Способ управления тиристорным последовательно-параллельным резонансным мостовым инвертором

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях повьшенной частоты для питания различных электротехнологических установок, в частности установок индукционного нагрева. Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей, снижение установленной мощности силового оборудования инвертора. Параллельный колебательный контур нагрузки настраивают в резонанс на выходной частоте инвертора и питают . импульсами тока. Длительность импульсов тока задают равной интервалу, при котором обеспечивается максимальное использование тиристоров по току. Задают период включения тиристоров , равным нечетному числу периодов (но не менее трех) колебаний напряжения на нагрузке, т.е. коммутация тиристоров осуществляется с частотой в несколько раз ниже выходной частоты инвертора. Импульсы управления на тиристоры подают со сдвигом относительно момента прохождения -.напряжения на нагрузке через нуль на интервал, равный интервалу сдвига гармонической составляющей тока нагрузки , с частотой, равной выходной частоте инвертора относительно начала импульсов тока, обеспечивая максимальный коэффициент мощности -инвертора . Для этого в момент равенств,а количества переходов напряжения на нагрузке через нуль числу периодов колебания напряжения на нагрузке в заданном периоде включения тиристоров формируют импульс .и с заданной задержкой подают на тиристоры. Одновременно с процессом формирования импульсов управления нёпрерьтно измеряют мгновенные значения напряжений на тиристорах противоположных диагоналей инверторного моста. В момент достижения напряжением на тиристорах предельно допустимого уровня уменьшают период включения тиристоров. При достижении напряжения на запирающихся тиристорах в момент включения тиристоров противоположной диагонали инверторного моста уровня опорного напряжения увеличивают период включения тиристоров. Этим обеспечивают поддержание допустимого уровня напряжения на последовательном коммутирующем конденсаторе и времени, предоставляемого тиристорам . для восстановления их запирающих свойств, достаточной величины. Контроль режимов работы тиристоров по току и напряжению приводит к уменьшению номинальных значений параметров силового оборудования инвертора, за счет чего достигается поставленная цель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. с 5S (Л 4 О) i

союз совктсних социалистических

РБСГВБЛИН. (51) 4 Н 02 М 7/48

3,(Лай 5

ПЦцт.,::-;

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТИРЫТИЯМ пРи Гннт сссР (21) 4295083/24-07 (22) 11.08..87 (46) 23.03.89. Бюл. Р 11 (71) Днепропетровский горный институт им. Артема (72) Г,Г.Пивняк, С.И.Выпанасенко, П.И.Швец, Е.И.Беркович и И.И.Пресманн (53) 621.316.727($88.8) (56) Патент ФРГ У 2541712, кл. Н 02 М 5/44, 1979.

Авторское свидетельство СССР

У 983975, кл. Н 02 М 7/48, 1982, (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМ

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ РЕЗОНАНСНЫМ МОСТОВЫМ HHBEPTOPON (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях повышенной частоты для питания различных электротехнологических установок, в частности установок индукционного нагрева. Цель изобретения — улучшение массогабаритных показателей, снижение установленной мощности силового оборудования инвертора. Параллельный колебательный контур нагрузки настраивают в резонанс на выходной частоте инвертора и питают .импульсами тока. Длительность импульсов тока задают равной интервалу, при котором обеспечивается максимальное использование тиристоров по току. Задают период включения тиристоров, равным нечетному числу периодов (но не менее трех) колебаний напряжения на нагрузке, т.е. коммутация тиристоров осуществляется с частотой в несколько раз ниже выходной частоты инвертора. Импульсы управления на тиристоры подают со сдвигом относительно момента прохождения ..наÄÄSUÄÄ 1467 14 А1 пряжения на нагрузке через нуль на интервал, равный интервалу сдвига гармонической составляющей тока нагрузки, с частотой, равной выходной частоте инвертора относительно начала импульсов тока, обеспечивая максимальный коэффициент мощности инвертора. Ппя этого в момент равенства количества переходов напряжения на нагрузке через нуль числу периодов колебания напряжения на нагрузке в заданном периоде включения тиристоров формируют импульс .и с заданной задержкой подают на тиристоры. Одновременно с процессом формирования импульсов управления непрерывно измеряcb ют мгновенные значения напряжений на тиристорах противоположных диагоналей инверторного моста. В момент достижения напряжением на тиристорах С предельно допустимого уровня уменьшают период включения тиристоров. При 2 достижении напряжения на запирающихся тиристорах в момент включения тиЪ ристоров противоположной диагонали 4 инверторного моста уровня опорного напряжения увеличивают период включения тиристоров. Этим обеспечивают м,) поддержание допустимого уровня напряжения на последовательном коммутирующем конденсаторе и времени, предоставляемого тиристорам . для восстановления их запирающих свойств, достаточной величины. Контроль режимов работы тиристоров по току и напряжению ) приводит к уменьшению номинальных Ь значений параметров силового .оборудования инвертора, за счет чего достигается поставленная цель, 1 э.п. ф-лы, 4 ил.

