СПОСОБ ПУСКА АВТОНОМНОГО ИНВЕРТОРА С НАГРУЗКОЙ, ВКЛЮЧЕННОЙ МЕЖДУ ДВУМЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО СОЕДИНЕННЫМИ МОСТАМИ С ВСТРЕЧНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ДИОДАМИ Российский патент 2006 года по МПК H02M7/48 G05F1/56 

Изобретение относится к области электротехники и может найти широкое применение в тиристорных преобразователях частоты, используемых в качестве высокочастотных источников питания индукционных установок для плавки металлов и специальных сплавов в вакууме.

Известен способ пуска автономного инвертора (Кацнельсон С.М., Шилов А.К., Аитов И.Л. Исследование на АВМ переходных и установившихся процессов в тиристорном инверторе. - Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева металлов. Труды УАИ, сб. №2. Уфа, 1972, с.136-137), при котором подают питающее напряжение на вход инвертора, контролируя зарядку фильтрового конденсатора, и при достижении его напряжением заданного значения начинают подачу управляющих импульсов требуемой последовательности на тиристоры синфазных плеч инверторного моста.

При использовании данного способа для пуска автономного инвертора с нагрузкой, включенной между двумя последовательно соединенными мостами, не удается в установившемся режиме достичь эффективного выравнивания напряжений по плечам мостов, вследствие присутствия на их коммутирующих конденсаторах одинаковых по величине постоянных составляющих напряжений взаимно противоположных полярностей.

Известен также способ пуска автономного инвертора (авторское свидетельство СССР №350112, кл. Н 02 М 7/46, Н 02 Р 13/18, 1972), при котором контролируют колебательный ток заряда входного конденсатора, через дроссель фильтра и при достижении этим током своего амплитудного значения подают импульсы управления на тиристоры инвертора.

При использовании данного способа для пуска автономного инвертора с нагрузкой, включенной между двумя последовательно соединенными мостами, невозможно в установившемся режиме обеспечить условия, позволяющие выравнивать напряжения по плечам мостов путем устранения постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах.

Известен способ пуска автономного инвертора с нагрузкой, включенной между двумя последовательно соединенными инверторными мостами с встречно-параллельными диодами, выбранных в качестве прототипа заявляемого изобретения (авторское свидетельство СССР №1492432, кл. Н 02 М 5/45, 7/517, 1989), при котором подают питающее напряжение на вход инвертора, контролируя при этом напряжения на фильтровом и коммутирующих конденсаторах, и при достижении этими напряжениями значений, соответствующих установившемуся режиму работы инвертора, подают требуемую по условиям инвертирования последовательность импульсов управления на синфазные плечи инверторных мостов.

К недостаткам данного способа пуска следует отнести отсутствие условий, обеспечивающих выравнивание напряжений по плечам инверторных мостов, путем устранения постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах в установившемся режиме работы инвертора, что значительно снижает надежность его работы при использовании в высокочастотных источниках питания установок для плавки металлов и специальных сплавов в вакууме.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является выравнивание напряжений по плечам инверторных мостов в установившемся режиме, путем устранения постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах, что может создать существенное повышение надежности работы инвертора.

Задача решается тем, что в способе пуска автономного инвертора с нагрузкой, включенной между двумя последовательно соединенными мостами с встречно-параллельными диодами, при котором питающее напряжение подают на вход инвертора, контролируя при этом напряжения на фильтровом и коммутирующих конденсаторах, и при достижении этими напряжениями величин, соответствующих установившемуся режиму работы инвертора, подают в требуемой по условиям инвертирования последовательности импульсы управления на синфазные плечи мостов, первоначально на вход инвертора подают пониженное питающее напряжение и требуемую по условиям инвертирования последовательность импульсов на тиристоры произвольно выбранных пар синфазных плеч мостов, осциллографируют кривые напряжений на коммутирующих конденсаторах и при обнаружении в этих кривых постоянных составляющих напряжений выключают инвертор, изменяют на 180 эл. градусов фазы управляющих импульсов тиристоров каждой пары синфазных плеч одного из двух инверторных мостов и подают полное номинальное напряжение на вход инвертора.

