генератор низких и крайне низких частот и способ управления им

Формула изобретения

1. Генератор низких и крайне низких частот, содержащий выпрямитель с параллельно включенной батареей конденсаторов, инвертор и первичную систему управления, отличающийся тем, что инвертор выполнен на базе однооперационных тиристоров без цепей искусственной коммутации, а параллельно RL-нагрузке инвертора включена RC-цепь, причем одноименные полюса выпрямителя и инвертора соединены через полностью управляемый вентиль, состоящий из одного или более запираемых силовых полупроводниковых приборов, а управляющий вход полностью управляемого вентиля подключен через формирователь импульсов управления к первичной системе управления, содержащей программный блок и блок расчета времени задержки; между инвертором и полностью управляемым вентилем включен датчик тока, информационный выход которого соединен с первичной системой управления.

2. Способ управления генератором низких и крайне низких частот по п.1, заключающийся в том, что сигнал на включение тиристоров одной из диагоналей инвертора подается одновременно с подачей последнего импульса запирания на полностью управляемый вентиль, а первый импульс на включение полностью управляемого вентиля подается через время задержки t после подачи сигнала на включение тиристоров другой диагонали инвертора, причем

t=Т· /2 ,

где Т - измеряемый в секундах период выходной частоты генератора;

- измеряемый в радианах угол сдвига между векторами напряжения и тока в RL-нагрузке генератора.

3. Способ управления генератором низких и крайне низких частот по п.2, отличающийся тем, что в случае любого аварийного процесса в генераторе, приводящего к росту тока через датчик тока, последний регистрирует превышение величины этого тока над номинальным значением и выдает сигнал в первичную систему управления, которая формирует сигнал на запирание полностью управляемого вентиля.

Описание изобретения к патенту

Область техники

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнической промышленности, электроэнергетике и геоэлектрике для глубинного электромагнитного (частотного) зондирования земной коры.

Уровень техники

Известен генератор низких и крайне низких частот на основе транзисторного преобразователя, применяемый для частотного зондирования земной коры [1]. Для решения задач глубинного электромагнитного зондирования земной коры необходимо создать крайне низкочастотное поле в диапазоне частот 0,1-10 Гц достаточно мощное, чтобы его можно было зафиксировать на удалениях, сопоставимых с длиной электромагнитной волны в земле. Генератор построен по схеме преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Выходной инвертор генератора построен на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором. Недостатком данного генератора является низкая надежность ввиду несовершенства системы защит.

Известен также генератор низких частот, преобразующий высокую частоту в низкую [2]. Генератор содержит n однофазных тиристорных мостов, каждый из которых управляется по собственному алгоритму. Вход каждого моста через конденсаторы подключен к источнику напряжения высокой частоты. Недостатки такого генератора: необходимость наличия напряжения высокой частоты порядка 1000 Гц на входе и высокие потери, обусловленные наличием большого количества полупроводниковых приборов и цепей управления ими, в каждом из которых выделяются собственные потери.

Известен генератор с устройством защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазных опрокидываний [3]. В состав устройства входят формирователи импульсов включения и запирания тиристоров, датчики состояния, подключенные параллельно управляющим входам этих тиристоров, и блок первичных управляющих импульсов, выходы которого соединены с входами формирователей импульсов управления тиристорами. Недостатком генератора с данным способом управления является неспособность устройства защиты прервать протекание через инвертор аварийных токов, значения которых превышают предельный запираемый ток тиристоров.

Наиболее близкими к предлагаемой схеме и способу управления генератором является преобразователь частоты, описанный в [4] и принятый нами за прототип. Преобразователь частоты [4] состоит из выпрямителя с параллельно включенной батареей конденсаторов и автономного трехуровневого инвертора напряжения на запираемых полупроводниковых приборах с широтно-импульсным управлением. Недостатком устройства [4] являются высокие статические и динамические потери: статические - за счет увеличенного прямого падения напряжения в запираемых приборах по сравнению с однооперационными тиристорами, а динамические - за счет широтно-импульсного управления запираемыми полупроводниковыми приборами всех 12-ти вентилей инвертора. Кроме того, существенным недостатком генератора по [4] является отсутствие быстродействующей защиты от аварийных токов в инверторе.

