Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами

Способ управления резонансным инвертором относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления резонансным инвертором с широтно-импульсной модуляцией для установок индукционного нагрева. Технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей посредством обеспечения возможности регулирования любого из следующих технологических параметров: выходного напряжения, тока и мощности; а также увеличение диапазона регулирования технологического параметра при питании электротехнической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами. Способ управления заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления на транзисторы, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. Новым в способе является то, что сначала задают уровни технологического параметра, разрешающие и запрещающие подачу управляющих импульсов. При работе измеряют текущее среднее значение технологического параметра за несколько последних периодов резонансной частоты и сравнивают ее с заданными уровнями. Если измеренное текущее среднее значение измеряемого технологического параметра меньше заданного разрешающего уровня, включают разрешение на подачу управляющих импульсов. Если измеренное текущее среднее значение больше или равно уровню, запрещающему подачу управляющих импульсов, выключают разрешение на подачу управляющих импульсов, вводя интервал нулевой паузы, кратный целому числу полупериодов резонансной частоты, предваряемый импульсом обратной полярности на полупериоде резонансной частоты. Способ позволяет повысить частоту субгармоник и уменьшить амплитуду выходного тока инвертора. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах индукционного нагрева с полупроводниковыми преобразователями частоты.

Известен способ широтно-импульсного управления при естественной коммутации переменного тока. Цель регулирования в данном случае состоит в изменении действующего значения напряжения на активной нагрузке без ухудшения качества потребляемого из сети тока, для преобразования электрической энергии в тепловую. При таком регулировании период цикла входного тока регулятора много больше периода резонансной частоты колебательного контура. (Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003.)

Недостатком способа управления является узкий диапазон регулирования при работе преобразователя частоты на колебательные контуры с высокой добротностью вследствие слабого затухания колебаний в контуре. Для достижения необходимого диапазона регулирования приходится предусматривать большее количество пропусков импульсов. Это приводит к появлению субгармоник с частотами значительно меньшими резонансной частоты. Последнее обстоятельство приводит к эмиссии низкочастотных помех в сеть, нормы которой устанавливаются государственными стандартами на качество электроэнергии.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами (патент RU 2152683, МПК Н 02 М 7/48, публ. 2000.07.10).

Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, измерении напряжения на тиристорах, формировании логического сигнала, принимающего истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, разрешении отсчета временного интервала при истинном значении логического сигнала, подачи очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала. При этом в указанном способе измеряют длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, заданный временной интервал изменяют в функции длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, причем с увеличением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально увеличивают, а с уменьшением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально уменьшают.

Недостатками прототипа являются ограниченный диапазон регулирования выходного напряжения при достаточно большом изменении параметров электротехнологической нагрузки и невозможность регулирования выходного тока и мощности нагрузки.

Целью изобретения является расширение функциональных возможностей, то есть возможность регулирования любого из следующих технологических параметров: выходного напряжения, тока и мощности; а также увеличение диапазона регулирования технологического параметра при питании электротехнической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления, заключающемся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на полупроводниковые элементы, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, для регулирования задают уровни технологического параметра (выходного напряжения, тока или мощности нагрузки), разрешающие и запрещающие подачу управляющих импульсов, измеряют текущее среднее значение технологического параметра, то есть значение технологического параметра за несколько периодов резонансной частоты, включают разрешение на подачу управляющих импульсов, если измеренное текущее среднее значение технологического параметра меньше заданного разрешающего уровня, и выключают разрешение на подачу управляющих импульсов, вводя интервал нулевой паузы, кратный целому числу полупериодов резонансной частоты, предваряемый импульсом обратной полярности на полупериоде резонансной частоты, если измеренное текущее среднее значение технологического параметра больше или равно уровню, запрещающему подачу управляющих импульсов.

Техническим результатом изобретения является расширение диапазона регулирования технологического параметра и уменьшение амплитуды выходного тока инвертора. За счет уменьшения интервала нулевой паузы в работе инвертора снижается фликер-эффект, повышается нижняя частота субгармоник, что обуславливает минимальную эмиссию субгармоник в сеть.

Сущность способа поясняется со ссылками на рисунки, на которых представлено: на фиг.1 - временные диаграммы работы схемы, реализующей способ; на фиг.2 - функциональная схема силовой части и схемы управления инвертором, реализующей данный способ.

На фиг.1: U₂ - напряжение на выходе преобразователя 17; U₃ - сигнал на выходе компаратора 18; U₄ - сигнал блока синхронизации 19; U_оп - величина стабилизируемого значения (уставка) технологического параметра; Δ - величина допустимого отклонения технологического параметра от уставки; u_АВ - напряжение между точками А и В на выходе мостового инвертора; I_R14 - ток нагрузки на выходе мостового инвертора; U_C15 - напряжение на резонансном конденсаторе 15; U_C2 - напряжение на фильтровом конденсаторе 2; I_ДТ3 - ток датчика тока 3 на входе мостового инвертора; Топ - временной интервал импульса обратной полярности; Тнп - временной интервал нулевой паузы.

Схема устройства для реализации способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами на фиг.2 включает резонансный инвертор, имеющий на входе Г-образный фильтр, состоящий из дросселя 1 и фильтрового конденсатора 2, подключенный последовательно через датчик тока 3 к мостовому инвертору, содержащему силовые коммутирующие приборы 8, 9, 10, 11, параллельно которым встречно включены диоды 4, 5, 6, 7. Нагрузка инвертора содержит последовательный резонансный контур, состоящий из индуктора 13 с нагреваемой заготовкой 14 и компенсирующего его реактивную энергию конденсатора 15. Система управления состоит из датчика 16 технологического параметра (например, потребляемой мощности), преобразователя 17 среднего текущего значения технологического параметра, компаратора 18 с гистерезисом, блока синхронизации 19 с нулем коммутируемого тока инвертора, формирователя 20 последовательностей управляющих импульсов (Upr1, Upr2, Upr3, Upr4) в резонансном режиме и в режиме включения импульса обратной полярности и интервала нулевой паузы.

Устройство работает следующим образом: на вход датчика 16 технологического параметра подается сигнал с датчика тока 3 и напряжение с фильтровой емкости 2. С выхода датчика 16 сигнал поступает на вход преобразователя 17 среднего текущего значения, где производится усреднение полученного сигнала за несколько периодов резонансной частоты инвертора. Полученный сигнал подается на вход компаратора 18, с выхода которого уровень логической единицы является сигналом к запуску формирователя 20 в резонансном режиме, а уровень логического нуля - сигналом к запуску формирователя в режиме включения импульса обратной полярности и интервала нулевой паузы. В начальном состоянии (t₀-t₂), когда сигнал U₂ на выходе преобразователя 17 среднего значения технологического параметра еще не достиг верхней границы допустимого отклонения (U_оп+Δ) от величины уставки (U_оп), на выходе компаратора 18 присутствует сигнал логической единицы (U₃), разрешающий работу формирователя 20 управляющих импульсов в резонансном режиме. После того, как сигнал U₂ на выходе преобразователя среднего значения 17 достиг верхней границы допустимого отклонения (момент времени t₂), выход компаратора 18 переходит в состояние логического нуля, разрешая работу формирователя 20 управляющих импульсов в режиме включения импульса обратной полярности и интервала нулевой паузы. Импульс обратной полярности формируется путем подачи управляющих сигналов Upr1, Upr2, Upr3 и Upr4 на запирание силовых коммутирующих приборов 8, 9, 10, 11. Вследствие того, что работа производится на колебательные контуры с высокой добротностью (Q≫1), конденсатор 15 заряжается до напряжения, в Q раз большего напряжения на фильтровом конденсаторе 2, поэтому напряжение, приложенное к обратным диодам VD4-VD7, открывает их и разряжает конденсатор 15 по цепи, состоящей из конденсатора 15, последовательного резонансного контура 15, 14, 13, обратного диода 4, фильтрового конденсатора 2, обратного диода 7, резонансного конденсатора 15. Интервал нулевой паузы формируется за счет закоротки между точками А и В (см. фиг.2). Для этого необходимо подать управляющие импульсы Upr1, Upr3, открывающие силовые коммутирующие приборы 8 и 10, которые, в свою очередь, формируют две внешние цепи закоротки для последовательного резонансного контура: цепь для положительной полуволны резонансного тока включает в себя обратный диод 4 и коммутирующий прибор 10; цепь для отрицательной полуволны резонансного тока включает в себя обратный диод 6 и коммутирующий прибор 8. Выход формирователя 20 синхронизируется с нулем коммутируемого тока посредством блока 19, входом для которого является выход с датчика тока 12. После синхронизации с нулем коммутируемого тока (момент времени t₃) формирователь 20 выдает на выходе импульс обратной полярности и интервал нулевой паузы. После того, как сигнал на выходе блока 17 достиг нижней границы (U_оп-Δ) допустимого отклонения от величины уставки (момент времени t₄), выход компаратора 18 переходит в состояние логической единицы, разрешая работу формирователя 20 в резонансном режиме. После синхронизации с нулем коммутируемого тока, посредством блока синхронизации 19, в момент времени t₅, на выходе формирователя 20 выдается последовательность управляющих импульсов Upr1, Upr2, Upr3 и Upr4 в резонансном режиме, которые подаются на вход силовых коммутирующих приборов 8, 9, 10, 11. Таким образом производится регулирование заданного технологического параметра по принципу слежения за входной координатой технологического параметра.

По заявляемому способу напряжение U_вых и ток I_вых на выходе инвертора формируется в соответствии с диаграммой, приведенной на фиг.1.

Способ управления резонансным инвертором с встречно-параллельными диодами позволяет повысить частоту субгармоник и уменьшить амплитуду выходного тока инвертора, что несомненно является доказательством эффективности предлагаемого способа регулирования.

Способ управления мостовым резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на силовые коммутирующие приборы, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, отличающийся тем, что задают уровни технологического параметра, запрещающие и разрешающие подачу управляющих импульсов, измеряют текущее среднее значение технологического параметра за несколько последних периодов резонансной частоты, включают разрешение на подачу управляющих импульсов, если измеренное текущее среднее значение измеряемого технологического параметра меньше заданного разрешающего уровня, и выключают разрешение на подачу управляющих импульсов, вводя интервал нулевой паузы, кратный целому числу полупериодов резонансной частоты, предваряемый импульсом обратной полярности на полупериоде резонансной частоты, если измеренное текущее среднее значение больше или равно уровню, запрещающему подачу управляющих импульсов.