способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами

Формула изобретения

Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, 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, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала, измерении длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, изменении заданного временного интервала 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, отличающийся тем, что задают минимальное и максимальное значения длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, минимальное и максимальное значения прямого напряжения на тиристорах и максимальное значение тока тиристоров, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, измеряют ток тиристоров, запрещают подачу очередного импульса управления на тиристоры в случае, если длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода меньше или превышает соответственно заданные минимальное и максимальное значения длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, прямое напряжение на тиристорах меньше или превышает соответственно заданные минимальное и максимальное значения прямого напряжения на тиристорах, а ток тиристоров превышает заданное максимальное значение тока тиристоров.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании, поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, и изменении частоты подачи импульсов управления в функции регулируемого технологического параметра (Техническое описание ИЕЛВ. 435423.011 ТО. Генератор среднечастотный СЧГ3-100/10. - Л.: ЛОЭЗ ВНИИТВЧ, 1985).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на тиристоры без контроля длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода может привести к перекрытию токов смежных тиристоров и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих тиристоров при выходе из строя ранее включенного тиристора или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, и изменении частоты подачи импульсов управления в функции сигнала, пропорционального фазовому сдвигу между напряжением и током нагрузки (Шапиро С.В., Зинин Ю.М., Иванов А.В. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - С.87).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на тиристоры без контроля длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода может привести к перекрытию токов смежных тиристоров и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих тиристоров при выходе из строя ранее включенного тиристора или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке (Vitins J., Schwezer A. Vereinfachter Einsatz von Leistungshalbleitern durch Vorwartsintegration // Brown Boveri Mitt. - 1984. - N5. - S.219).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на тиристоры без контроля длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода может привести к перекрытию токов смежных тиристоров и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих тиристоров при выходе из строя ранее включенного тиристора или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, 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, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала (П. 2117378 Россия, МКИ Н02М 7/48. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл. 17.01.97. Опубл. 10.08.98. - Бюлл. N 22).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Возможен выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов, а также скоростей нарастания токов вентилей и снижения времен, предоставляемых для восстановления управляющих свойств тиристоров при низких уровнях напряжений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами (П. 2152683 Россия, МКИ Н02М 7/48. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл.19.04.99. Опубл. 10.07.00, - Бюлл. N 19), который и рассматривается в качестве прототипа.

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, задании временного интервала, 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, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала, измерении длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, изменении заданного временного интервала 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.

Недостатком прототипа является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Возможен выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов, а также скоростей нарастания токов вентилей и снижения времен, предоставляемых для восстановления управляющих свойств тиристоров при низких уровнях напряжений.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы инвертора со встречно-параллельными диодами при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами, что является целью изобретения.

Повышение надежности работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами достигается тем, что в способе управления, заключающемся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, 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, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала, измерении длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, изменении заданного временного интервала 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, задают минимальное и максимальное значение длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, минимальное и максимальное значение прямого напряжения на тиристорах и максимальное значение тока тиристоров, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, измеряют ток тиристоров, запрещают подачу очередного импульса управления на тиристоры в случае, если длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, прямое напряжение на тиристорах меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение прямого напряжения на тиристорах, а ток тиристоров превышает заданное максимальное значение тока тиристоров.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами. Повышение надежности работы обеспечивается за счет исключения режимов работы с повышенными уровнями напряжений и токов, а также с высокими скоростями нарастания токов тиристоров и встречно-параллельных диодов и малыми временами, предоставляемыми тиристорам для восстановления управляющих свойств.

Повышение надежности работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе управления и порядком их осуществления, то есть отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами являются существенными.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип управления.

Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами реализуется следующими действиями. Задают временной интервал. Измеряют напряжение на тиристорах, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. Формируют логический сигнал, принимающий истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам. Разрешают отсчет временного интервала при истинном значении логического сигнала. Формируют и поочередно подают импульсы управления на тиристоры инвертора по истечении заданного временного интервала. Измеряют длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода. Изменяют заданный временной интервал в функции длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода. Причем с увеличением длительности указанного интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально увеличивают, а с уменьшением - пропорционально уменьшают. Задают минимальное и максимальное значение длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, минимальное и максимальное значение прямого напряжения на тиристорах, максимальное значение тока тиристоров и измеряют ток тиристоров. Запрещают подачу очередного импульса управления на тиристоры в случае, если длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, прямое напряжение на тиристорах меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение прямого напряжения на тиристорах, а ток тиристоров превышает заданное максимальное значение тока тиристоров.

