способ управления преобразователем частоты

Формула изобретения

Способ управления преобразователем частоты, содержащим последовательно соединенные выпрямитель, фильтр и двухтактный мостовой транзисторный инвертор, каждый транзистор которого зашунтирован встречным диодом, а транзисторы регулируемой стойки инвертора снабжены параллельно включенными коммутирующими конденсаторами, при котором формируют и поочередно подают на транзисторы инвертора отпирающие и запирающие импульсы, при этом контролируют степень разряда коммутирующих конденсаторов до напряжения менее 0,2 от максимального уровня напряжения, отличающийся тем, что на транзисторы нерегулируемой вертикальной стойки инвертора подают отпирающие импульсы с длительностью, обеспечивающей межкоммутационную паузу, а на транзисторы другой регулируемой стойки инвертора подают отпирающие импульсы с длительностью, определяющей величину выходного напряжения, при этом в момент выключения одного из транзисторов нерегулируемой стойки инвертора производят контроль напряжения на смежном с ним коммутирующем конденсаторе и, если измеренное напряжение коммутирующего конденсатора превышает значение 0,2 от максимального уровня напряжения, уменьшают длительность отпирающих импульсов транзисторов регулируемой пары на следующем периоде, при этом включение очередных транзисторов инвертора производят в момент перехода тока нагрузки через ноль, что достигается изменением рабочей частоты инвертора.

Описание изобретения к патенту

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

Известен способ управления преобразователем частоты, содержащим последовательно соединенные выпрямитель и транзисторный инвертор (патент US 5990465), заключающийся в фазовом сдвиге управляющих сигналов транзисторов одной вертикальной стойки инвертора относительно другой. Недостатком способа является неблагоприятное включение отстающих транзисторов, для чего устанавливаются дополнительные индуктивности, включенные последовательно с транзисторами отстающей стойки, что приводит к коммутационной перегрузке транзисторов по напряжению за счет накопленной в этих индуктивностях энергии.

Известен способ управления преобразователем частоты, содержащим последовательно соединенные выпрямитель и транзисторный инвертор (Satoshi Nagai, Hirokazu Nagura, Mutsuo Nakaoka. Newload-adaptive variable-frequency high-frequency series-resonant inverter with phase-shifted PWM control strategy for induction-heating power supply. Memoris of the faculty of engineering, Kobe University №39, 1992, pp.43-51), заключающийся в фазовом сдвиге управляющих сигналов транзисторов, образующих вертикальную стойку инвертора, и адаптивной подстройке частоты по условию включения транзистора отстающей стойки в нуле тока. Недостатком способа является возможность короткозамкнутого разряда не полностью разрядившегося демпфирующего конденсатора через открывшийся транзистор, что может привести к нарушению его работоспособности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ управления преобразователем частоты (патент RU 2061292), работающим на индуктивную нагрузку, содержащим последовательно соединенные выпрямитель, емкостный фильтр и двухтактный мостовой транзисторный инвертор, каждый транзистор которого зашунтирован коммутирующим конденсатором и встречным диодом, который и рассматривается в качестве прототипа. Способ управления преобразователем частоты заключается в формировании и поочередной подаче на транзисторы инвертора отпирающих и запирающих импульсов, длительность отпирающих импульсов устанавливают в диапазоне 0,15...0,3 периода выходного напряжения и для исключения короткого замыкания заряженных коммутирующих конденсаторов контролируют их напряжение, что позволяет обеспечить включение очередной пары транзисторов в момент равенства напряжения на коммутирующем конденсаторе в диапазоне 0...0,2 от максимального уровня напряжения.

Основным недостатком прототипа являются большие коммутационные потери, обусловленные неблагоприятным выключением при ненулевом токе всех четырех транзисторов, а также более существенное, чем в предыдущем аналоге, снижение коэффициента мощности в процессе регулирования (вследствие того, что рекуперации энергии в сеть в этом процессе не происходит). Еще один недостаток - существенная зависимость частоты преобразования от глубины регулирования выходного тока, что ограничивает диапазон регулирования, особенно на низкодобротных нагрузках.

