ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ В ПЕРЕМЕННОЕ ВЫСОКОЙ ЧАСТОТЫ С ЭЛЕКТРОННЫМ УСТРОЙСТВОМ ЗАЩИТЫ Российский патент 2004 года по МПК H02M7/523 

Изобретение относится к классу силовых полупроводниковых преобразователей и предназначено для питания электротехнологических установок, в частности, дуговой сварки.

Большое распространение в свое время получили тиристорные преобразователи, выполненные на основе автономных инверторов тока для питания установок индукционного нагрева токами высокой частоты. В ряде вариантов промышленного исполнения такие преобразователи оборудованы устройствами защиты оборудования от перегрузки по току в аварийных режимах /1/. В таких преобразователях при перегрузке система защиты обеспечивает снятие импульсов тока с управляющих переходов тиристоров выпрямителя переменного тока питающей трехфазной сети. Недостатком таких преобразователей является большое время срабатывания системы защиты, достигающее 10-15 мс.

Наиболее близким к решению поставленной технической задачи является тиристорный преобразователь постоянного напряжения в переменное, выполненное на основе автономного инвертора напряжения на тиристорах со встречными диодами и колебательным контурам коммутации тока в процессе инвертирования, подключенным на выходе /2/. Преобразователь содержит LC фильтр для уменьшения переменной составляющей напряжения на входе инвертора. При этом период собственных колебаний контура, образованного элементами LC фильтра, должен быть равен периоду собственных колебаний контура коммутации тиристоров инвертора.

Защита таких преобразователей в аварийных режимах осуществляется обычными электромагнитными аппаратами, например, А3700 /1/, имеющими собственное время выключения 2,5 мс. Однако в ряде случаев использования тиристорного преобразователя, выполненного на основе автономного инвертора напряжения повышенной частоты, например в аппаратах полуавтоматической сварки, такая длительность переходного режима аварийного отключения значительно превышает величину, установленную для защиты технологического устройства.

Целью изобретения является решение технической задачи сокращения времени переходного режима аварийного отключения преобразователя от потребителя и амплитуды переменного тока.

Решение поставленной технической задачи обеспечивается тем, что предлагаемый преобразователь, выполненный на основе автономного инвертора напряжения на тиристорах с встречными диодами и коммутирующим колебательным контуром, содержащий LC фильтр переменной составляющей напряжения с дополнительным реактором, индуктивность которого в С_к/С_ф раз меньше индуктивности колебательного контура коммутации, и блок управления, включающий тактовый генератор и формирователь коротких импульсов тока, выходы которого через устройство гальванической развязки связаны с управляющими переходами тиристоров инвертора, а указанный тактовый генератор выполнен на логических элементах ИЛИ-НЕ, а блок управления дополнен пересчетным устройством, ячейкой запрета с памятью и датчиком аварийного тока в виде катушки индуктивности, имеющей индуктивную связь с указанным дополнительным реактором, а выход соединен с входом ячейки запрета.

Благодаря предлагаемому решению поставленной технической задачи при возникновении аварийного режима работы автономного инвертора напряжения в контуре, образованном конденсатором фильтра, дополнительным реактором и тиристорами, начинает протекать импульс аварийного тока синусоидальной формы, амплитуда и длительность которого равны соответственно

где U_o - напряжение на конденсаторе фильтра в момент опрокидывания инвертора;
L_д, С_ф - индуктивность дополнительного реактора и емкость конденсатора фильтра.

При этом на выходе датчика аварийного тока возникает импульс напряжения, обеспечивающий формирование сигнала логической единицы на входе ячейки запрета за время менее 1 мкс, отключение тактового генератора через 0,1 периода инвертирования и полное отключение автономного инвертора напряжения через время не более 0,5 периода.

На фиг. 1 приведена принципиальная схема преобразователя с электронным устройством зашиты в аварийных режимах, на фиг.2, 3 - диаграммы напряжений и токов через элементы преобразователя, иллюстрирующие его работу.

Преобразователь (фиг. 1) содержит автономный инвертор напряжения, выполненный на тиристорах 1-4 со встречными диодами 5-8 и колебательным контуром коммутации, включающим конденсатор 9 и реактор 10, подключенным на выходе инвертора, трансформатор 11 и блок управления 12. На входе автономного инвертора напряжения включен фильтр, содержащий реактор 13 и конденсатор 14, последовательно в цепь которого введен дополнительный реактор 15.

Блок управления 12 предлагаемого преобразователя содержит тактовый генератор 16, пересчетное устройство 17, формирователь импульсов тока управления 18 и устройство гальванической развязки 19.

В состав системы управления преобразователя дополнительно введены пересчетное устройство 17, ячейка запрета 20 с памятью и датчик сигнала аварийного тока 21.

Оперативное включение и отключение преобразователя осуществляется сигналами соответственно "лог.0" или "лог.1", а аварийное - сигналом "лог.1", формируемым ячейкой запрета 20.

Работа предлагаемого преобразователя заключается в следующем.

В исходном состоянии на вход запрета тактового генератора 16 поступает сигнал "лог.1"
В момент времени t₁ сигнал "лог.1" снимается и на выходе тактового генератора формируются импульсы прямоугольной формы частотой, в 10 раз большей частоты инвертирования.

В момент времени t₂ на выходе пересчетного устройства 17 формируется импульс напряжения прямоугольной формы длительностью, равной периоду следования импульсов на выходе тактового генератора. Далее в процессе работы пересчетного устройства 17 на его выходах формируются импульсы напряжения U₂, U₃ указанных параметров со сдвигом во времени на полупериод, а на выходах формирователя 18 формируются импульсы тока i_y1, i_y2 длительностью, равной длительности импульсов на выходе тактового генератора с указанным сдвигом во времени и амплитудой, достаточной для четкого поочередного отпирания тиристоров 1, 2 и 3, 4.

