СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИНВЕРТОРОМ ТОКА Российский патент 2006 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах управления для установок индукционного нагрева.

Известен способ управления инвертором тока, подключенным через соединительную цепь L к нагрузке в виде колебательного контура, образованного параллельно включенными активно-индуктивным потребителем и компенсирующей емкостью С, заключающийся в измерении мгновенных значений тока i и напряжения u нагрузки и тока j компенсирующей емкости, формировании периодически изменяющегося управляющего напряжения v, поочередном включении вентилей, формирующих прямую и обратную полуволну напряжения в нагрузке, в момент перехода управляющего напряжения через нуль (А.с. 1690136 СССР, МКИ H 02 M 7/48. Способ управления параллельным инвертором тока со стабилизирующим диодом / Силкин Е.М., Силкина В.Н. // Б.И. - 1991. - N 4).

Недостатком способа управления является низкий коэффициент полезного действия инвертора тока, в том числе при выполнении инвертора тока на полностью управляемых вентилях, работающего в условиях изменения параметров нагрузки в широких пределах, что обусловлено управлением с завышенной емкостной расстройкой нагрузочного колебательного контура и потреблением им реактивной мощности, загружающей элементы инвертора тока, а также значительными коммутационными потерями в вентилях и демпфирующих цепях в условиях жесткой коммутации при высоком уровне напряжения.

Известен способ управления инвертором тока, подключенным через соединительную цепь L к нагрузке в виде колебательного контура, образованного параллельно включенными активно-индуктивным потребителем и компенсирующей емкостью С, заключающийся в измерении мгновенных значений тока i и напряжения u нагрузки и тока j компенсирующей емкости, формировании периодически изменяющегося управляющего напряжения v, поочередном включении вентилей, формирующих прямую и обратную полуволну напряжения в нагрузке, в момент перехода управляющего напряжения через нуль (А.с. СССР 1279034, МКИ H 02 M 7/48. Способ управления инвертором / Мустафа Г.М., Мотыль А.П., Юлегин А.Н. // Б.И. - 1986. - N 47).

Недостатком способа управления является низкий коэффициент полезного действия инвертора тока, в том числе при выполнении инвертора тока на полностью управляемых вентилях, работающего в условиях изменения параметров нагрузки в широких пределах, что обусловлено управлением с завышенной емкостной расстройкой нагрузочного колебательного контура и потреблением им реактивной мощности, загружающей элементы инвертора тока, а также значительными коммутационными потерями в вентилях и демпфирующих цепях в условиях жесткой коммутации при высоком уровне напряжения.

Известен способ управления инвертором тока, подключенным через соединительную цепь L к нагрузке в виде колебательного контура, образованного параллельно включенными активно-индуктивным потребителем и компенсирующей емкостью С, заключающийся в измерении мгновенных значений тока i и напряжения u нагрузки и тока j компенсирующей емкости, формировании периодически изменяющегося управляющего напряжения v, поочередном включении вентилей, формирующих прямую и обратную полуволну напряжения в нагрузке, в момент перехода управляющего напряжения через нуль (Мустафа Г.М., Юлегин А.Н. Управление по вычисляемому прогнозу инвертором серии ТПЧ // Электротехника, - 1988. - N 4. - с.58.).

Недостатком способа управления является низкий коэффициент полезного действия инвертора тока, в том числе при выполнении инвертора тока на полностью управляемых вентилях, работающего в условиях изменения параметров нагрузки в широких пределах, что обусловлено управлением с завышенной емкостной расстройкой нагрузочного колебательного контура и потреблением им реактивной мощности, загружающей элементы инвертора тока, а также значительными коммутационными потерями в вентилях и демпфирующих цепях в условиях жесткой коммутации при высоком уровне напряжения.

Известен способ управления инвертором тока, подключенным через соединительную цепь L к нагрузке в виде колебательного контура, образованного параллельно включенными активно-индуктивным потребителем и компенсирующей емкостью С, заключающийся в измерении мгновенных значений тока i и напряжения u нагрузки и тока j компенсирующей емкости, формировании периодически изменяющегося управляющего напряжения v, поочередном включении вентилей, формирующих прямую и обратную полуволну напряжения в нагрузке, в момент перехода управляющего напряжения через нуль (Р. 3882370 USA, IC H 02 М 7/52. Control of Power converters haupc a parallel resonant commutation circuit / Murray M. // O.G. - 1974. - N 20).

Данный способ управления инвертором тока является наиболее близким к заявляемому и выбирается в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкий коэффициент полезного действия инвертора тока, в том числе при выполнении инвертора тока на полностью управляемых вентилях, работающего в условиях изменения параметров нагрузки в широких пределах, что обусловлено управлением с завышенной емкостной расстройкой нагрузочного колебательного контура и потреблением им реактивной мощности, загружающей элементы инвертора тока, а также значительными коммутационными потерями в вентилях и демпфирующих цепях в условиях жесткой коммутации при высоком уровне напряжения.

Изобретение направлено на решение задачи повышения коэффициента полезного действия при работе инвертора тока на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с изменяющимися в широких пределах параметрами, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления инвертором тока, подключенным через соединительную цепь L к нагрузке в виде колебательного контура, образованного параллельно включенными активно-индуктивным потребителем и компенсирующей емкостью С, заключающемся в измерении мгновенных значений тока i и напряжения u нагрузки и тока j компенсирующей емкости, формировании периодически изменяющегося управляющего напряжения v, поочередном включении вентилей, формирующих прямую и обратную полуволну напряжения в нагрузке, в момент перехода управляющего напряжения через нуль, управляющее напряжение формируют в соответствии с выражением

v=4 k L i j /С + u²,

где k - постоянный коэффициент.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение коэффициента полезного действия при работе инвертора тока на изменяющуюся в широких пределах нагрузку, при выполнении инвертора тока на полностью управляемых вентилях, за счет уменьшения емкостной расстройки нагрузочного колебательного контура, снижения уровня реактивной мощности, уменьшения коммутационных потерь в вентилях и демпфирующих цепях.

Повышение коэффициента полезного действия инвертора тока, выполненного на полностью управляемых вентилях, при работе на изменяющуюся в широких пределах нагрузку, является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями, порядком их осуществления при формировании управляющего напряжения в способе управления, т.е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления инвертором тока являются существенными.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа управления; на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие способ управления инвертором тока.

Способ управления инвертором тока, подключенным через соединительную цепь L к нагрузке в виде колебательного контура, образованного параллельно включенными активно-индуктивным потребителем и компенсирующей емкостью С, реализуется следующими действиями.

Измеряют мгновенные значений тока i и напряжения u нагрузки и тока j компенсирующей емкости. Формируют периодически изменяющееся управляющее напряжения v. