способ управления преобразователем частоты

Формула изобретения

Способ управления преобразователем частоты, содержащим выпрямитель и двухтактный инвертор на полностью управляемых вентилях, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, работающим на нагрузку с индуктивностью, по которому формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили двухтактного инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, при этом вырабатывают прямоугольные импульсы с периодом 0,5 Т, где Т - период выходного переменного тока двухтактного инвертора, фронты которых задают момент включения вентилей, задают уровень тока, измеряют мгновенное значение тока, сравнивают мгновенное значение тока с заданным уровнем тока, определяют момент равенства мгновенного значения тока заданному уровню тока, вентили выключают в момент равенства мгновенного значения тока заданному уровню тока, отличающийся тем, что мгновенное значение тока измеряют непосредственно в цепях вентилей двухтактного инвертора, формирующих прямую и обратную полуволну тока в нагрузке, задают интервал времени, измеряют интервал времени, начало которого задается срезом прямоугольного импульса, а конец моментом выключения вентилей, сравнивают измеренный интервал времени с заданным интервалом времени, выпрямитель выключают при превышении измеренным интервалом времени заданного интервала времени.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления с преобразователями частоты для озонаторов.

Известен способ управления преобразователем частоты, содержащим выпрямитель и двухтактный инвертор на полностью управляемых вентилях, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, работающим на нагрузку с индуктивностью, по которому формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили двухтактного инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке (Ruzsamyi Т., Baesanyi С. Transistorwechelrichter fur Induktiwe Erwar-mung // Period, polytechn. Mech. engineering. - 1986. - M1. - S.99-122).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы преобразователя частоты на озонатор из-за высоких коммутационных потерь мощности и перенапряжений на вентилях двухтактного инвертора, обусловленных высокими скоростями нарастания и спада тока вентилей при включении и выключении, а также значительных перегрузок вентилей по току при выходе озонатора из строя.

Известен способ управления преобразователем частоты, содержащим выпрямитель и двухтактный инвертор на полностью управляемых вентилях, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, зашунтированный коммутирующим конденсатором, работающим на нагрузку с индуктивностью, по которому формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили двухтактного инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке (Исследование системы аккумулятор - повышающий напряжение преобразователь - регулируемый электропривод / Л.А.Шпинглер и др. // Электротехника. - 1998. - №10. - С.12-15).

Недостатком способа управления является низкая надежность преобразователя частоты при работе на озонатор из-за высокой амплитуды тока вентилей двухтактного инвертора при включении, обусловленной перезарядом барьерной емкости озонатора, высоких коммутационных потерь, а также значительных перегрузок вентилей по току при выходе озонатора из строя.

Известен способ управления преобразователем частоты, содержащим выпрямитель и двухтактный инвертор на полностью управляемых вентилях, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, работающим на нагрузку с индуктивностью, по которому формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили двухтактного инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке (Глазенко Т.Д., Сеньков В.И. Схемотехнические и конструктивные методы обеспечения электромагнитной совместимости транзисторных преобразователей постоянного напряжения // Электричество. - 1989. - №2. - С.37-43).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы преобразователя частоты на озонатор из-за высоких коммутационных потерь мощности и перенапряжений на вентилях двухтактного инвертора, обусловленных высокими скоростями нарастания и спада тока вентилей при включении и выключении, а также значительных перегрузок вентилей по току при выходе озонатора из строя.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления преобразователем частоты, содержащим выпрямитель и двухтактный инвертор на полностью управляемых вентилях, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, работающим на нагрузку с индуктивностью, по которому формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили двухтактного инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, при этом вырабатывают прямоугольные импульсы с периодом 0,5 Т, где Т - период выходного переменного тока двухтактного инвертора, фронты которых задают момент включения вентилей задают уровень тока, измеряют мгновенное значение тока в диагонали переменного тока инвертора, сравнивают мгновенное значение тока в диагонали переменного тока инвертора с заданным уровнем тока, определяют момент равенства тока в диагонали переменного тока инвертора заданному уровню тока, вентили выключают в момент равенства тока в диагонали переменного тока инвертора заданному уровню тока (П. 2159498 РФ, МКИ Н 02 М5/44. Способ управления преобразователем частоты / Силкин Е.М. // БИ №32, 2000), который и рассматривается в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является недостаточная надежность преобразователя частоты при работе на озонатор из-за высоких коммутационных потерь и перенапряжений на вентилях двухтактного инвертора, обусловленных высокими скоростями нарастания и спада тока при включении и выключении вентилей, а также значительных перегрузок вентилей по току при выходе озонатора из строя.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы преобразователя частоты в составе системы управления озонатором, что является целью изобретения.

