способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией

Формула изобретения

Способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией на управляемых вентилях с источником постоянного напряжения питания Е на входе, имеющим характеристику источника напряжения, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с высокой добротностью в интервале [1, 30], подключенного к выходу инвертора через дополнительный дроссель, имеющий индуктивность величины kL, где k - числовой коэффициент, принимающий значения в интервале [1/2, 5], a L - эквивалентная индуктивность нагрузки, заключающийся в том, что формируют и поочередно подают импульсы управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного напряжения на нагрузке, определяют моменты перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль, очередные импульсы управления формируют и подают, и очередные управляемые вентили включают с опережением относительно моментов перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль на угол в интервале [ /12, /3], отличающийся тем, что измеряют напряжение питания и мгновенное значение переменного тока i нагрузки, а моменты перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль определяют путем решения уравнения, равнозначного приведенному: E-kL di/dt=0.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании систем управления с вентильными преобразователями частоты для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Изобретение расширяет область применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией.

Известен способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией на управляемых вентилях с источником постоянного напряжения питания Е на входе, имеющим характеристику источника напряжения, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с высокой добротностью, подключенного к выходу инвертора через последовательную цепь, содержащую дополнительный дроссель и конденсатор, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного напряжения на нагрузке (Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. / Е.И.Беркович, Г.В.Ивенский, Ю.С.Иоффе и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - С.50).

Недостатком способа управления инвертором является узкая область применения автономного согласованного инвертора, что обусловлено низкой надежностью работы на изменяющуюся электротехнологическую нагрузку, являющуюся ответственным потребителем, из-за возможных перегрузок в режимах перекрытия токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов.

Известен способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией на управляемых вентилях с источником постоянного напряжения питания Е на входе, имеющим характеристику источника напряжения, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с высокой добротностью, подключенного к выходу инвертора через последовательную цепь, содержащую дополнительный дроссель и конденсатор, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного напряжения на нагрузке, изменении частоты подачи импульсов управления на управляемые вентили в функции технологического параметра (Лавлесс Д.Л., Кук З.Э., Руднев В.И. Характеристики и параметры источников питания для эффективного индукционного нагрева. // Силовая электроника. - 2007. - № 1. - С.96).

Недостатком способа управления инвертором является узкая область применения автономного согласованного инвертора, что обусловлено низкой надежностью работы на изменяющуюся электротехнологическую нагрузку, являющуюся ответственным потребителем, из-за возможных перегрузок в режимах перекрытия токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией на управляемых вентилях с источником постоянного напряжения питания Е на входе, имеющим характеристику источника напряжения, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с высокой добротностью в интервале [1, 30], подключенного к выходу инвертора через дополнительный дроссель, имеющий индуктивность величины kL, где k - числовой коэффициент, принимающий значения в интервале [1/2, 5], а L - эквивалентная индуктивность нагрузки, заключающийся в том, что формируют и поочередно подают импульсы управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного напряжения на нагрузке, измеряют мгновенное значение переменного напряжения на нагрузке, определяют моменты перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль, очередные импульсы управления формируют и подают и очередные управляемые вентили включают с опережением относительно моментов перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль на угол в интервале [ /12, /3] (патент РФ 2341002, МКИ H02M 7/53846. Способ управления инвертором. Е.М.Силкин. - Заявл. 21.03.07, опубл. 10.12.08, Б.И. № 34).

Указанный способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией выбран в качестве прототипа изобретения.

Недостатком прототипа является узкая область применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Измерение мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке и передача сигнала напряжения в систему управления автономного согласованного инвертора, для случаев удаленных электротехнологических нагрузок, связано с техническими сложностями. Распространенная проводная передача сигналов напряжения в мощных электротехнологических системах неэффективна и ненадежна.

Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией на управляемых вентилях с источником постоянного напряжения питания E на входе, имеющим характеристику источника напряжения, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с высокой добротностью в интервале [1, 30], подключенного к выходу инвертора через дополнительный дроссель, имеющий индуктивность величины kL, где k - числовой коэффициент, принимающий значения в интервале [1/2, 5], a L - эквивалентная индуктивность нагрузки, заключающийся в том, что формируют и поочередно подают импульсы управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного напряжения на нагрузке, определяют моменты перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль, очередные импульсы управления формируют и подают и очередные управляемые вентили включают с опережением относительно моментов перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль на угол в интервале [ /12, /3], измеряют напряжение питания и мгновенное значение переменного тока i нагрузки, а моменты перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль определяют путем решения уравнения, равнозначного приведенному: Е-kL di/dt=0.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является расширение области эффективного применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, что достигается надежным и качественным автоматическим управлением с использованием электрических сигналов схемы инвертора, без измерения и передачи сигналов от удаленных нагрузок.