1467714

Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано в преобразователях по5 вышенной частоты для питания различных электротехнических установок.

Цель изобретения — улучшение массогабаритных показателей путем снижения установленной мощности силового 10 оборудования инвертора.

На фиг.1 приведена схема инвертора и блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 — диаграммы работы инвертора, на фиг.3 — зависи- l5 мости относительных значений гармонических составляющих тока нагрузки от угла проводимости тиристоров, на фиг.4 — зависимости начальных фаз гармонических составляющих тока на- 29 грузки от угла проводимости тиристоров.

Инвертор (фиг.1) содержит реактор

1, включенный в цепь постоянного.тока, инверторный мост, собранный на 25 тиристорах 2-5, коммутирующий конденсатор 6, включенный в диагональ переменного тока инверторного моста последовательно с колебательным контуром

7 нагрузки и параллельно включенного 30 компенсирующего конденсатора 8, и блок 9 управления.

В состав блока 9, входят задатчики 10-12, узел 13 формирования и распределения импульсов управления, выходом соединенный с управляющими, электродами тиристоров 2-5, узел 14 коммутации сигналов по времени с двумя аналоговыми входами, соединенными, с датчиками напряжения на тиристорах 40

2, 5 противоположных диагоналей инверторного моста, компараторы 15-17, узел 18 формирования интервала между импульсами тока нагрузки с двумя входами, счетчик 19 и узел 20 сдвига импульсов, .причем задатчик 10 выходом подключен :к первому входу компаратора 15, второй вход которого соединен с датчиком напряжения на тиристоре 2, задатчик 11 выходом подключен к первому входу компаратора 16, второй вход которого подключен к выходу узла 14, выход компаратора 16 подключен к первому входу узла 18, на вто- рой вход которого подключен выход компаратора 15, а выход узла 18 подключен на вход задания счетчика 19, счетный вход которого подключен к выходу компаратора 17 с нулевой мерой, вход которого подключен к датчику напряжения на нагрузке. Выход счетчика 19 соединен с входом узла

20, выход которого подключен к входу узла 13. Узел 13 соединен с входом управления узла 14 и входом сброса счетчика 19.

Работа инвертора осуществляется попарным включением тиристоров 2-5 по сигналам от блока 9. При включении очередной пары тиристоров, например

2 и 4 (момент tq, фиг.2), через реактор 1, конденсатор 6 и параллельный колебательный контур 7 начинает протекать ток, имеющий форму синусои" дального импульса, длительность которого зависит от параметров элементов токопроводящей цепи. Этим импульсом тока осуществляют подпитку колебательного контура 7; Последовательность импульсов составляет ток нагрузки „ (фиг.2). 3а время протекания импульса тока дн (интервал t -ty) конденсатор 6 перезаряжается. К тиристорам 2 .-и 4 прикладывается обратное напряжение и они выключаются. На интервале паузы тока 1н (ta tg) в контуре 7 осуществляется обмен запасенной энергией между реактивными элементами (индуктивностью нагрузки и компенсирующим конденсатором 8) и происходит колебательный процесс.

По истечении половины периода включения тиристоров включают следую-. щую пару тиристоров 3 и 5 (момент з). Ток i> меняет свое направление.

