способ управления автономным согласованным резонансным инвертором

Формула изобретения

Способ управления автономным согласованным резонансным инвертором, содержащим вентильный коммутатор, выполненный на управляемых вентилях со встречно-параллельными диодами, и конденсатор фильтра, работающий на нагрузочный параллельный колебательный контур, образованный нагрузкой с индуктивностью и компенсирующим конденсатором, подключенный к выходным выводам вентильного коммутатора через последовательный колебательный контур, образованный коммутирующим дросселем и конденсатором, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, отличающийся тем, что измеряют мгновенные значения напряжений на всех управляемых вентилях вентильного коммутатора и компенсирующем конденсаторе, определяют моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль, формируют импульсы управления в моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль, подают очередные импульсы управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, в моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль, при отличных от нуля мгновенных значениях напряжений одновременно на всех управляемых вентилях вентильного коммутатора.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ управления автономным согласованным резонансным инвертором, содержащим вентильный коммутатор, выполненный на управляемых вентилях со встречно-параллельными диодами, и конденсатор фильтра, работающим на нагрузочный параллельный колебательный контур, образованный нагрузкой с индуктивностью и компенсирующим конденсатором, подключенный к выходным выводам вентильного коммутатора через последовательный колебательный контур, образованный коммутирующим дросселем и конденсатором, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, 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 автономного согласованного резонансного инвертора на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора без контроля длительности интервала проводящего состояния управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов может привести к перекрытию токов смежных управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих (очередных) управляемых вентилей вентильного коммутатора при выходе из строя ранее включенного управляемого вентиля или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Известен способ управления автономным согласованным резонансным инвертором, содержащим вентильный коммутатор, выполненный на управляемых вентилях со встречно-параллельными диодами, и конденсатор фильтра, работающим на нагрузочный параллельный колебательный контур, образованный нагрузкой с индуктивностью и компенсирующим конденсатором, подключенный к выходным выводам вентильного коммутатора через последовательный колебательный контур, образованный коммутирующим дросселем и конденсатором, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, 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 автономного согласованного резонансного инвертора на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора без контроля длительности интервала проводящего состояния управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов может привести к перекрытию токов смежных управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих (очередных) управляемых вентилей вентильного коммутатора при выходе из строя ранее включенного управляемого вентиля или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Известен способ управления автономным согласованным резонансным инвертором, содержащим вентильный коммутатор, выполненный на управляемых вентилях со встречно-параллельными диодами, и конденсатор фильтра, работающим на нагрузочный параллельный колебательный контур, образованный нагрузкой с индуктивностью и компенсирующим конденсатором, подключенный к выходным выводам вентильного коммутатора через последовательный колебательный контур, образованный коммутирующим дросселем и конденсатором, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, 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 автономного согласованного резонансного инвертора на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора без контроля длительности интервала проводящего состояния управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов может привести к перекрытию токов смежных управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих (очередных) управляемых вентилей вентильного коммутатора при выходе из строя ранее включенного управляемого вентиля или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления автономным согласованным резонансным инвертором, содержащим вентильный коммутатор, выполненный на управляемых вентилях со встречно-параллельными диодами, и конденсатор фильтра, работающим на нагрузочный параллельный колебательный контур, образованный нагрузкой с индуктивностью и компенсирующим конденсатором, подключенный к выходным выводам вентильного коммутатора через последовательный колебательный контур, образованный коммутирующим дросселем и конденсатором (Лавлесс Д.Л., Кук Р.Л., Руднев В.И. Характеристики и параметры источников питания для эффективного индукционного нагрева // Силовая электроника. - 2007. - №1. С.96), который и рассматривается в качестве прототипа.

Способ управления автономным согласованным резонансным инвертором заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке.