Повышение надежности работы преобразователя частоты достигается тем, что в способе управления преобразователем частоты, содержащим выпрямитель и двухтактный инвертор на полностью управляемых вентилях, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, работающим на нагрузку с индуктивностью, по которому формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили двухтактного инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, при этом вырабатывают прямоугольные импульсы с периодом 0,5 Т, где Т - период выходного переменного тока двухтактного инвертора, фронты которых задают момент включения вентилей, задают уровень тока, измеряют мгновенное значение тока, сравнивают мгновенное значение тока с заданным уровнем тока, определяют момент равенства мгновенного значения тока заданному уровню тока, вентили выключают в момент равенства мгновенного значения тока заданному уровню тока, мгновенное значение тока измеряют непосредственно в цепях вентилей двухтактного инвертора, формирующих прямую и обратную полуволну тока в нагрузке, задают интервал времени, измеряют интервал времени, начало которого задается срезом прямоугольного импульса, а конец - моментом выключения вентилей, сравнивают измеренный интервал времени с заданным интервалом времени, выпрямитель выключают при превышении измеренным интервалом времени заданного интервала времени.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы преобразователя частоты на озонатор за счет уменьшения коммутационных потерь и перенапряжений на вентилях двухтактного инвертора, обусловленных нарастанием и спадом тока вентилей при включении и выключении. Вентили, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, работают с перекрытием токов, т.е. длительность их включенного состояния по заявляемому способу управления превышает половину периода выходного переменного тока. На интервале одновременной работы вентилей двухтактного инвертора, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, диагональ переменного тока инвертора отключена от цепи выпрямителя, и ток в диагонали снижается до нулевого уровня. Одновременно разряд барьерной емкости озонатора обеспечивает снижение уровня тока выключающегося вентиля до заданного (или даже нулевого) уровня, скорость спада которого при выключении не вызывает высоких уровней коммутационных потерь и перенапряжений. При выходе из строя озонатора (пробой диэлектрика или разрыв цепи нагрузки) снижения тока в цепях вентилей не происходит, в результате выпрямитель отключается с максимальным быстродействием, и дальнейшее развитие аварийного режима прерывается.

Повышение надежности работы преобразователя частоты является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями и порядком их осуществления в способе управления, т.е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления преобразователем частоты являются существенными.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа управления преобразователем частоты, на фиг.2 - временные диаграммы процессов на элементах схемы, поясняющие принцип управления.

Способ управления преобразователем частоты, содержащим выпрямитель и двухтактный инвертор на полностью управляемых вентилях, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра, работающим на нагрузку с индуктивностью, реализуется следующими действиями. Формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили двухтактного инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. При этом вырабатывают прямоугольные импульсы с периодом 0,5 Т, где Т - период выходного переменного тока, фронты которых задают моменты включения вентилей. Задают уровень тока. Измеряют мгновенное значение тока непосредственно в цепях вентилей двухтактного инвертора, формирующих прямую и обратную полуволну тока в нагрузке. Сравнивают мгновенное значение тока с заданным уровнем тока. Определяют момент равенства мгновенного значения тока заданному уровню тока. Выключают вентили в момент равенства мгновенного значения тока заданному уровню тока. Задают интервал времени. Измеряют интервал времени, начало которого задается срезом прямоугольного импульса, а конец - моментом выключения вентилей. Сравнивают измеренный интервал времени с заданным интервалом времени. Выключают выпрямитель при превышении измеренным интервалом времени заданного интервала времени.