В дальнейшем процессы повторяются.

Резонансную частоту параллельного колебательного контура 7 задают равной или близкой к выходной частоте инвертора fq, а период включения тиристоров Т вЂ” равным нечетному числу периодов Т колебаний напряжения Uq на нагрузке, превышающему единицу.

Это позволяет осуществить умножение выходной частоты в и раз по отношению к частоте включения тиристоров (и — нечетные числа, причем п ) 1, 1у = .1/T ). Ток нагрузки инвертора помимо основной гармонической составляющей с частотой, равной частоте

f содержит высшие гармоники с частотами, превышающими частоту fq .в п раз. Напряжение на нагрузке также содержит гармонические составляющие, соответствующие гармоникам тока нагрузки, Так . как резонансная частота контура 7 равна или близка к частоте з 14677 одной из высших гармонических составляющих тока in, то амплитуда соответствующей гармоники напряжения сущест-, венно превышает амплитуды других гар- моник, т.е. уровень соответствующей

5 гармоники напряжения является преобладающ м. Выходная частота fн инвертора равна частоте указанной гармоники напряжения.

Уровень гармонических составляющих тока i< существенно зависит от угла проводимости тиристоров 3, пропорционального длительности tp (фиг.2) синусоидальных импульсов тока n HB . фиг.З приведены зависимэсти отношения действующего значения тока и-й гармоники Inn к среднему значению тока источника питания Тс1 (K n = I n /Ig ) от угла проводимости, рассчитанно- 20 го на частоте включения тиристоров

fg = fg/p (З = 2I

Т„ „ yon максимально. При этом пользуются зависимостью н.п.ррп (пв4эМ -40

= Kn (n fq tn) x Тт.сс.дои (f t<)/2

Здесь учтено, что ?т ср = Id/2

Для обеспечения максимального коэффициента мощности нагрузки необходимо, чтобы гармоника тока inn нагрузки, равная.по частоте с выходным напряжением Ug совпадала а ним по фазе. Поэтому интервал между моментом t подачи импульса управления ig и моментом прохождения напряжения Uq через нуль задают равным интервалу сдвига указанной и-й гармонической составляющей тока in относительно момента t включения тиристора (ин° тервал tc, фиг.2). На фиг.4 показаны зависимости начальных фаз Ч п гармоник тока iq от угла Я проводимости тиристоров, полученные в результате разложения тока iz в вяд Фурье. По заданным tn и и определяют и соот14 4 ветствующее значение ф„ . Значение

tc. находят иэ зависимости

= 20fwtс

Если полученное значение t отри-. цательно, то импульсы i> подают с опережением относительно момента перехода напряжения Ug через нуль, а, если tc положительно — с запаздыванием. Сдвиг импульсов i относительно момента прохождения напряжения Un через нуль осуществляют в блоке 9, реализуя задержку с, формирования импульса управления, равную tqo

= T„/2 + tc, если t (0 или t а если tc > О.

Время, представляемое тиристором для восстановления их запирающих свойств tyan (фиг.2), зависит от режимов работы инвертора. Время t pan максимально и превышает период колебаний напряжения Ug если на интервале С -С паузы тока in напряжение U« на конденсаторе 6 превышает сумму напряжений источника питания и нагрузки

Бск > U + Ед. (1)

Режим максимальной мощности в нагрузке обеспечивают при минимальной добротности колебательного контура 7.

При этом резонансную частоту контура 7 обеспечивают равной выходной частоте инвертора, а период Т включения тиристоров — равным трем периодам Тц колебаний напряжения U q. Напряжение и токи в инверторе в этом режиме максимальны. По их значениям осуществляют выбор номинальных параметров силового оборудования инвертора. Кроме того, выбор номинального значения индуктивности реактора l осуществляют из условия установления длительности tn импульсов тока при которой обеспечивается максимальное использование тиристоров по току.

В этом режиме обеспечивают максимальное значение Е gnÄ, соблюдая условие (1) для максимальных значений напряжения Бс„,с,дкс на конденсаторе 6 и напряжения Ин.макс на нагрузке (UcK.иакс. ) Ед + Пн макс.)э причем

Бс.„,скс незначительно (на 10...20 В) превышает указанную сумму.

