Способ управления последовательным резонансным инвертором напряжения с диодами встречного тока

 

В способе управления последовательным резонансным инвертором напря1кШЙй с диодами встречного тока осуществляют стабилизацию амплитуды переменной составляющей напряжения на коммутирующем конденсаторе последовательного колебательного контура инвертора, Для это-, го в моменты перехода выходного ftfka ин - вертора через нуль запоминают сигнал абсолютной величины амплитуды переменной составляющей напряжения на этом конденсаторе , вычитают из негр сигнал задания и разностный сигнал преобразуют в пропорционально-интегральный и суммируют его с корректирующим сигналом, пропорциональным напряжению нагрузки инвертора. 2 ил. (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (si)s Н 02 M 7/48

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

2 (21) 4694633/07 (22) 24.05,89 (46) 30.01.93. Бюл. ¹ 4 (71) Харьковский политехнический институт им. B.È.Ëåíèíà (72) Ю,П.Гончаров, В,B.Çàìàðóåâ, B.В.Ивахно и С.Ю.Кривошеев (56) 1. Авторское свидетельство СССР № 1175012, кл. Н 02 М 7/48, 1984, 2. Авторское свидетельство СССР

¹ 1508325, кл. Н 02 M 7/48, 1987. (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ РЕЗОНАНСНЫМ ИНЗЕ.PTO. РОМ НАПРЯЖЕНИЯ С ДИОДАМИ

ВСТРЕЧНОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для стабилизации амплитуды переменной составляющей напряжения на коммутирующем конденсаторе последовательного резонансного инвертора, работающего в качестве звена повышенной частоты в двухзвенном преобразователе, например, в агрегатах бесперебойного питания, устройствах заряда емкостных накопителей и др.

Известен способ управления резонансным инвертором (1), по которому путем фильтрации сигналов датчика тока и напряжения определяют основные гармонические составляющие выходного тока и напряжения инвертора, измеряют фазовый сдвиг между ними, сравнивают сигнал. пропорциональный фазовому сдвигу, с сигналом задания и в функции разностного сигнала изменяют. Ж „, 1791941 А1 (57) В способе управления последовательным резонансным инвертором напряжения с диодами встречного тока осуществляют стабилизацию амплитуды переменной составляющей напряжения на коммутирующем конденсаторе последовательного колебательного контура инвертора. Для этого в моменты перехода выходного тока инвертора через нуль запоминают сигнал абсолютной величины амплитуды переменной составляющей напряжения на этом конденсаторе, вычитают иэ него сигнал задания и раэностный сигнал преобразуют в пропорционально-интегральный и суммируют его с корректирующим сигналом, пропорциональным напряжению нагрузки инвертора. 2 ил, выходную частоту инвертора, стабилизируя регулируемый параметр, Этот способ позволяет снизить установленную мощность инвертора. Однако выделение фазовых сдвигов согласно этому способу производится при помощи фильтров, вносящих запаздывание в систему регулирования. Поэтому при переходных процессах, связанных со скачкообразными возмущениями со стороны нагрузки инвертора (например, переход вторичного звена двухзвенного преобразователя из выпрямительного режима в инверторный в момент перехода выходного тока инвертора через нуль или наоборот), наблюдаются перегрузки элементов инвертора, а также снижается его коммутационная устойчивость, Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к иэобрете1791941

15

45

55 нию является способ управления последовательным резонансным инвертором с диодами встречного тока (2), заключающийся в том, что определяют момент перехода выходного тока инвертора через нуль, формируют сигнал управления, равный разности сигнала задания и сигнала обратной связи, сравнивают сигнал управления с развертывающим напряжением, в момент равенства этих сигналов формируют сигнал включения управляемых ключей, в момент изменения направления выходного тока инвертора прекращают подачу сигнала включения на управляемый ключ, при переходе выходного тока инвертора через нуль заканчивают формирование развертывающего напряжения, формируют импульс длительностью, достаточной для восстановления запирающих свойств управляемого ключа, в момент окончания которого начинают формировать развертывающее напряжение, определяют направление выходного тока инвертора и подают сигнал включения на тотуправляемый ключ, прямое направление тока в котором совпадает с направлением выходного тока инвертора.