Недостатком прототипа является низкая надежность работы автономного согласованного резонансного инвертора на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора без контроля длительности интервала проводящего состояния управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов может привести к перекрытию токов смежных управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих (очередных) управляемых вентилей вентильного коммутатора при выходе из строя ранее включенного управляемого вентиля или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы автономного согласованного резонансного инвертора при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами, что является целью изобретения.

Повышение надежности работы автономного согласованного резонансного инвертора, содержащего вентильный коммутатор, выполненный на управляемых вентилях со встречно-параллельными диодами, и конденсатор фильтра, работающим на нагрузочный параллельный колебательный контур, образованный нагрузкой с индуктивностью и компенсирующим конденсатором, подключенный к выходным выводам вентильного коммутатора через последовательный колебательный контур, образованный коммутирующим дросселем и конденсатором, достигается тем, что в способе управления, заключающемся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, измеряют мгновенные значения напряжений на всех управляемых вентилях вентильного коммутатора и компенсирующем конденсаторе, определяют моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль, формируют импульсы управления в моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль, подают очередные импульсы управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, в моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль, при отличных от нуля мгновенных значениях напряжений одновременно на всех управляемых вентилях вентильного коммутатора.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы автономного согласованного резонансного инвертора при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами. Повышение надежности работы обеспечивается за счет исключения режимов работы без контроля длительности интервала проводящего состояния управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, перекрытия токов смежных управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, срыва инвертирования и включения следующих (очередных) управляемых вентилей вентильного коммутатора при выходе из строя ранее включенного управляемого вентиля или встречно-параллельного диода, с повышенными уровнями напряжений и токов, а также с высокими скоростями нарастания токов управляемых вентилей вентильного коммутатора и встречно-параллельных диодов и малыми временами, предоставляемыми управляемым вентилям для восстановления управляющих свойств.

Повышение надежности работы автономного согласованного резонансного инвертора 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 автономным согласованным резонансным инвертором являются существенными.

На фиг.1 приведена электрическая схема модификации автономного согласованного резонансного инвертора, на фиг.2 - функциональная схема варианта системы управления автономным согласованным резонансным инвертором, поясняющая принцип управления.

Автономный согласованный резонансный инвертор содержит подключенный к входным выводам +, - через дроссели фильтра 1, 2 вентильный коммутатор, выполненный на управляемых вентилях 3-6 со встречно-параллельными диодами 7-10, в виде однофазного моста, зашунтированный конденсатором фильтра 11, к выходным выводам которого через последовательный колебательный контур, образованный коммутирующим дросселем 12 и конденсатором 13, подключен нагрузочный параллельный колебательный контур, образованный нагрузкой 14 с индуктивностью (индукционным нагревателем) и компенсирующим конденсатором 15.

Схема системы управления содержит датчики напряжения 16-19 на четырех управляемых вентилях вентильного коммутатора, выходы которых подключены к входам триггеров Шмитта 20-23, датчик напряжения 24 на компенсирующем конденсаторе, выход которого соединен с первым входом компаратора 25, второй вход которого заземлен, логическую схему И 26, входы которой подключены к выходам триггеров Шмитта, а выход соединен с первым входом последовательной цепи, содержащей вторую логическую схему И 27, распределитель импульсов 28 и выходной каскад 29, к второму выходу распределителя импульсов подключен второй выходной каскад 30, выход компаратора подключен к входу второй последовательной цепи, содержащей логическую схему НЕ 31, формирователь импульса 32, третью логическую схему И 33, второй распределитель импульсов 34 и третий выходной каскад 35, к второму выходу второго распределителя импульсов подключен четвертый выходной каскад 36, второй вход второй логической схемы И соединен с выходом второго формирователя импульса 37, вход которого подключен к выходу компаратора, второй вход третьей логической схемы И соединен с выходом первой логической схемы И, третий вход третьей логической схемы И подключен к выходу формирователя импульса запуска 38 устройства. Входы датчиков напряжения соединены с соответствующими элементами, а выходы выходных каскадов подключены к управляющим электродам управляемых вентилей вентильного коммутатора.