С увеличением добротности контура

7 ток in уменьшается. При этом уменьшается напряжение Уск и условие (1) нарушается. Угол эапирания тиристоров уменьшается (уменьшается t „ ), однако устойчивость инвертирования снижается незначительно, так как с

5 14 уменьшением тока тиристоров их время выключения уыеньшается. Скачкообразное уменьшение t. ад происходит, когда напряжение U на запирающихся тиристорах в момент t> включения тиристоров противоположной диагонали инверторного моста, становится равным нулю (Ul «> = О, фиг. 2) . Для исключения такого режима формируют сигнал, процорциональный опорному напряжению, сравнивают с сигналом, пропорциональным напряжению Uy на запирающих тиристорах в мамент включения тиристоров противоположной диагонали, и, если;первый сигнал становится больша второго, период Ть увеличивают на два периода T„. При этом время заряда конденсатора 6 увеличивается, растет напряжение Бак, напряжение Пт отрицательной полярности на запирающихся тиристорах возрастает и скачкообразного уменьшения узап не происходит

Управление по указанному алгоритму осуществляет блок 9 (фиг.1). При увеличении периода Т включения тиристоров (переходе на следующую ступень умножения частоты) напряжение U „ не превышает предельного значения

Uc <, с . При увеличении периода Т по известному способу напряжение Ьск достигает большего значения, чем по предлагаемому способу управления, так как в момент, предшествующий увеличеййю периода, условие (1) выполняется, С уменьшением добротности контура 7 ток i растет и напряжения Ucq и Ul увеличиваются. В момент, когда напряжение Ul достигает своего предельного значения Ут.аакс период Тз уменьшаю на два периода Т . Для этого формируют сигнал, пропорционапьный напряжению П «,, сравнивают его с сигналом, пропорциональным мгновенному значению напряжения Uy и, если второй сигнал достигает уровня первого, уменьшают период Ò включения тиристоров. При этом уменьшается время .заряда конденсатора б, что приводит к снижению напряжений Оск и U, Таким образом, при изменении добротности контура 7 нагрузки напряжения на коммутирующем конденсаторе 6 Бск и тиристорах 2-5 Uz инвертора не превышают предельных значений Бск.макс.

Ul. ма кс

Способ реализуется блоком 9 управления. Задатчиком 10 формируют аналоговый сигнал, пропорциональный пре67714 6 дельно допустимому значению напряжения на тиристорах, а задатчиком 11 пропорциональный опорному напряжению.

Задатчиком 12 устанавливают расчетную длительность задержки формирования импульсов ужравления ° Запуск инвертора производится от одиночного импульса, формируемого узлом 13 в момент

1О подачи сигнала на включение инвертора, и осуществляют при минимальном периоде Т, который устанавливают равным трем периодам Тн. Формирование периода Тб осуществляют с помощью узла 18, который задает интервал t< †. t между импульсами тока iq, выраженный количеством переходов напряжения Ug через нуль таким образом, что число переходов через нуль s этом интервале соответствует числу периодов Тц в заданном периоде Ть. Цифровой сигнал с выхода узла 18 поступает на вход задания счетчика 19.

Определение моментов перехода на25 нряжения U> через нуль осуществляют при помощи компаратора 17 с нулевой мерой,.на вход которого подают анало говый сигнал с датчика напряжения на нагрузке. Импульсы с выхода компараЗ0 тора 17.поступают на счетный вход счетчика 19, который производит подсчет количества импульсов, что соответствует количеству переходов напряжения Uq через нуль, и при достиже35 нии их чнсла равного числу заданноУ 9 му узлом 18, на выходе счетчик 19 формирует импульс. Этот импульс через узел 20 с задержкой, устанавливаемой ,задатчиком 12, поступает на вход уз40 ла 13, который формирует импульс упРавления и распределяет на тиристоры инверторного моста. При формировании управляющего импульса узел 13 подает сигнал на обнуление счетчика 19, 45 после чего пРоцесс повторяется.