Сущность изобретения поясняется чертежами, представленными на фиг.1...фиг.8: фиг.1 - электрическая схема устройства, реализующая предлагаемый способ пуска; фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия устройства, реализующего предлагаемый способ пуска; фиг.3 - схемы замещения силовой части устройства для токов утечки вентильных плеч в интервалах паузы; фиг.4 - схемы замещения инвертора в интервалах проводимости группы тиристоров 1, 3, 10, 12 и встречно-параллельных диодов 5, 7, 14, 16; фиг.5 - схема замещения инвертора в интервале проводимости группы тиристоров 2, 4, 9, 11 и встречно-параллельных диодов 6, 8, 13, 15; фиг.6 - схема замещения инвертора в интервале проводимости группы тиристоров 1, 3, 9, 11 и встречно-параллельных диодов 5, 7, 13, 15; фиг.7 - схема замещения инвертора в интервале проводимости тиристоров 2, 4, 10, 12 и встречно-параллельных диодов 6, 8, 14, 16; фиг.8 - временные диаграммы, поясняющие принцип действия инвертора в интервале проводимости тиристоров 1, 3, 9, 11 с встречно-параллельными диодами 5, 7, 13, 15 и тиристоров 2, 4, 10, 12 с встречно-параллельными диодами 6, 8, 14, 16.

При использовании автономного инвертора тока с встречно-параллельными диодами и удвоением частоты в качестве источника бестрансформаторного питания установок вакуумной индукционной плавки металлов и специальных сталей возникает необходимость понижения потенциалов выходных зажимов инвертора относительно земли. Инвертор, питающийся от промышленной сети с заземленной нейтралью через трехфазный мостовой выпрямитель, имеет на каждом из выходных зажимов постоянный потенциал относительно земли, равный половине выпрямленного напряжения (Маркин П.М., Рапоткин М.В., Казаков В.Т. и др. Опыт промышленного внедрения и эксплуатации тиристорных преобразователей частоты для вакуумной электротермии - Всесоюзный научно-технический семинар "Разработка и промышленное применение полупроводниковых преобразователей для индукционного нагрева металлов" Тезисы докладов. Уфа, 1974, с.22-26). Этот потенциал в совокупности с переменной высокочастотной составляющей может создать довольно высокое напряжение между выводами обмотки индуктора и заземленным корпусом вакуумной камеры. Поскольку плавка ведется при такой степени вакуума (10^-2...10^-3 мм рт.ст.), когда существенно снижена электрическая прочность разряженного пространства вакуумной камеры, то вышеуказанное обстоятельство приводит к пробоям с токоведущих частей на заземленный корпус. Для ликвидации постоянного потенциала на выходных зажимах преобразователя относительно земли широко применяется включение нагрузки между двумя последовательно соединенными инверторными мостами, что обеспечивает симметрирование индуктора плавильной печи относительно обоих полюсов выпрямителя (Кацнельсон С.М., Добромыслов В.П., Исхаков И.Р. Тиристорный преобразователь частоты для вакуумной электротермии. - Всесоюзный научно-технический семинар "Разработка и промышленное применение полупроводниковых преобразователей для индукционного нагрева металлов" Тезисы докладов. Уфа, 1974, с.175-178).

Однако при последовательном соединении инверторных мостов возможно возникновение постоянных составляющих напряжения на коммутирующих конденсаторах, что обусловлено неравенством токов утечки полупроводниковых вентилей (Кацнельсон С.М., Аитов И.Л., Гутин Л.И. Тиристорный преобразователь на частоту 2500 Гц мощностью 100 кВт. - Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева металлов. Труды УАИ, сб. №1. Уфа, 1971, с.52-64). Алгебраическая сумма постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах, соединенных между собой последовательно в одну цепь через синфазно работающие вентили инверторных мостов, всегда равна нулю. То есть внешняя цепь как бы "не замечает" присутствия этих составляющих на коммутирующих конденсаторах и, следовательно, не может осуществить их ликвидацию. На каждом же из конденсаторов постоянная составляющая напряжения в один полупериод суммируется с переменной составляющей, а в другой - вычитается из нее, что может приводить к существенной разнице между напряжениями на противофазных плечах каждого инверторного моста.

Данный способ пуска позволяет обнаружить постоянные составляющие напряжений на коммутирующих конденсаторах двух последовательно соединенных через нагрузку инверторных мостов и изменить на 180 эл. градусов фазу отпирания каждой пары синфазных плеч тиристоров одного из мостов. Подать напряжение на вход инвертора и при достижении напряжений на фильтровом и коммутирующих конденсаторах величин, соответствующих установившемуся режиму его работы, подать требуемые по условию инвертирования последовательности импульсов управления на синфазные плечи инверторных мостов. В результате удается устранить постоянные составляющие напряжений на коммутирующих конденсаторах и, следовательно, выровнять напряжения по плечам мостов в установившемся режиме работы инвертора.