Сущность изобретения

Задача изобретения - повышение надежности и снижение потерь в генераторе. Поставленная задача решается тем, что инвертор выполнен на базе однооперационных тиристоров без цепей искусственной коммутации, а параллельно RL-нагрузке инвертора включена RC-цепь, причем полюс выпрямителя и одноименный полюс инвертора соединены через полностью управляемый вентиль, состоящий из одного или более запираемых силовых полупроводниковых приборов, а управляющий вход полностью управляемого вентиля подключен через формирователь импульсов управления к первичной системе управления, содержащей программный блок и блок расчета времени задержки; между инвертором и полностью управляемым вентилем включен датчик тока, информационный выход которого соединен с первичной системой управления.

Способ управления таким генератором заключается в том, что сигнал на включение тиристоров одной из диагоналей инвертора подается одновременно с подачей последнего импульса запирания на полностью управляемый вентиль, а первый импульс на включение полностью управляемого вентиля подается через время задержки t после подачи сигнала на включение тиристоров другой диагонали инвертора, причем

t=T· /2 ,

где Т - измеряемый в секундах период выходной частоты генератора,

- измеряемый в радианах угол сдвига между векторами напряжения и тока в нагрузке генератора.

В случае любого аварийного процесса в генераторе, приводящего к росту тока через датчик тока, последний регистрирует превышение величины этого тока над номинальным значением и выдает сигнал в первичную систему управления, которая формирует сигнал на запирание полностью управляемого вентиля.

Осуществление изобретения

Сущность изобретения поясняют схема предлагаемого генератора низких и крайне низких частот (фиг.1) и эпюры расстановки импульсов управления и кривые токов через вентили генератора в установившемся режиме его работы (фиг.2).

Генератор низких и крайне низких частот содержит выпрямитель 1, конденсаторную батарею 2, выполненный на базе однооперационных тиристоров инвертор 3 с RL-нагрузкой и включенной параллельно ей RC-цепью 4, первичную систему управления 5, полностью управляемый вентиль 6, состоящий из одного или более запираемых силовых полупроводниковых приборов, формирователь импульсов управления 7, блок расчета времени задержки 8 и программный блок 9, входящие в первичную систему управления 5; между инвертором 3 и полностью управляемым вентилем 6 включен датчик тока 10, информационный выход которого соединен с первичной системой управления 5.

Генератор низких и крайне низких частот работает следующим образом.

При включенном выпрямителе 1 и заряженной батарее 2 первичная система управления 5 в момент времени t ₀ (фиг.2) подает импульс на включение полностью управляемого вентиля 6 (напр., IGBT). Если режим работы генератора низких и крайне низких частот установившийся, то к моменту времени t ₀ тиристоры V₁ и V ₄ одной из диагоналей инвертора 3 включены и по цепи 2-6-V ₁-R_н-L_н-V ₄-2 начинает проходить ток. Форма тока определяется программным блоком 9, работающим, например, по принципу ШИМ и создающим требуемую форму напряжения питания инвертора, и параметрами нагрузки RL. Через время (t₁-t₀ )=(T/2- t) ток и напряжение в нагрузке индуктивного характера становятся разных знаков, поскольку t выбрано в соответствии с параметрами нагрузки так, что t=T· /2 . Численное значение t выдается блоком расчета времени задержки 8, в котором сравнивается форма тока с датчика 10 и форма напряжения, создаваемая программным блоком 9. В момент времени t₁ первичная система управления 5 выдает последний сигнал на запирание полностью управляемого вентиля 6 и одновременно на включение тиристоров V₃, V₂ другой диагонали инвертора 3. При этом ток в цепи 2-6-V ₁-R_н-L_н-V ₄-2 должен бы оборваться, но цепь нагрузки содержит индуктивную составляющую L_н, в которой ток мгновенно оборваться не может и, протекая в том же направлении, замыкается через RC-цепь, перезаряжая конденсатор С, который одновременно разряжается по параллельным цепям R-V₁-V ₃ и R-V₂-V₄ . Токи разряда конденсатора С протекают в обратном направлении по отношению к тиристорам V₁, V ₄ той диагонали, где до этого протекал ток, запирая их, и в прямом направлении по отношению к вновь включаемым тиристорам V₃, V₂ другой диагонали, поддерживая в них процесс включения. Для того чтобы процессы по включению V₃, V₂ и запиранию V₁, V₄ превалировали над процессом перезаряда емкости при разряде индуктивности, необходимо, чтобы выполнялось условие