Данный способ управления обеспечивает коммутационную устойчивость инвертора при скачкообразных возмущениях со стороны его нагрузки. Формируемый в соответствии с описанным способом управляющий сигнал является выходным сигналом

ПИ-регулятора. на вход которого подана разность сигнала задания среднего за полупериод выходного тока инвертора и сигнала выпрямленного выходного тока инвертора, Однако даже при оптимальных в смысле квадратичного критерия качества параметрах ПИ-регулятора, т.е. при условии, что постоянная времени интегратора близка к половине периода модуляции, а приведенный коэффициент усиления про. порциональной части близок к единице, качество переходных процессов при возмущениях указанного выше класса не является высоким. Превышение напряжения на конденсаторе от установившегося составляет более 30%, т.е, имеют место дополнительные перегрузки.

Кроме того, возможно возбуждение субгармонических колебаний и появление дополнительных электромагнитных перегрузок элементов инвертора, что снижает надежность инвертора.

Целью изобретения является повышение надежности путем снижения электромагнитных нагрузок на элементы инвертора при переходных процессах, связанных со скачкообразными возмущениями со стороны нагрузки инвертора.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления последовательным резонансным инвертором напряжения с диодами встречного тока, при котором оп ределяют направление и моменты перехода через нуль выходного тока инвертора, в зти моменты прекращают подачу сигнала включения на управляемые ключи через время, достаточное для восстановления эапирающих свойств управляемых ключей, начинают формировать развертывающее напряжение, сравнивают сигнал управления с развертывающим напряжением, в момент их равенства формируют сигнал включения управляемых ключей и подают его на тот управляемый ключ, прямое направление тока в котором совпадает с направлением выходного тока инвертора, в моменты перехода выходного тока инвертора через нуль запоминают сигнал абсолютной величины переменной составляющей напряжения на конденсаторе колебательного контура, уменьшают этот сигнал на величину сигнала задания, преобразуют разностный сигнал в пропорционально-интегральный, сигнал управления формируют, вычитая из преобразованного сигнала величину, пропорциональную выходному напряжению инвертора при положительном направлении выходного тока инвертора и изменяют знак коэффициента пропорциональности при отрицательном направлении выходного тока инвертора.

На фиг. 1 приведена схема силовой части инвертора совместно со структурной схемой устройства. реализующего способ

Силовая часть содержит источник 1 постоянного напряжения, способный принимать возвращаемую из нагрузки энергию, коммутатор резонансного инвертора, состоящий из тиристоров 2 и 3, шунтированных диодами 4 и 5 встречного тока,последовательный LC-контур, состоящий из реактора

6 и конденсатора 7; силовой трансформатор

8 тока, имеющий две одинаковые вторичные обмотки Wz И И/з и информационную обмотку О/4; последовательно с обмоткой W1 трансформатора 8 включен датчик 9 тока, который может быть выполнен, например, на базе трансформатора тока, вторичная обмотка которого нагружена на резистор. Обмотки W2, Юз трансформатора 8 нагружены на вторичный обратимый преобразователь

10, работающий в режиме естественной коммутации его силовых ключей.

К выходу преобразователя 10 подключена нагрузка 11, шунтированная фильтром

12, выделяющим основную гармонику (низкочастотную) выходного напряжения. При этом постоянная времени нагрузки преоб1791941 разователя 10 существенно (на 1 — 2 порядка) превышает половину периода (такт) преобразования в инверторе первичного звена питания и практически не изменяется.

Устройство 13 для управления инвертором включает s себя следующие узлы: распределитель 14 импульсов управления, датчик 15 полярности выходного тока инвертора, два однотипных формирователя 16 и 17 импульсов заданной длительности, элемент ИЛИ 18, третий формирователь 19 импульсов заданной длительности, ждущий генератор 20 развертывающего пилообразного сигнала, датчик 21 напряжения нагрузки инвертора, фазочувствительный выпрямитель 22, первый сумматор 23, выделитель 24 модуля (прецизианный выпрямитель), блок 25 выборки-хранения, второй сумматор 26, источник 27 сигнала задания амплитуды напряжения на конденсаторе.