Схема устройства для реализации способа управления преобразователем частоты включает выпрямитель 1 и двухтактный инвертор на транзисторах 2-5, подключенный к выходным выводам выпрямителя через дроссель фильтра 6, в диагональ переменного тока которого включена нагрузка с индуктивностью, содержащая согласующий трансформатор 7 и озонатор 8, датчики мгновенного значения тока вентилей 9, 10, задающий генератор 11, последовательную цепь, содержащую второй задающий генератор 12, делитель частоты 13, схему ИЛИ 14, выходной каскад 15, выход которого соединен с управляющими электродами транзисторов, формирующих прямую полуволну тока в нагрузке, вторую последовательную цепь, содержащую вторую схемы ИЛИ 16, вход которой подключен к второму выходу делителя частоты, и второй выходной каскад 17, выход которого соединен с управляющими электродами транзисторов, формирующих обратную полуволну тока в нагрузке, пороговый элемент 18, вход которого подключен к выходу датчика тока, а выход соединен с вторым входом схемы ИЛИ, второй пороговый элемент 19, вход которого соединен с выходом второго датчика тока, а выход подключен к второму входу второй схемы ИЛИ, источник задания уровня тока 20, выход которого соединен с вторыми входами пороговых элементов, схема ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21, входы которой соединены с выходами схем ИЛИ, счетчик 22, вход разрешения счета которого соединен с выходом схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, счетный вход соединен с выходом задающего генератора, а выход переноса подключен к управляющему входу выпрямителя.

Устройство работает следующим образом. Задающий генератор 12 вырабатывает прямоугольные импульсы с периодом 0,5 Т, где Т - период выходного переменного тока. Фронты импульсов задают моменты циклического включения пар транзисторов 2,5 и 3,4. На выходах делителя частоты 13 импульсы имеют период, равный периоду выходного переменного тока Т, и сдвинуты относительно друг друга на 180 град. эл. Указанные импульсы через схемы ИЛИ 14, 16 поступают на входы выходных каскадов 15, 17, осуществляющих усиление импульсов управления транзисторов 2-5, а также гальваническую развязку силовых и управляющих цепей. Управляющие импульсы с выходов выходных каскадов 15, 17 поступают на управляющие электроды транзисторов 2-5, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. При работе транзисторов 2, 5 формируется прямая, а при работе транзисторов 3, 4 - обратная полуволны тока в нагрузке. Индуктивное сопротивление дросселя фильтра 6 существенно превышает эквивалентное сопротивление нагрузки, в результате чего ток имеет сглаженную форму. При протекании тока прямой полуволны, уровень которого превышает заданный уровень тока, на выходе порогового элемента 18 формируется высокий логический уровень напряжения. При протекании тока обратной полуволны, уровень которого превышает заданный уровень тока, высокий логический уровень напряжения формируется на выходе второго порогового элемента 19. Сигналы с выходов пороговых элементов 18, 19 складываются в схемах ИЛИ 14, 16 с сигналами, формируемыми на выходах делителя частоты 13. При работе очередной пары транзисторов 2, 5 (или 3, 4) уровень тока в диагонали переменного тока инвертора и цепях вентилей превышает заданный уровень. Так как нагрузочная цепь в интервале коммутации имеет индуктивный характер, ток в диагонали при включении очередной пары транзисторов некоторое время продолжает протекать в первоначальном направлении. В результате за счет высокого уровня напряжения на выходах соответствующих пороговых элементов 18, 19 транзисторы предыдущей пары 3, 4 (или 2, 5) остаются включенными до тех пор, пока ток в диагонали переменного тока не снизится до нулевого уровня тока. При этом энергия, накопленная в индуктивностях трансформатора и паразитных индуктивностях ошиновки и монтажа, полностью передается в озонатор 8, а токи всех транзисторов 2-5 становятся равными половине входного тока инвертора (и равными друг другу). Так как на предыдущем этапе работы эквивалентный конденсатор диэлектрического барьера озонатора 8 был заряжен, он начинает разряжаться, уменьшая ток выключаемых транзисторов 3, 4 (или 2, 5) и увеличивая ток вновь включенных транзисторов 2, 5 (или 3, 4). При этом на выходах соответствующих пороговых элементов 18, 19 по прежнему формируется высокий логический уровень напряжения, а выключаемые на заданном полупериоде транзисторы 3, 4 (или 2, 5) остаются во включенном состоянии до момента, когда ток выключаемых транзисторов не снизится до заданного уровня тока (или до нулевого уровня). Уровень тока задается источником задания уровня тока 20 из условия коммутации, при которой уровни коммутационных потерь и перенапряжений незначительны (или равны нулевому уровню). Далее при уменьшении тока на выходах соответствующих пороговых элементов 18, 19 формируется нулевой сигнал, отключающий схемы ИЛИ 14, 16, что приводит к формированию соответствующим выходным каскадом 15, 17 запирающего сигнала для транзисторов 3, 4 (или 2, 5). При этом транзисторы 3, 4 (или 2, 5) выключаются. Таким образом, транзисторы пар 2, 5 и 3, 4 работают с перекрытием интервалов включенного состояния. На интервалах одновременной проводимости транзисторов 2-5 диагональ переменного тока инвертора отключена от цепи выпрямителя 1. Дроссель фильтра 6 предотвращает недопустимое возрастание тока через транзисторы 2-5 инвертора на интервалах одновременной проводимости транзисторных пар 2, 5 и 3, 4. В интервале одновременной проводимости транзисторов 2-5 на выходе элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 21 формируется сигнал разрешения счета для счетчика 22. Длительность интервала одновременной проводимости транзисторов 2-5 измеряется путем подсчета счетчиком 22 импульсов задающего генератора 11. Если длительность интервала одновременной проводимости транзисторов 2-5 превысит заданный интервал времени, на выходе счетчика 11 будет сформирован сигнал переноса, который является управляющим для выпрямителя 1. Выпрямитель 1 будет выключен. Длительность интервала задается частотой задающего генератора 11. В нормальных режимах работы на выходе счетчика 11 сигнал переноса не формируется. Формирование сигнала переноса на выходе счетчика 11 производится при выходе озонатора из строя. При этом конденсатор диэлектрического барьера озонатора 8 оказывается закороченным, и нормальная коммутация транзисторов не 2-5 не может быть обеспечена. Выключение выпрямителя 1 предотвращает развитие аварийного процесса с максимальным быстродействием.