На фиг.1 приведена схема устройства, реализующая предлагаемый способ пуска - автономный инвертор с нагрузкой, включенной между двумя последовательно соединенными инверторными мостами с встречно-параллельными диодами.

Инвертор содержит два последовательно соединенных моста на тиристорах 1-4, 9-12 и встречно-параллельных диодах 5-8, 13-16 с коммутирующими конденсаторами 17, 20 и коммутирующими дросселями 18, 21 в диагоналях переменного тока. Между инверторными мостами включена нагрузка 19. Питание инвертора от источника постоянного тока осуществляется через сглаживающий дроссель 22. Параллельно источнику постоянного тока и сглаживающему дросселю 22 присоединена цепочка, содержащая последовательно соединенные конденсатор фильтра 23 и защитный дроссель 24.

Управляющие переходы тиристоров инверторных мостов через трансформаторы распределителя импульсов 25-32 и двухполюсные переключатели 33, 34 подключены к двум взаимно противоположным выходам генератора импульсов 35 блока управления инвертором 36. Параллельно конденсатору фильтра 23 подключен датчик контроля напряжения 37, выход которого присоединен к блоку управления инвертором 36, а параллельно коммутирующим конденсаторам 17, 20 подключены устройства их предварительной подзарядки и контроля напряжения 38, 39, выходы которых также связаны с блоком управления инвертором 36.

Рассмотрим работу инвертора в установившемся режиме.

Пусть вначале подвижные контакты переключателя 33 находятся в верхнем положении, а контакты переключателя 34 - в нижнем положении, как показано на фиг.1. В установившемся режиме конденсатор фильтра 22 заряжен по постоянной составляющей до напряжения источника питания. При включении тиристоров 1, 3, 10, 12 (фиг.2, а) начинается перезаряд коммутирующих конденсаторов 17 и 20 через коммутирующие дроссели 18, 21, нагрузку 19 и защитный дроссель 24, причем ток коммутирующих диагоналей мостов течет в направлении, указанном стрелками, которое условно будем считать прямым (фиг.2, в).

Параметры инвертора подобраны так, что процесс носит колебательный характер. При прохождении тока через нулевое значение происходит выключение тиристоров 1, 3, 10, 12 и включение встречно-параллельных диодов 5, 7, 14, 16 и ток коммутирующих диагоналей начинает протекать в обратном направлении.

В интервале проводимости этих диодов к тиристорам 1, 3, 10, 12 прикладывается небольшое обратное напряжение, и они успевают восстановить свою управляемость. Когда ток коммутирующих диагоналей проходит через нулевое значение, диоды 5, 7, 14, 16 выключаются. По истечении паузы, необходимой для запирания этих диодов и предотвращения опасности возникновения сквозных токов в мостах, управляющие импульсы подаются на тиристоры 2, 4, 9, 11 (фиг.2, б) и ток коммутирующих диагоналей мостов вновь протекает в обратном направлении. После выключения тиристоров 2, 4, 9, 11 включаются диоды 6, 8, 13, 15 и ток коммутирующих диагоналей опять протекает в прямом направлении.

Таким образом, за полный цикл работы всех вентилей инвертора в нагрузке 19 будут получены два полных периода тока (фиг.2, г).

На фиг.3 приведены схемы замещения силовой части рассматриваемого двухмостового инвертора для токов утечки вентильных плеч в интервалах паузы.

Различие тока утечки каждого вентильного плеча в интервале паузы, следующей непосредственно за выключением его встречно-параллельного диода, и тока утечки этого же плеча в интервале паузы, предшествующей включению его тиристора, учитывается рассмотрением ситуаций (а) и (б). Этим ситуациям соответствуют различные средние значения сопротивлений резисторов, условно замещающих реальные вентильные плечи мостов. Усреднение величины сопротивления утечки вентильного плеча производится следующим образом.

В соответствии с законом Ома можно записать

где i_ут и r_ут - ток утечки и соответствующее ему сопротивление вентильного плеча инверторного моста; U_вп - постоянное напряжение на вентильном плече в интервале паузы (фиг.2, ж).