где U₁ - напряжение на конденсаторе С в момент времени t₁,

I ₁ - ток в индуктивности L_н в тот же момент времени t₁.

В диапазоне низких и крайне низких частот падением напряжения на индуктивности U_L=L·di/dt можно пренебречь. Тогда U₁ R_н/I₁, и из (1) следует условие

или, что то же самое,

Иными словами, необходимо, чтобы сопротивление L _н-С контура ( ) было существенно меньше активного сопротивления нагрузки. Тогда через время 3 =3RC ток в тиристорах V₁, V ₄ одной диагонали инвертора полностью прекратится, а тиристоры другой диагонали инвертора V₃, V ₂ готовы пропускать ток. В момент t₂ , то есть через время t после момента t₁, первичная система управления 5 подает первый сигнал на включение полностью управляемого вентиля 6. В цепи 2-6-V₃-R _н-L_н-V₂-2 начинает протекать ток, но уже обратной полуволны для нагрузки R _нL_н.

Результирующая форма тока в нагрузке тем ближе к заданной программным блоком 9 (например, к синусоиде), чем меньше соотношение t/T. При этом, очевидно, необходимо, чтобы выполнялось условие t>3 =3RС.

В случае срыва в работе тиристоров инвертора 3 или иного аварийного процесса, приводящего к росту тока I ₆ (фиг.1) в силовой цепи (например, при пробое нагрузки), датчик тока 10 регистрирует превышение величины I ₆ над номинальным значением и выдает сигнал в первичную систему управления 5, которая формирует сигнал на запирание полностью управляемого вентиля 6, тем самым прерывая аварийный ток.

Наличие способа управления генератором низких и крайне низких частот в аварийных режимах, позволяющего прекратить аварийный ток через инвертор, значительно повышает надежность генератора. Наличие широтно-импульсного управления только в одном полностью управляемом вентиле и построение инвертора на базе однооперационных тиристоров без цепей искусственной коммутации позволяет значительно уменьшить статические и динамические потери в генераторе низких и крайне низких частот в целом. Таким образом, цель - повышение надежности и снижение потерь в генераторе низких и крайне низких частот - достигнута.

Источники информации

1. Жамалетдинов А.А., Короткова Т.Г., Токарев А.Д., Шевцов А.Н., Невретдинов Ю.М., Захри И.М., Копытенко Ю.А., Гохберг М.Б., Песин Л.Б., Шершнев Ю.А. Сверхглубинное зондирование литосферы Балтийского шита с применением промышленных ЛЭП. Доклады РАН, серия Геофизика, том 405, № 5, 2005.

2. АС СССР № 1464271 А1. Непосредственный преобразователь. Иванченко В.А., Кузьмицкая И.В., Поссе А.В., Степанова М.А. Заявка № 4140902/24-07.

3. Патент России № 2119707. Устройство защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазных опрокидываний. Балыбердин Л.Л., Гуревич М.К., Шершнев Ю.А.

4. Таратута И.П., Чуприков B.C. Схемотехнические и конструктивные решения преобразователей частоты для регулируемого электропривода. - Электротехника, 2001 г. № 09.