В связи с тем, что в прототипе не контролируется ноль тока, условие перезаряда коммутирующих конденсаторов и, соответственно, включения транзисторов до нуля тока осуществляется путем фиксированного ограничения длительности отпирающих импульсов значением 0,3 от длительности периода. Учитывая, что время перезаряда зависит от тока нагрузки, это ведет к недоиспользованию диапазона регулирования при больших токах.

Целью изобретения является обеспечение благоприятного переключения транзисторов, т.е. снижение суммарных коммутационных потерь, повышение коэффициента мощности преобразователя при обеспечении безопасного перезаряда демпфирующих конденсаторов во всем диапазоне регулирования преобразователя частоты.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления преобразователем частоты, содержащем последовательно соединенные выпрямитель, фильтр и двухтактный мостовой инвертор, каждый транзистор которого зашунтирован встречным диодом, а транзисторы регулируемой стойки инвертора снабжены параллельно включенными коммутирующими конденсаторами, при котором формируют и поочередно подают на транзисторы инвертора отпирающие и запирающие импульсы, при этом контролируют степень разряда коммутирующих конденсаторов до напряжения менее 0, 2 от максимального уровня напряжения, на транзисторы вертикальной нерегулируемой стойки инвертора подают отпирающие импульсы с длительностью, обеспечивающей межкоммутационную паузу, а на транзисторы регулируемой стойки подают отпирающие импульсы с длительностью, определяющей величину выходного напряжения. При этом в момент выключения одного из транзисторов нерегулируемой пары контролируют напряжение на смежном с ним коммутирующем конденсаторе и, если измеренное напряжение превышает 0,2 от максимального уровня напряжения, уменьшают длительность отпирающих импульсов транзисторов регулируемой пары на следующем периоде частоты преобразования. Включение всех транзисторов производят по сигналу с датчика тока в момент перехода тока нагрузки через ноль, что достигается путем подстройки выходной частоты.

Техническим результатом предлагаемого способа управления является мягкая коммутация (в нуле тока) транзисторов нерегулируемой стойки инвертора, что не требует подключения к ним коммутирующих конденсаторов, включение очередной диагонали транзисторов осуществляется при напряжении на соответствующих коммутирующих конденсаторах, близком к нулю.

Сущность способа поясняется ссылками на чертежи, на которых представлено: на фиг.1 - функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа управления; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы токов и напряжений на элементах устройства, поясняющие характер электромагнитных процессов в преобразователе частоты.

Функциональная схема устройства для реализации способа регулирования выходного напряжения преобразователя частоты, представленная на фиг.1, содержит трехфазный выпрямитель с Г-образным фильтром 1, питающий мостовой инвертор 2 на транзисторах 3-6, зашунтированных встречными диодами 7-10, транзисторы 5 и 6 зашунтированы коммутирующими конденсаторами 11 и 12. Инвертор работает на нагрузку в виде колебательного контура 13 в диагонали переменного тока. Выходы устройства управления 14 соединены с управляющими электродами транзисторов. Контроль перезаряда коммутирующих конденсаторов осуществляется с помощью датчика напряжения 15, выходной сигнал которого поступает на компаратор 16. Контроль перехода тока нагрузки через ноль осуществляется с помощью датчика тока 17.