ПИ-регулятор 28, третий сумматор 29, компаратор 30.

Способ управления реализуется следующим образом.

Пусть в момент to (фиг. 2, а) выходной ток инвертора (напряжение Ug датчика 9}, возрастая, протекает через включающийся диод 5. реактор 6, обмотку Wt трансформатора 8, датчик 9, конденсатор 7, повышая на нем напряжение. Напряжение конденсатора U7 поступает в устройство 13, и из него на сумматоре 23 вычитается постоянная со, ставляющая, равная B данной схеме 01д.

Таким образом, на выходе сумматора 23 присутствует сигнал переменной составляющей напряжения конденсатора 7 (фиг. 2, а), Пусть преобразователь 10 вторичного звена работает в режиме передачи мощности в нагрузку 11. Тогда напряжение на выходе датчика 21, пропорциональное напряжению на обмотке W1, будет иметь положительный знак и остается неизменным до очередного момента з перехода через нуль напряжения Ug (фиг. 2, б), В момент to на прямом выходе датчика

15 появляется сигнал логической единицы

U15.1((ффиигг,, 22, в) и присутствует там до момента тэ, а на инверсном выходе датчика 15— сигнал логического нуля (U)5.ã фиг, 2, r). В момент to по фронту сигнала U15.1 формирователем 16 начинает формироваться импульс длительностью, достаточной для восстановления запирающих свойств тиристора 3 (фиг. 2, д). В момент t1 сформированный импульс. пройдя через элемент 18, запускает генератор 20 (Uao фиг. 2, ж). Сигнал Uzo присутствует на одном из входов компаратара 30.

Сигнал 02з на выходе сумматора 23, равный переменной составляющей напря5

15

20 2, г), то выпрямитель 22 не меняет знак сиг

35 ся, выключается диод 5, и eb:хаднаи ток ин40

55 жение нэ конденсаторе 7, выпрямляется выделителем 24 (024 фиг, 2, з) и подается нэ вход блока 25. Управляющий сигнал блока

25, получаемый из выходного сигнала элемента 18 формирователем 19 {1 «19, фиг, 2, з), обеспечивает запоминание си-нала Uzp да следующего момента перехода через нуль напряжения Ug (фиг. 2, э). Иэ сигнала задания Uzv на сумматоре 26 вычитается сигнал

U25 и поступает на ПИ-регулятор 28, на выходе которого присутствуе- основная часть сигнала управления U a, причем последняя не содержит пульсацианной составляющей сигнала обратной связи. Дополнительная составляющая управляющего сигнала поступает на сумматор 29 выхода выпрямителя 22. Поскольку на интервале to — t3 сигнал на управляющем входе выпрямителя 22

U152 соответствует логическому нулю (фиг. нала датчика 21. Коэффициент, с которым сигнал выпрямителя Uzz суммируется с сигналом Огв, равен à1. Суммарный управляющий сигнал Uzg (фиг. 2, ж) сравнивается кампаратаром 30 с сигналом генератора 20, и при равенстве этих сигналов на входе распределителя 14 появляется сигнал включения управляемых ключей инвертара (011,1, U14,2, фиг. 2, и), Поскольку на первом управляющем входе распределителя 14 присутствует сигнал логической единицы, а на втором — логического нуля, то сигнал включения управляемого ключа будет подан нэ тиристар 2 (фиг, 2, к). Последний вкл«очэетвертора протекает па цепи; источник 1, реактор 6, обмткэ Ч«1 трансформатора 8, датчик 9, конденсатор 7, заряжая последний, В момент тз выходной так инвертора спадает к нулю и меняет знак, а напряжение на конденсаторе 7 достигает экстремума (фиг. 2, а). В этот момент переключа:атся ключи в преобразователе 10 вторичного звена, напряжение на обмотке W1 трансформатора 8 меняет знак (фиг. 2, б), а в нагрузку по-прежнему передается мощность ат ис.точника питания. Поскольку напряжение Ug поменяло знак, то нэ первом выходе счетчика 15 появляется импульс логического нуля, на втором его выходе — логической единицы (фиг, 2, в, г). По фронту напряжения 015.2 формирователь 17 формирует импульс, который, проходя через элемент 18, через время, достаточное для восстановления запирающих свойств тиристора 2, запускает генератор 20 (фиг. 2, е, ж). Процессы в схеме протекают аналогично описанному выше за исключением того, что сигнал 015р меняет знак выходного напряжения выпрямителя