В аварийном режиме (диаграммы фиг.3), обусловленном увеличением тока нагрузки до значений, больших критической величины, в момент t₁ появляется сквозной ток короткого замыкания i_кз через тиристоры 1, 4 или 2, 3 и происходит колебательный перезаряд конденсатора фильтра 14 через дополнительный реактор 15. При этом ток i_кз изменяется по синусоидальному закону, а напряжение на конденсаторе фильтра U_cф - по косинусоидальному. В момент времени t₂ ток i_кз подходит к нулю и с тиристоров 1, 4 переходит в цепь диодов 5, 8. С этого момента времени начинается процесс восстановления управляемости указанных тиристоров. В интервале времени t₁-t₃ напряжение на входе инвертора напряжения U_V можно считать равным 0, а в момент t₃ ток i_кз подходит к нулю и происходит выключение диодов 5, 8.

В момент времени t₁ на выходе датчика аварийного тока 21 благодаря его индуктивной связи с дополнительным реактором 15 наводится импульс напряжения U_кз, поступающий на вход ячейки запрета 20, и происходит формирование сигнала "лог.1" на ее выходе. В результате этого прекращается формирование импульсов U тактовым генератором и импульсов тока управления i_y1, i_y2, a ток короткого замыкания i_кз продолжает протекать до момента t₃. К моменту времени t₃ большая часть энергии, запасенной во входной цепи преобразователя, возвращается в конденсатор фильтра 14.

Наличие в преобразователе реактора фильтра 13 ограничивает нарастание тока во входной цепи до значения, равного

где I_вх - ток на входе преобразователя к моменту возникновения аварийного режима;
U_o - начальное значение напряжения на конденсаторе фильтра;
С_ф, L_ф - емкость конденсатора и индуктивность реактора фильтра;
L_д - индуктивность дополнительного реактора фильтра.

Таким образом, с момента времени t₁ в интервале t₁-t₃, равном

входная цепь инвертора напряжения остается зашунтированной полупроводниковыми приборами, а нагрузка с момента времени t₁ практически отключена от источника питания. В результате этого обеспечивается значительное сокращение времени протекания аварийного тока через полупроводниковые приборы, что предотвращает их необратимые повреждения.

Максимальная длительность аварийного процесса в оборудовании преобразователя не превышает 0,5 периода инвертирования, а длительность импульса аварийного тока через тиристоры и диоды инвертора составляет 0,25 периода, или 50 и 25 мкс при частоте инвертирования 10 кГц.

Иcточники информации
1. Беркович Е. И., Ивенский Г.В., Иоффе Ю.С., Матчак Д.Т., Моргун Б.В. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Л., Энергоиздат. 1983, 204 с.

2. А.с. SU N1310978 Преобразователь постоянного напряжения в переменное /Л.Г. Кощеев, Т.П. Третьяк://Бюллетень изобретений. 1987, N18.

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и предназначено для питания электротехнологических установок. Техническим результатом изобретения является решение задачи сокращения времени переходного режима аварийного отключения преобразователя и уменьшения максимального значения тока короткого замыкания. Предлагаемый преобразователь выполнен на основе автономного инвертора напряжения, содержащего тиристоры 1-4, встречные диоды 5-8, колебательный контур коммутации, включающий реактор 9 и конденсатор 10, трансформатор 11 и блок управления 12. На входе инвертора включен фильтр переменной составляющей напряжения, содержащий реактор 13, конденсатор 14 и дополнительный реактор 15, а указанный блок управления содержит тактовый генератор 16, пересчетное устройство 17, формирователь импульсов тока управления 18 и устройство гальванической развязки 19. Кроме изложенного блок управления дополнен ячейкой запрета с памятью 20 и датчиком сигнала аварийного тока 21. При таком выполнении системы управления формирование импульсов тока управления тиристорами инвертора прекращается через 0,2, а длительность импульса аварийного тока на выходе преобразователя не превышает 0,25 периода инвертирования. 3 ил.

Преобразователь постоянного напряжения в переменное высокой частоты, включающий автономный инвертор напряжения на тиристорах со встречными диодами и колебательным контуром коммутации тока, содержащий LC-фильтр переменной составляющей напряжения, включенный на входе автономного инвертора напряжения, и блок управления, включающий тактовый генератор и формирователь коротких импульсов тока, выходы которого через устройство гальванической развязки связаны с управляющими переходами тиристоров инвертора напряжения, отличающийся тем, что преобразователь дополнен ячейкой запрета с памятью, пересчетным устройством, дополнительным реактором, включенным последовательно в цепь конденсатора указанного LC-фильтра, и датчиком сигнала аварийного тока, вход которого индуктивно связан с указанным дополнительным реактором, а выход соединен с указанной ячейкой запрета, при этом сигнал логической единицы, формируемый на выходе ячейки запрета при возникновении сигнала аварийного тока, отключает тактовый генератор, прекращает формирование импульсов тока управления тиристорами инвертора напряжения и обеспечивает его защитное выключение, при снятии же сигнала запрета с входа указанной ячейки запрета на выходе тактового генератора формируются короткие импульсы прямоугольной формы частотой, большей частоты инвертирования, при этом на выходе пересчетного устройства формируются импульсы напряжения длительностью, равной периоду следования импульсов на выходе тактового генератора со сдвигом во времени на полупериод, а на выходе формирователя коротких импульсов формируются импульсы тока аналогичной длительности, с указанным сдвигом во времени и амплитудой, достаточной для поочередного отпирания тиристоров инвертора.