Устройство для реализации способа управления работает следующим образом. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в постоянное напряжение выпрямителем 1. Выпрямленное напряжение поступает на вход последовательного резонансного инвертора 2, реализованного по мостовой схеме и имеющего нерегулируемую пару транзисторов 3, 4, образующих одну вертикальную стойку инвертора и регулируемую пару транзисторов 5, 6, образующих другую стойку инвертора. Транзисторы 3, 6 и 4, 5, образующие диагонали инвертора, включаются поочередно при поступлении на них управляющих импульсов U_упр.3 , U_упр.6 и U_упр.4 , U_упр.5 соответственно (см. фиг.2). В момент времени t0 открываются транзисторы одной из диагоналей, в данном случае 4, 5. В течение открытого состояния этих транзисторов ток в колебательном контуре I₁₃ изменяется по гармоническому закону, при этом напряжение на коммутирующем конденсаторе 11 равно нулю (U_С11=0), а на коммутирующем конденсаторе 12 равно напряжению питания инвертора (U_С12=E). В момент времени t1, определяемый требуемой шириной импульса выходного напряжения, согласно опорному сигналу U_оп закрывается транзистор регулируемой пары 5 и происходит разряд конденсатора 12. Ток разряда I ₁₂ замыкается через оставшийся открытым транзистор 4 и нагрузку 13, одновременно происходит заряд конденсатора 11 по той же цепи. После окончания процесса перезаряда конденсаторов 11, 12 ток колебательного контура I₁₃ замыкается через обратный диод 10 и транзистор 4 (фиг.1). При снижении тока I₁₃ до значения, близкого к нулю, в момент t2, определяемый датчиком тока 17, выключается транзистор 4. По истечении межкоммутационной паузы включаются транзисторы следующей диагонали 3, 6, после чего ток через нагрузку I ₁₃ меняет свое направление на противоположное и электромагнитные процессы в инверторе повторяются.

В описанном интервале работы для благоприятного режима коммутации транзисторов необходимо, чтобы процесс перезаряда конденсаторов 11 и 12 закончился до момента включения транзистора 6, приводящего к закорачиванию конденсатора 12. Поэтому сразу после выключения нерегулируемого транзистора 4 осуществляют контроль напряжения смежного с ним конденсатора, в данном случае конденсатора 12, путем измерения напряжения на нагрузке U₁₃ с помощью датчика напряжения 15. Выходной сигнал датчика напряжения 15 сравнивается с пороговым уровнем U_пор компаратором 16, полученный логический сигнал поступает на вход устройства управления 14. Устройство управления 14 разрешает изменение длительности отпирающих импульсов транзисторов инвертора на следующем периоде согласно опорному сигналу U_оп, если выходное напряжение компаратора U₁₆ имеет низкий логический уровень, свидетельствующий, что напряжение на коммутирующем конденсаторе не превышает значения порогового уровня U _пор, равного 0,2 от максимального уровня напряжения. Диаграммы тока I₅ и напряжения U₅ показывают, что данный способ управления обеспечивает уменьшение динамических потерь транзисторов регулируемой стойки (фиг.2).

Случай включения транзисторов при неполном разряде коммутирующего конденсатора 12 представлен на фиг.3. В этом случае конденсатор 12 не успевает разрядиться током контура I₁₃ и разряжается накоротко через открывающийся транзистор 6, что приводит к его перегрузке по току. Выходной сигнал с датчика напряжения U₁₅ в момент выключения транзистора 4 (t2) превышает U_пор, поэтому в данном случае опрашиваемый сигнал U₁₆ имеет высокий логический уровень и устройство управления 14 уменьшает длительность отпирающих импульсов транзисторов регулируемой пары инвертора U_упр.5, U_упр.6 на следующем периоде, игнорируя сигнал U_оп . Этот процесс происходит до тех пор, пока напряжение конденсатора 12 в момент выключения транзистора 4 не будет равно уровню менее 0,2 от максимального уровня напряжения и, соответственно, напряжение U₁₆ не установится в низкий логический уровень.

По сравнению с прототипом данный способ управления позволяет существенно снизить коммутационные потери в транзисторах, так как выключение транзисторов нерегулируемой пары 3 и 4 происходит при нулевом токе, что не требует установки демпфирующих конденсаторов. Кроме того, способ обладает более широким диапазоном регулирования выходного напряжения, исключает возможность короткозамкнутого перезаряда коммутирующих конденсаторов через открывающийся транзистор и обеспечивает включение транзисторов преобразователя при нулевом значении выходного тока.