Способ управления автономным согласованным резонансным инвертором, содержащим вентильный коммутатор, выполненный на управляемых вентилях со встречно-параллельными диодами, и конденсатор фильтра, работающим на нагрузочный параллельный колебательный контур, образованный нагрузкой с индуктивностью и компенсирующим конденсатором, подключенный к выходным выводам вентильного коммутатора через последовательный колебательный контур, образованный коммутирующим дросселем и конденсатором, реализуется следующими действиями. Формируются и поочередно подаются импульсы управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. При этом измеряют мгновенные значения напряжений на всех управляемых вентилях вентильного коммутатора и компенсирующем конденсаторе. Определяют моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль. Формируют импульсы управления в моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль. Подают очередные импульсы управления на управляемые вентили вентильного коммутатора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, в моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль, при отличных от нуля мгновенных значениях напряжений одновременно на всех управляемых вентилях вентильного коммутатора.

Автономный согласованный резонансный инвертор в установившемся режиме при управлении по заявляемому способу управления работает следующим образом. В исходном состоянии напряжение на конденсаторе фильтра 11 равно напряжению источника питания автономного согласованного резонансного инвертора (входные выводы +, -). Управляемые вентили 3-6 и встречно-параллельные диоды 7-10 выключены, напряжение на них положительное и равно половине напряжения источника питания автономного согласованного резонансного инвертора, то есть половине напряжения на конденсаторе фильтра 11. Напряжение на компенсирующем конденсаторе 15 равно нулю, а ток индукционного нагревателя 14 равен максимальному значению. Коммутирующий конденсатор 13 заряжен до напряжения условно отрицательной полярности на предыдущем интервале работы. Формируются и подаются импульсы управления на управляемые вентили 3, 6. Параметры схемы автономного согласованного резонансного инвертора выбираются таким образом, чтобы ток нагрузочной цепи, включающей последовательный коммутирующий (элементы 12, 13) и нагрузочный параллельный контуры (элементы 14, 15), имел колебательный характер. При включении управляемых вентилей 3, 6 происходит колебательный заряд коммутирующего конденсатора 13 через коммутирующий дроссель 12 и нагрузочный параллельный колебательный контур 14, 15 от источника питания по цепи: 11-3-12-14, 15-13-6-11. В интервале работы управляемых вентилей 3, 6 через нагрузочную цепь протекает полуволна прямого тока, напряжение на смежных управляемых вентилях 4, 5 равно напряжению на конденсаторе фильтра 11. За счет колебательности процесса заряда конденсатор 13 заряжается до напряжения, превышающего напряжение на конденсаторе фильтра 11. После спада тока управляемых вентилей 3, 6 до нуля включаются встречно-параллельные диоды 7, 10 и происходит частичный колебательный разряд коммутирующего конденсатора 13 на конденсатор фильтра 11 по цепи: 13-10-11-7-12-14, 15-13. Частичный разряд коммутирующего конденсатора 13 обеспечивает рекуперацию излишней реактивной энергии, накопленной в электромагнитном поле элементов контура коммутации, и стабилизацию режима работы автономного согласованного резонансного инвертора в условиях изменяющейся нагрузки. При работе встречно-параллельных диодов 7, 10 напряжение на управляемых вентилях 4, 5 остается прямым (положительным), равным напряжению на конденсаторе фильтра 11. После выключения встречно-параллельных диодов 7, 10 конденсатор 13 заряжен до напряжения условно положительной полярности. Напряжение на компенсирующем конденсаторе 15 положительное и близко к нулевому уровню. Напряжение на управляемых вентилях 3-6 положительное и снова равно половине напряжения на конденсаторе фильтра 11. По истечении интервала паузы, длительность которого определяется параметрами элементов нагрузочной цепи, напряжение на компенсирующем конденсаторе 15 становится равным нулю. Формируется очередной импульс управления. Сформированный импульс управления подается на управляемые вентили 4, 5. Электромагнитные процессы при включении управляемых вентилей 4, 5 протекают аналогично. Напряжения и токи элементов нагрузочной цепи имеют противоположный знак. После выключения встречно-параллельных диодов 8, 9 и истечения интервала паузы заканчивается период работы автономного согласованного резонансного инвертора. Таким образом, импульсы управления на управляемые вентили вентильного коммутатора 3, 6 и 4, 5 подаются поочередно. Импульсы управления формируются в моменты перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 15 через ноль. Импульсы управления подаются при отличных от нуля (условно нулевого уровня) мгновенных значений напряжений одновременно на всех управляемых вентилях 3-6 вентильного коммутатора. Напряжение на управляемых вентилях 3-6 в рассматриваемой схеме при подаче импульсов управления составляет половину напряжения на конденсаторе фильтра 11. Таким образом, во всех режимах работы автономного согласованного резонансного инвертора на изменяющуюся нагрузку очередные импульсы управления на управляемые вентили вентильного коммутатора поступают при условии, что на них присутствует прямое напряжение, то есть к моменту их формирования ранее работающие управляемые вентили гарантированно выключены.