Схема устройства для реализации способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами включает резонансный инвертор, содержащий последовательную цепь из дросселя фильтра 1, первого 2 и второго 3 тиристоров, зашунтированных встречными диодами 4 и 5 соответственно, и второго дросселя фильтра 6, подключенную к входным выводам, конденсатор фильтра 7, шунтирующий цепь из тиристоров, последовательную цепь из коммутирующего дросселя 8, выходных выводов, к которым подключена нагрузка 9, и коммутирующего конденсатора 10, подключенную между точкой соединения тиристоров и точкой соединения второго тиристора с вторым дросселем фильтра, последовательную цепь из датчика напряжения 11 на первом тиристоре, подключенного к выводам первого тиристора, логической схемы И 12, генератора пилообразного напряжения 13, компаратора 14, формирователя 15 и распределителя импульсов 16, выходного каскада 17, подключенного к управляющему электроду первого тиристора, второй датчик напряжения 18, подключенный к выводам второго тиристора, выход которого соединен с вторым входом логической схемы И, второй выходной каскад 19, вход которого подключен к второму выходу распределителя импульсов, а выход - к управляющему электроду второго тиристора, источник задающих напряжений 20, последовательную цепь из порогового элемента 21, вход которого подключен к выходу датчика напряжения, логической схемы ИЛИ 22, второго генератора пилообразного напряжения 23, устройства выборки-хранения 24 и суммирующего устройства 25, второй вход которого подключен к первому выходу источника задающих напряжений, а выход соединен с вторым входом компаратора, второй пороговый элемент 26, вход которого соединен с выходом второго датчика напряжения, а выход - с вторым входом логической схемы ИЛИ, второй вход устройства выборки-хранения соединен с выходом логической схемы ИЛИ, последовательную цепь, содержащую датчик тока 27, третий пороговый элемент 28, триггер 29 и вторую логическую схему ИЛИ 30, выход которой подключен к вторым входам выходных каскадов, вход датчика тока подключен к общей точке соединения тиристоров, четвертый и пятый пороговые элементы 31, 32, входы которых соединены с выходом устройства выборки-хранения, а выходы подключены к второму и третьему входам второй логической схемы ИЛИ, шестой пороговый элемент 33, вход которого подключен к второму выходу датчика напряжения, а выход соединен с четвертым входом второй логической схемы ИЛИ, седьмой пороговый элемент 34, вход которого подключен к второму выходу второго датчика напряжения, а выход соединен с пятым входом второй логической схемы ИЛИ, вторые входы пороговых элементов соединены соответственно с вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым выходами источника задающих напряжений.

Устройство работает в установившемся режиме следующим образом. В исходном состоянии напряжение на конденсаторе фильтра 7 равно напряжению источника питания инвертора. Тиристоры 2, 3 выключены и напряжение на них положительно и равно половине напряжения источника питания. На выходе логической схемы И 12 присутствует разрешающий логический сигнал высокого уровня. Логический сигнал с выхода схемы И 12 запускает генератор пилообразного напряжения 13. В момент сравнения сигнала с выхода генератора пилообразного напряжения 13 и сигнала с выхода суммирующего устройства 25 срабатывает компаратор 14, по фронту переключения которого формируется короткий импульс формирователем импульсов 15. Длительность сформированного импульса является достаточной для включения тиристоров 2, 3. Сигнал с выхода формирователя импульсов 15 поступает на вход распределителя импульсов 16. Сигнал с первого выхода распределителя импульсов 16 через выходной каскад 17 подается на управляющий электрод тиристора 2. Выходной каскад 17 обеспечивает усиление управляющего импульса до требуемого уровня и гальваническую развязку силовой и информационной частей устройства. При включении тиристора 2 происходит колебательный заряд коммутирующего конденсатора 10 через коммутирующий дроссель 8 и нагрузку 9 по цепи: 7-2-8-9-10-7. При работе тиристора 2 через нагрузку 9 протекает полуволна прямого тока. За счет колебательности процесса заряда конденсатор 10 заряжается до напряжения, превышающего напряжение на конденсаторе фильтра 7. После спада тока тиристора 2 до нуля включается встречный диод 4 и происходит частичный колебательный разряд коммутирующего конденсатора 10 на конденсатор фильтра 7 по цепи: 10-9-8-4-7-10. Разряд коммутирующего конденсатора 10 обеспечивает рекуперацию излишней реактивной энергии, накопленной в электромагнитном поле элементов контура коммутации, и стабилизацию режима работы инвертора в условиях изменяющейся нагрузки. При работе тиристора 2 и встречного диода 4 логическая схема И 12 находится в состоянии, обеспечивающем нахождение генератора пилообразного напряжения 13 в выключенном состоянии (напряжение на выходе отсутствует) и возврат компаратора 14 в исходное состояние. После выключения диода 4 к тиристорам 2, 3 одновременно прикладывается прямое напряжение, равное половине напряжения на конденсаторе фильтра 7. Логическая схема И 12 при этом формирует разрешающий логический сигнал высокого уровня, запускающий генератор пилообразного напряжения 13. Далее, при сравнении сигналов с выхода генератора пилообразного напряжения 13 и суммирующей схемы 25 и срабатывании компаратора 14 формируется и подается через второй выходной каскад 19 импульс управления на тиристор 3. Происходит колебательный разряд конденсатора 10 через коммутирующий дроссель 8 и нагрузку 9 по цепи: 10-9-8-3-10. Через нагрузку 9 при работе тиристора 3 протекает полуволна обратного тока. Коммутирующий конденсатор 10 перезаряжается до напряжения обратной полярности. После выключения тиристора 3 включается встречный диод 5 и происходит колебательный заряд конденсатора 10 по цепи: 10-5-8-9-10. При работе тиристора 3 и диода 5 логическая схема И 12 также находится в состоянии, обеспечивающем нахождение генератора пилообразного напряжения 13 в выключенном состоянии и возврат компаратора 14 в исходное состояние. После выключения встречного диода 5 электромагнитные процессы в работе инвертора повторяются. Заданный временной интервал паузы в работе инвертора определяется уровнем сигнала на выходе суммирующего устройства 25. Указанный сигнал представляет собой сумму напряжений с выхода источника задающих напряжений 20 и выхода устройства выборки-хранения 24. Сигнал с выхода устройства выборки-хранения 24 пропорционален длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода и формируется следующим образом. В интервале проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода напряжение на втором тиристоре максимально и равно напряжению на конденсаторе фильтра 7. При работе тиристора 2 и диода 4 на выходе второго порогового элемента 26, а при работе тиристора 3 и диода 5 - на выходе порогового элемента 21 присутствуют логические сигналы высокого уровня. Фронт указанных сигналов через логическую схему ИЛИ 22 запускают второй генератор пилообразного напряжения 23, а срез обеспечивает выборку с выхода второго генератора пилообразного напряжения 23 сигнала, пропорционального интервалу проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, схемой выборки-хранения 24. Амплитудное значение тока измеряется датчиком тока 27. При превышении током тиристора заданного максимального значения тока пороговый элемент 28 переключает триггер 29. Логический сигнал с выхода триггера 29 переводит логическую схему ИЛИ 30 в состояние, запрещающее работу выходных каскадов 17, 19. В результате очередной импульс управления на тиристоры 2, 3 не поступает. Сигнал выхода устройства выборки-хранения 24, пропорциональный длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, поступает на входы пороговых элементов 31, 32. Если длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода меньше или превышает заданные минимальное и максимальное значение, то по логическому сигналу с выхода соответствующего порогового элемента 31 или 32 логическая схема ИЛИ 30 также переводится в состояние, запрещающее работу выходных каскадов 17, 19. Аналогично, если прямое напряжение на тиристорах меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение прямого напряжения, по сигналу с вторых выходов датчиков напряжений 11,18 срабатывают пороговые элементы 33, 34, сигнал которых переводит логическую схему ИЛИ 30 в состояние, запрещающее работу выходных каскадов 17, 19. Выход логической схемы ИЛИ 30 соединен с вторыми входами выходных каскадов 17, 19. Уровни сигналов, по которым срабатывают пороговые элементы 21, 26, 28, 31-34, задаются источником задающих напряжений 20. Для перевода резонансного инвертора в рабочее состояние при запрете подачи импульсов управления на тиристоры, в случае превышения заданного максимального значения тока, принудительно переключают триггер 29 в исходное состояние.