Очевидно, что постоянные составляющие напряжений на коммутирующих конденсаторах инверторных мостов определяются результирующими электрическими зарядами, накапливаемыми на этих конденсаторах токами утечки вентилей. Следовательно, интегрируя обе части выражения (1) по интервалу паузы, получаем

где t_п - длительность паузы, определяемая усредненным временем выключения встречно-параллельного диода данного типа.

Поскольку U_вп=const, то правая часть выражения (2) может быть представлена в виде

где - усредненная (интегральная) проводимость утечки вентильного плеча в интервале паузы; - усредненное (интегральное) сопротивление утечки вентильного плеча в том же интервале.

В ситуации, представленной на фиг.3,а, для определенности принят такой разброс сопротивлений утечки вентилей, что и . Тогда результирующие токи утечки и коммутирующих диагоналей мостов должны протекать в указанных направлениях, вызывая накопление на обкладках коммутирующих конденсаторов электрических зарядов соответствующих знаков.

В ситуации, представленной на фиг.3, б, также для определенности принят разброс сопротивлений утечки вентилей, соответствующий условиям и . В итоге, вследствие наложения обеих представленных ситуаций на коммутирующих конденсаторах мостов будут накоплены результирующие электрические заряды, обусловливающие появление постоянных составляющих напряжений, показанных на фиг.2, д и фиг.2, е.

Об абсолютных величинах этих постоянных составляющих можно сказать следующее. Если синфазными (одновременно включаемыми) являются тиристоры 1, 3, 10, 12, то полярности постоянных составляющих U_о1 и U_о2 напряжений на коммутирующих конденсаторах 17 и 20 в общей последовательной цепи оказываются взаимно противоположными. На фиг.4 приведена схема замещения инвертора в интервалах проводимости группы тиристоров 1, 3, 10, 12 и встречно-параллельных диодов 5, 7, 14, 16, а на фиг.5 - соответственно схема замещения инвертора в интервалах проводимости группы тиристоров 2, 4, 9, 11 и встречно-параллельных диодов 6, 8, 13, 15.

Из рассмотрения схем замещения на фиг.4 и фиг.5 нетрудно видеть, что левая часть схемы инвертора, питающая цепочку последовательно соединенных инверторных мостов, не "заметит" присутствия на коммутирующих конденсаторах 17 и 20 постоянных составляющих напряжений лишь при условии равенства нулю их алгебраической суммы. Любое гипотетическое отклонение этой суммы от нулевого значения должно неизбежно вызывать соответствующий разбаланс основных токов i_к коммутирующих диагоналей мостов в рассматриваемых на фиг.4 и фиг.5 временных интервалах, приводящий к самобалансировке постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах и установлению равенства U_о1=U_о2=U_о при их взаимно противоположных полярностях.

Отсюда следует, что тенденция к накоплению постоянной составляющей напряжения той или иной полярности на коммутирующем конденсаторе обусловлена разбросом сопротивлений утечки вентильных плеч каждого моста в отдельности. Для конкретных вентилей, установленных в каждом мосте, эта тенденция предопределена изначально и может варьироваться каким-либо изменением сочетаний вентилей в плечах (перестановкой перебором, переходом на другой тип полупроводниковых приборов). Однако для всей цепочки последовательно соединенных мостов принципиальная возможность возникновения указанных постоянных составляющих напряжений определяется взаимными полярностями, с которыми они вводятся в общую цепь мостов одновременно включаемыми (синфазными) вентильными плечами. Так в ситуации, приведенной на фиг.4 и фиг.5, полная самобалансировка постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах имеет место при некотором уровне напряжения U_о.

Изменим сочетание синфазных вентилей, как показано на фиг.6 и фиг.7, то есть одновременно теперь будем включать тиристоры 1, 3, 9, 11, а затем тиристоры 2, 4, 10, 12. При этом полярности виртуальных постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах в общей цепи инверторных мостов должны стать согласными. Тогда становится очевидным, что алгебраическая сумма этих напряжений может быть равной нулю только при полном отсутствии каждого из них. Следовательно, в данном случае самобалансировка постоянных составляющих напряжений должна естественно предполагать их полное исчезновение на каждом из коммутирующих конденсаторов, как показано на фиг.8.

Учитывая вышеизложенное, рассмотрим работу устройства, реализующего предлагаемый способ пуска автономного инвертора тока с нагрузкой, включенной между двумя последовательно соединенными мостами с встречно-параллельными диодами.