Таким образом, по заявляемому способу управления преобразователем частоты моменты включения очередной пары транзисторов 2, 5 или 3, 4 определяются временем, задаваемым импульсами задающего генератора 12, аналогично системам с импульсной модуляцией, а выключения - электромагнитными процессами в цепях коммутации, как в системах с релейным управлением. Одновременно коммутация транзисторов 2-5 осуществляется при низком (или нулевом) значении тока, что обеспечивается выбором элементов в цепях коммутации и принятым способом управления. Законы изменения тока и напряжения на элементах в интервалах коммутации аналогичны происходящим в резонансных системах.

Временные диаграммы фиг.2 иллюстрируют работу устройства и принцип управления преобразователем частоты. На диаграммах: u₁₂ - импульсы задающего генератора 12, u₁₃ - сигналы с первого и второго выходов делителя частоты 13, u₁₈ - сигнал с выхода порогового элемента 18, u₁₉ - сигнал с выхода порогового элемента 19, u₁₅ - импульсы управления транзисторами 2, 5 с выхода выходного каскада 15, u₁₇ - импульсы управления транзисторами 3, 4 с выхода выходного каскада 17, u₂₁ - сигнал с выхода логического элемента 21, Т - период выходного переменного тока, q - интервал одновременной проводимости транзисторов 2-5 (интервал перекрытия), t - текущее время.

Подача импульсов управления и включение транзисторов 2,5 осуществляется в моменты времени t₀, t₄, t₈, транзисторов 3, 4 - в моменты времени t₂, t₆, t ₁₀. Снятие импульсов управления и выключение транзисторов 2, 5 осуществляется в моменты времени t₃, t₇ , транзисторов 3, 4 - в моменты времени t₁, t ₅, t₉. Интервалы одновременной проводимости транзисторных пар 2, 5 и 3, 4 на диаграммах соответственно равны t₁-t₀, t₃-t₂, t ₅-t₄, t₇-t₆, t₉ -t₈.

Датчики тока 9, 10 могут быть реализованы на основе элемента Холла, пороговые элементы 18, 19 - на основе операционных усилителей, делитель частоты 13 - на основе триггера со счетным входом. Выпрямитель 1 выполняется по любой из известных схем управляемых выпрямителей или неуправляемых выпрямителей с ключевым элементом на выходе.

По сравнению с прототипом использование заявляемого способа управления преобразователем частоты позволяет повысить надежность его работы на озонатор. Это обеспечивается существенным снижением коммутационных потерь и перенапряжении на вентилях за счет снижения скоростей спада и нарастания тока вентилей при коммутациях. Выключение вентилей осуществляется при пониженном (или равном нулевому значению) уровне тока через них. Снижение тока происходит на интервалах перекрытия токов вентильных пар, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. При выходе озонатора из строя аварийный процесс прерывается с максимальным быстродействием. Повышение надежности работы преобразователя частоты может быть оценено по увеличению времени наработки на отказ по результатам опытной эксплуатации. При работе в составе системы управления озонаторной установки время наработки на отказ преобразователя частоты с управлением по заявляемому способу управления может быть увеличено в 1,3-1,5 раза по сравнению с прототипом.