Временные диаграммы иллюстрируют работу устройства и принцип управления инвертором. На диаграммах приняты следующие обозначения: u ₂ - мгновенное значение напряжения на тиристоре 2, u ₃ - мгновенное значение напряжения на тиристоре 3, i ₂ - ток тиристора 2, i₃ - ток тиристора 3, i₄ - ток диода 4, i₅ - ток диода 5, u₂₁ - сигнал на выходе порогового элемента 21, u₂₆ - сигнал на выходе второго порогового элемента 26, u₂₂ - сигнал на выходе логической схемы ИЛИ 22, u ₂₃ - сигнал на выходе второго генератора пилообразного напряжения 23, u₂₄ - сигнал на выходе устройства выборки-хранения 24, u₂₅ - сигнал на выходе суммирующего устройства 25, u₁₃ - сигнал на выходе генератора пилообразного напряжения 13, i ₁₇ - импульс управления тиристора 2, i₁₉ - импульс управления тиристора 3, t - текущее время.

На диаграммах интервалы t₁-t ₀, t₃-t₂, t ₅-t₄, t₇-t ₆, t₉-t₈ - соответствуют заданному временному интервалу паузы в работе инвертора. С уменьшением длительности интервала проводящего состояния тиристоров и встречно-параллельных диодов заданный временной интервал уменьшается (t₁-t₀>t ₅-t₄).

Датчики напряжения 11, 18 реализованы на основе диодных оптоэлектронных ключей, пороговые элементы 21, 26, 28, 31-34 и суммирующее устройство 25 - на операционных усилителях. Выходные каскады 17, 19 выполнены с использованием импульсных трансформаторов. Датчик тока 27 реализован на основе схемы с элементом Холла. Остальные элементы устройства могут быть реализованы по любой из известных схем.

По сравнению с прототипом использование заявляемого способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами позволяет обеспечить более надежную работу при питании электротехнологических нагрузок с изменяющимися параметрами. Повышение надежности работы обеспечивается за счет исключения режимов работы резонансного инвертора с повышенными уровнями напряжений и токов, а также с высокими скоростями нарастания токов тиристоров и встречно-параллельных диодов и малыми временами, предоставляемыми тиристорам для восстановления управляющих свойств.

Повышение надежности оценивается по времени наработки на отказ, которое при использовании заявляемого способа управления увеличивается по сравнению с прототипом более чем в два раза.