Мгновенные значения напряжений на управляемых вентилях измеряются датчиками напряжения 16-19, выполненными, например, в виде оптопар. Мгновенное значение напряжения на компенсирующем конденсаторе измеряется датчиком напряжения 24. Сигнал с выхода датчика напряжения 24 сравнивается с нулевым уровнем в компараторе 25. Датчик напряжения 24 может быть реализован в виде трансформатора напряжения. Импульс с выхода компаратора 25 инвертируется логической схемой НЕ 31. При этом формирователь импульса 32 и второй формирователь импульса 37 соответственно формируют импульсы управления заданной длительности при переходе мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе через ноль в отрицательную и положительную область значений. Таким образом осуществляется синхронизация и подача импульсов управления на управляющие вентили вентильного коммутатора, формирующие прямую (положительную) и обратную (отрицательную) полуволны тока в нагрузке. Сформированные импульсы управления с выходов формирователей импульса 32, 37 соответственно поступают на соответствующие входы второй и третьей логических схем И 27, 33. Если все управляемые вентили выключены и на них присутствует прямое напряжение, на выходе логической схемы И 26 формируется разрешающий сигнал, который поступает на соответствующие (разрешающие) входы логических схем И 27, 33. При этом очередной импульс управления поступает на вход распределителя 28 или второго распределителя импульсов 34. С выходов распределителей импульсов 28, 34 импульсы управления поступают на выходные каскады 29, 30, 35, 36, обеспечивающие необходимое усиление импульсов управления, согласование и гальваническую развязку силовых и управляющих цепей автономного согласованного резонансного инвертора. Первоначальный запуск устройства производится по сигналу формирователя импульса запуска 38. Триггеры Шмитта 20-23 обеспечивают улучшение фронтов и спада сигналов датчиков напряжения 16-19 и повышения помехоустойчивости устройства.

Выходные каскады 29, 30, 35, 36 устройства выполнены с использованием импульсных трансформаторов, распределители импульсов 28, 34 реализованы в виде усилительных схем. Остальные элементы устройства могут быть выполнены по любой из известных схемных решений.

По сравнению с прототипом использование заявляемого способа управления автономным согласованным резонансным инвертором позволяет обеспечить более надежную работу при питании электротехнологических нагрузок с изменяющимися параметрами. Повышение надежности работы обеспечивается за счет исключения возможных режимов перекрытия токов с повышенными уровнями напряжений и токов, а также с высокими скоростями нарастания токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов и малыми временами, предоставляемыми управляемым вентилям для восстановления управляющих свойств. Очередные управляемые вентили включаются только после гарантированного выключения ранее работающих управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов. В результате исключаются также и критичные режимы, например, запуска и включения очередных управляемых вентилей в случаях выхода из строя ранее работающих управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов.

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