которого подключен к первому входу блока сравнения, к второму входу которого подключен выход блока задания мощности инвертора, о т л и ч а ю щ е— е с я тем, что, с целью расширения функциональных воэможностей, оно снабжено тремя буферными запоминающими устройствами, тремя двоично-десятичными реверсивными счетчиками, RS-триггерами, цифровым блоком задания параметров технологического процесса и вычислительным блоком с шиной данных и шиной разрешения записи данных, который функционирует согласно программам, причем цифровой выход датчика мощности инвертора подключен к первому цифровому входу блока сравнения, к второму цифровому входу которого подключен цифровой выход блока задания мощности инвертора, цифровой выход блока сравнения подключен к первому информационному входу вычислительного блока, к второму информационному блоку которого подключен выход цифрового блока задания параметров технологического процесса, шина данных вычислительного блока подключена к информационным входам с первого по третий буферных запоминающих устройств, шина разрешения записи подключена к адресньк входам первого, второго и третьего буферных запоминающих устройств, датчика мощности и блока памяти, цифровые выходы с первого по третий буферных запоминающих устройств подключены соответственно к входам начальной установки с первого по третий реверсивных счетчиков, выход задающего генератора подключен к вычитающему входу первого счетчика, младший выходной разряд которого подключен к первому входу элемента И, входу синхронизации первого счетчика и вычитающим входам второго и третьего счетчиков, младший выходной разряд второго счетчика подключен к S-входу триггера, младший выходной разряд третьего счетчика подключен к вхоцам гинхрониэации второго и третьегп сче; л ов и K-входу триггера, инверсний вихоч которого подключен к в то рог у я х рггу элемента И.

1/i18873

//os//o

ddod и//од- Аии, /v rerv, Ме, Jwvr, йнин, /уненл, вГ

Малой изнлнлнил Лмо-//С)

/)опоганите инориионноо и не оуони

ЖРщюа и ° «анс н ю ° и нане >)//, J+ os пуан

uwdopmopn жцаниро анис прионом перила на ию7улэонос

pttgsupodoeuo

pgcvt/и

Юмов,// ) Мм йа ргуянм lo

uuvpV uouvoo

npo vapo/v tv// /)роеранна у/ll/v чин

Нет

ММп фюфмнна

/по/пно/о у раАтгнЮ

«цн

Да

/)роуронна

Ыллю ие нил аланоона

u+drpmopo

Ронои

da яо<рлс й/п

Lf

end)v j пап д рнироуониг приянана

Аьлоуа на робин дррниройи//г признана аост лнил ргмнан при 5 $)vd

ФорнироВание приэнана «odom» mu kemuwvwug Svиа

1418873

1418873 нин

Сос тавитель В . Бунаков

Редактор А.Козориз Техред М.Хода.нич Корректор В.Романенко

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Фиг. Ю

9рз

3Рап

5иин

Заказ 4165/54 Тираж 665 Подписи о е реэ

Ди. 7