На фиг.1 представлено такое положение переключателей 33 и 34, при котором вначале синфазными являются вентильные плечи, содержащие тиристоры 1, 3, 10, 12, а затем - вентильные плечи, содержащие тиристоры 2, 4, 9, 11.

Вначале на вход инвертора подают пониженное питающее напряжение, равное половине его полного номинального значения (на таком питающем напряжении инвертор может работать без опасности выхода из строя его элементов даже при наличии постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах мостов), и требуемую по условию инвертирования последовательность импульсов управления (например, на тиристоры 1, 3, 10, 12, а затем на тиристоры 2, 4, 9, 11), осциллографируют кривые напряжений на коммутирующих конденсаторах 17, 20 и при обнаружении в этих кривых постоянных составляющих выключают инвертор.

Для ликвидации постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах 17, 20 изменяют на обратное положение подвижных контактов переключателей 33 и 34. Теперь одновременно включаемыми становятся тиристоры 1, 3, 9, 11, а далее - тиристоры 2, 4, 10, 12. Такая манипуляция с переключателями 33,34 соответствует изменению на 180 эл. градусов фазы отпирания каждой пары синфазных плеч одного из двух (в данном случае нижнего по схеме, фиг.1) инверторного моста.

Изменив положение подвижных контактов переключателей 33 и 34, подают на вход инвертора номинальное напряжение, включают устройства предварительной подзарядки и контроля напряжений 37, 38, 39 коммутирующих конденсаторов 17, 20 и фильтрового конденсатора 23. При достижении напряжений на фильтровом конденсаторе 23 и коммутирующих конденсаторах 17, 20 величин, соответствующих установившемуся режиму работы инвертора, запускается блок управления инвертором 36, который выдает в требуемой последовательности импульсы управления на синфазные плечи инверторных мостов (в данном случае - на тиристоры 1, 3, 9, 11, а далее - на тиристоры 2, 4, 10, 12).

В процессе проведения любых пусконаладочных работ, связанных с перестановкой или заменой тиристоров и диодов в случае обнаружения постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах инверторных мостов, изменение на 180 эл. градусов фазы отпирания каждой пары синфазных плеч одного из двух мостов, позволяет полностью ликвидировать эти постоянные составляющие, обеспечивая выравнивание напряжений по плечам мостов и повышение надежности работы инвертора.

В настоящее время данный способ пуска проходит испытания в источниках питания, выпускаемых НПП "Курай" для плавки металлов и специальных сплавов в вакууме.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в тиристорных преобразователях частоты для плавки металлов и специальных сплавов в вакууме. Техническим результатом является выравнивание напряжений по плечам инверторных мостов в установившемся режиме путем устранения постоянных составляющих напряжений на коммутирующих конденсаторах, что может создать существенное повышение надежности работы инвертора. В способе пуска автономного инвертора с нагрузкой, включенной между двумя последовательно соединенными мостами с встречно-параллельными диодами, первоначально на вход инвертора подают пониженное питающее напряжение и требуемую по условиям инвертирования последовательность импульсов управления на тиристоры произвольно выбранных пар синфазных плеч мостов, осциллографируют кривые напряжений на коммутирующих конденсаторах и при обнаружении в этих кривых постоянных составляющих напряжений выключают инвертор, изменяют на 180 эл. градусов фазы управляющих импульсов тиристоров каждой пары синфазных плеч одного из двух инверторных мостов и подают полное номинальное напряжение на вход инвертора. 8 ил.

Способ пуска автономного инвертора с нагрузкой, включенной между двумя последовательно соединенными мостами с встречно-параллельными диодами, при котором питающее напряжение подают на вход инвертора, контролируя при этом напряжения на фильтровом и коммутирующих конденсаторах, и при достижении этими напряжениями величин, соответствующих установившемуся режиму работы инвертора, подают в требуемой по условиям инвертирования последовательности импульсы управления на синфазные плечи мостов, отличающийся тем, что первоначально на вход инвертора подают пониженное питающее напряжение и требуемую по условиям инвертирования последовательность импульсов управления на тиристоры произвольно выбранных пар синфазных плеч мостов, осциллографируют кривые напряжений на коммутирующих конденсаторах и при обнаружении в этих кривых постоянных составляющих напряжений выключают инвертор, изменяют на 180 эл. градусов фазы управляющих импульсов тиристоров каждой пары синфазных плеч одного из двух инверторных мостов и подают полное номинальное напряжение на вход инвертора.