Расширение области применения автономного согласованного инвертора является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе управления, порядком их осуществления, то есть отличительными признаками изобретения. При заявляемом способе управления автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией приобретает свойства устройства нового класса, отличительной особенностью которого является питание от источника постоянного напряжения Е на входе, имеющего характеристику источника напряжения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления автономным инвертором являются существенными.

На фиг.1 приведена схема автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, на фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип управления инвертором на управляемых вентилях с источником постоянного напряжения питания Е на входе, имеющим характеристику источника напряжения.

Способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией на управляемых вентилях с источником постоянного напряжения питания Е на входе, имеющим характеристику источника напряжения, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с высокой добротностью в интервале [1, 30], подключенного к выходу инвертора через дополнительный дроссель, имеющий индуктивность величины kL, где k - числовой коэффициент, принимающий значения в интервале [1/2, 5], а L - эквивалентная индуктивность нагрузки, реализуется следующими действиями. Формируются и поочередно подаются импульсы управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного напряжения на нагрузке. Определяют моменты перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль путем решения уравнения, равнозначного приведенному: Е-kL di/dt=0. Очередные импульсы управления формируют и подают и очередные управляемые вентили включают с опережением, относительно моментов перехода мгновенного значения переменного напряжения на нагрузке через нуль на угол в интервале [ /12, /3].

Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией содержит подключенный к входным выводам инвертора через дроссели фильтра 1, 2 однофазный мост на четырех управляемых вентилях 3-6 с встречно-параллельными диодами 7-10, зашунтированный конденсатором фильтра 11, выходные выводы переменного тока однофазного моста соединены с выходными выводами инвертора через коммутирующий дроссель 12, выходные выводы инвертора зашунтированы компенсирующим конденсатором 13. Нагрузка 14 подключена к выходным выводам инвертора.

Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 3, 6 и 4, 5 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала инвертора. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 2 выбраны достаточными для качественной фильтрации тока и напряжения на входе однофазного моста. Компенсирующий конденсатор 13 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (нагрузки) 14 и последовательную компенсацию реактивной мощности коммутирующего дросселя 12. Коммутирующий дроссель 12 может выполняться в виде самостоятельного элемента или представлять собой индуктивность нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей). Величина индуктивности коммутирующего дросселя 12 равна kL, где k - числовой коэффициент, принимающий значения в интервале [1/2, 5], a L - эквивалентная индуктивность нагрузки.

Полный цикл (период) выходного сигнала автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией состоит из двух равных временных интервалов (полупериодов - Т/2, где Т - период выходного переменного напряжения), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10. В каждом полупериоде, в общем случае, можно выделить три различных по характеру электромагнитных процессов временных интервала (одновременной работы двух управляемых вентилей однофазного моста, двух смежных встречно-параллельных диодов, а также паузы в работе управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов). Основной интервал соответствует интервалу одновременной проводимости двух управляемых вентилей однофазного моста 3, 6 или 4, 5. Два других интервала целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов, что обеспечивает высокие энергетические показатели устройства. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов к выключившимся управляемым вентилям прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на встречно-параллельном диоде, и управляемые вентили могут восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей). В этом случае длительность второго интервала устанавливается исходя из требуемого времени выключения используемых управляемых вентилей 3-6.