1791941

22, и последний имеет такой же знак, как на предыдущем такте, Кроме того, сигнал Uao включения управляемого ключа будет подан на тиристор 3 (фиг, 2, л).

Процессы в схеме повторяются до тех пор, пока устройство для управления преобразователем 10 вторичного звена не произведет согласно релейному способу управления с сохранением естественной коммутации ключей вторичного звена смену знака мощности, потребляемой вторичным звеном. Последнее соответствует скачкообразному возмущению со стороны нагрузки инвертора. Пусть это произошло в момент ъ (фиг, 2, à, 6), причем на фиг. 26 пунктиром показано напряжение, пропорциональное напряжению нагрузки инвертора в случае, если бы смены знака мощности, потребляемой вторичным звеном, не произошло по сравнению с рассмотренным выше режимом, Процессы в системе управления повторяются за исключением того, что напряжение Uzz поменяет знак и, следовательно, произойдет безынерционное изменение сигнала управления Uzg (фиг, 2, ж), что приведет к изменению угла управления инвертором в соответствии с апп роксимирован ными статическими характеристиками инвертора, Поэтому управляемый параметр (амплитуда напряжения на конденсаторе 7) практически не изменится, причем динамическое отклонение определяется лишь неточностью аппроксимации статических характеристик и не превышает нескольких процентов. На диаграмме показано изменение регулируемой величины в функции времени при тех же условиях. При этом постоянная времени интегральной части ПИ-регулятора увеличена на порядок, а пропорциональной части уменьшена в 4 раза.

Таким образом, способ управления не только сохраняет высокую коммутационную устойчивость инвертора, но и позволяет с достаточной степенью точности стабилизировать амплитуду напряжения на конденсаторе, повысить запасы устойчивости системы авторегулирования при скачкообразных возмущениях со стороны нагрузки

45 инвертора при небольших дополнительных аппаратурных затратах.

Указанное выше характеризует положительный эффект, поскольку более точная стабилизация напряжения на конденсаторе колебательного контура снижает электромагнитные перегрузки элементов инвертора, что приводит к повышению его надежности.

Формула изобретения

Способ управления последовательным резонансным инвертором напряжения с диодами встречного тока, заключающийся в том, что определяют направление и моменты перехода через "ноль" выходного тока инвертора, в эти моменты прекращают подачу сигнала включения на управляемые ключи инвертора, через время, достаточное для восстановления запирающих свойств управляемых ключей, начинают формировать развертывающий сигнал, в моменты равенства развертывающего сигнала и сигнала управления формируют сигнал включения управляемых ключей и подают его на тот управляемый ключ инвертора, прямое направление тока в котором совпадает с направлением выходного тока инвертора, о тл и ч а ю шийся тем; что, с целью повышения надежности путем снижения электромагнитных нагрузок на элементы инвертора при переходных процессах, формируют сигнал задания, измеряют выходное напряжение инвертора и переменную составляющую напряжения на конденсаторе колебательного контура, в моменты перехода выходного тока инвертора через "ноль" запоминают сигнал абсолютной величины переменной составляющей напряжения на конденсаторе колебательного контура, уменьшают этот сигнал на величину сигнала задания и преобразуют полученный сигнал в пропорционально-интегральный, сигнал управления формируют как разность пропорционально-интегрального сигнала и величины, пропорциональной выходному напряжению инвертора при положительном направлении тока инвертора и как сумму— при отрицательном направлении выходного тока инвертора, 1791941

1791941

Редактор Н.Пигина

Заказ 158 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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

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

+so и) к

Ж1

Составитель В.Миронов

Техред M.Ìîðãåíòàë Корректор И,Шмакова