Ф

Одновременно с процессом формиро-! вания импульсов управления непрерывно измеряют мгновенные значения напряжения Uy на тиристорах 2, 5 противоположных диагоналей инверторного моста. Аналоговые сигналы, пропорциональные этим напряжениям, подают на входы узла 14 и один из них на вход компаратора 15. В компараторе 15

55 сравнивают сигнал с сигналом аналогового задатчика 10. В момент их равенства на выходе компаратора 15 фор.мируется импульс, который поступает на первый вход узла 18. По этому им1467714

Формула изобретения

1. Способ управления тиристорным последовательно-параллельным,резонансным мостовым инвертором с параллельным колебательным контуром нагрузки, имеющим резонансную частоту, равную или близкую к выходной частоте инвертора в режиме питания его импульсами тока заданной длительности, заключающийся в том, что задают период включения тиристоров равным нечетному числу периодов, не менее трех колебаний напряжения на нагрузке, формируют импульсы управления и момент подачи их на тиристоры производят с эадерж" кой относительно момента прохождения напряжения на нагрузке через нуль, отличающийся тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей путем снижения установленной мощности силового оборудования мостового инвертора, длительность импульсов тока задают равной интервалу, при котором обеспечивается максимальное использование тиристоров по току, интервал между моментом подачи импульса управления на тиристоры и моментом прохождения напряжения на нагрузке через нуль задают равным интервалу сдвига гармонической составпульсу узел 18 уменьшает величину выходного цифрового сигнала на два, т.е. уменьшает величину задания счетчика 19 на два, что соответствует уменьшению периода Те на два перио-. да. Т . В момент формирования импульса управления узел 13 подает сигнал на вход управления узла 14. При этом на время действия сигнала на выход узла 14 передается один из сигналов, поступающих на его входы, имеющий от-. рицательную полярность, который затем поступает на вход компаратора 16. В компараторе 16 сравнивают этот сигнал с аналоговым сигналом эадатчика

11. В момент их равенства на выходе компаратора 16 формируется импульс, который поступает -на второй вход узла 18. По этому импульсу узел 18 уве-20 личивает величину задания счетчика

19 на два. ляющей тока нагрузки с частотой, равной входной частоте мостового инвертора относительно начала импульса тока, измеряют мгновенные значения напряжений на тиристорах мостового инвертора, формируют сигнал, пропорциональный опорному напряжению, сравнивают его с сигналом, пропорциональным мгновенному значению напряжения на запирающихся тиристорах в момент включения тиристоров противоположной диагонали инвертора, и, если сигнал, пропорциональный опорному напряжению, больше сигнала, пропорционального

I мгновенному значению напряжения, период включения тиристоров увеличивают на два периода колебаний напряжения на нагрузке, формируют сигнал, пропорциональный предельно допустимому значению напряжения на тиристорах, сравнивают его с сигналом, пропорциональным мгновенному значению напряженич на тиристорах, и, если сигнал, пропорциональный мгновенному значению на тиристорах, достигает уровня сигнала, пропорционального предельно допустимому значению напряжения на тиристорах, период включения тиристоров уменьшают на два периода колебаний напряжения на нагрузке, 2. Способ по п.1, о т л и ч а ю— шийся тем, что задают длительность задержки формирования импульсов управления, равной сумме длительности полупериода колебаний напряжения на нагрузке и интервала сдвига и-гармонической составляющей относительно момента включения тиристора в случае, если интервал сдвига и-гармонической составляющей меньше нуля, и равной интервалу сдвига и-гармонической составляющей в случае, если интервал сдвига и-гармонической составляющей больше нуля, измеряют количество переходов напряжения на нагрузке через нуль с момента очередного включения тиристоров, сравнивают его с числом периодов колебаний напряжения на нагрузке в заданном периоде включения тиристоров и в момент их равенства формируют импульс управления с заданной длительностью задержки.

14677> 4

1467714

1.0

Ю .ЧО 1Ю Я, грод

Фиа 3

Составитель И.Амельченко

Техред Л.Сердюкова Корректор M.Ïîæo

Редактор Л. Зайцева

Заказ.1209/53 Тираж 645 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101