В момент включения (начало полупериода), например, управляемых вентилей 3, 6 напряжение на компенсирующем конденсаторе 13 имеет условно отрицательную полярность (положительный потенциал на правой по схеме обкладке компенсирующего конденсатора 13). Напряжение на компенсирующем конденсаторе 13 изменяется по колебательному закону. Уровень напряжения на компенсирующем конденсаторе 13 в момент включения управляемых вентилей 3, 6 ниже уровня амплитудного значения напряжения. Включение управляемых вентилей 3, 6 осуществляется с опережением относительно момента перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 13 относительно нулевого уровня. Ток через параллельный нагрузочный контур, образованный индукционным нагревателем 14 и компенсирующим конденсатором 13, начинает протекать от конденсатора фильтра 11 автономного согласованного резонансного инвертора по цепи: 11-3-12-(13, 14)-6-11. Конденсатор фильтра 11 имеет достаточную емкость для качественного сглаживания напряжения на входе однофазного моста. Заряд конденсатора фильтра 11 осуществляется от источника питания автономного согласованного резонансного инвертора по цепи: + -1-11-2- -. Компенсирующий конденсатор 13 разряжается и колебательно перезаряжается до напряжения условно положительной полярности (положительный потенциал на левой по схеме обкладке). Параметры цепи: 11-3-12-(13, 14)-6-11 и угол опережения s выбираются такими, чтобы электромагнитные процессы в ней также имели колебательный характер. То есть указанная цепь представляют собой последовательный колебательный контур, образованный коммутирующим дросселем 12 и нескомпенсированной частью емкости компенсирующего конденсатора 13. Ток управляемых вентилей 3, 6 вначале возрастает, а затем спадает по колебательному закону. В момент равенства тока управляемых вентилей 3, 6 нулю они выключаются. В момент выключения управляемых вентилей 3, 6 заканчивается первый интервал полупериода (одновременной проводимости управляемых вентилей однофазного моста). После выключения управляемых вентилей 3, 6 включаются встречно-параллельные диоды 7, 10. Возникает колебательный ток разряда компенсирующего конденсатора 13 по цепи: 13-12-7-11-10-13. Одновременно компенсирующий конденсатор 13 продолжает перезаряжаться через нагрузку 14. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 7, 10 к выключившимся управляемым вентилям 3, 6 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующем встречно-параллельном диоде 7, 10, и управляемые вентили 3, 6 могут восстанавливать свои управляющие свойства (при использовании однооперационных вентилей). К моменту выключения встречно-параллельных диодов 7, 10 заканчивается второй интервал полупериода. Далее через интервал паузы (третий интервал полупериода) с опережением относительно момента перехода мгновенного значения напряжения на компенсирующем конденсаторе 13 через нуль включаются управляемые вентили 4, 5. Компенсирующий конденсатор 13 в указанный момент времени заряжен с условно положительной полярностью напряжения и колебательно перезаряжается до напряжения противоположной полярности (отрицательный потенциал на левой по схеме обкладке). С момента включения управляемых вентилей 4, 5 заканчивается первый полупериод в работе инвертора. Во втором полупериоде, при работе управляемых вентилей 4, 5 и встречно-параллельных диодов 8, 9, электромагнитные процессы в автономном согласованном резонансном инверторе протекают аналогично, но токи через нагрузочный контур (13, 14) с индукционным нагревателем 14 на временных интервалах во втором полупериоде имеют противоположное направление. По окончании второго полупериода снова включается управляемые вентили 3, 6. Далее электромагнитные процессы в инверторе (новый период выходного сигнала) полностью повторяются.

Управляемые вентили 3-6 при реализации автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией могут быть выполнены как однооперационными симметричными или не имеющими обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, реверсивно-включаемые динисторы, газоразрядные вентили), так и двухоперационными, то есть полностью управляемыми симметричными или несимметричными (запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи). Двухоперационные вентили также могут быть включены только в два плеча или в одну из групп (анодную или катодную) однофазного моста инвертора. При этом в двух других плечах или другой группе однофазного моста могут быть применены однооперационные вентили. В схеме инвертора, управляемого по заявляемому способу, могут отсутствовать встречно-параллельные диоды.

На диаграммах фиг.2 использованы следующие обозначения. Сигналы управления управляемых вентилей обозначены как u_3,6 и u_4,5, напряжение на нагрузке u₁₄, ток, потребляемый колебательным контуром i, напряжение в диагонали переменного тока моста инвертора u, текущее время t, период выходного переменного напряжения Т. Интервал опережения определяется выражением sТ/2 , где s - угол опережения в радианах в интервале [ /12, /3]. Напряжение u₁₂ на коммутирующем дросселе равно kL di/dt. Напряжение питания инвертора обозначено как Е.

Автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, таким образом, работает по принципу самовозбуждающегося инвертора. При этом он питается от источника постоянного напряжения E на входе, имеющего характеристику источника напряжения. Автономный инвертор по характеру электромагнитных процессов относится к новому классу согласованных инверторов с резонансной коммутацией. Включение и выключение управляемых вентилей осуществляется при нулевом токе через них. Угол опережения s выбирается в оптимальном для данного класса инверторов интервале [ /12, /3]. Из диаграмм фиг.2 видно, что в моменты коммутации (включения управляемых вентилей) напряжение u₁₂ (kL di/dt) на коммутирующем дросселе 12 превышает (по модулю) напряжение питания E на входе инвертора. При равенстве напряжения u ₁₂ напряжению питания Е инвертора, то есть при выполнении уравнения: Е-kL di/dt=0, кривая мгновенного переменного напряжения u₁₄ на нагрузке 14 переходит через нуль. Таким образом, решение уравнения, равнозначного: Е-kL di/dt=0, позволяет эффективно и просто определить моменты перехода мгновенного значения переменного напряжения u₁₄ на нагрузке 14 через нуль, используя только измеренные сигналы в силовой схеме автономного согласованного инвертора, без измерений и передачи сигналов напряжений с нагрузки 14, как правило, удаленной от инвертора на значительное расстояние.

По сравнению с прототипом при управлении по заявляемому способу расширяется область применения автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Инвертор может быть эффективно применен для питания распространенных удаленных электротехнологических нагрузок, являющихся ответственными потребителями. Это достигается за счет эффективного и надежного управления автономным согласованным инвертором с использованием только сигналов в силовой схеме самого инвертора, без измерения и передачи сигналов с удаленных электротехнологических нагрузок. Расширение области применения также происходит за счет повышения надежности работы автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией, обусловленным качественным управлением, при питании удаленных электротехнологических нагрузок, являющихся ответственными потребителями.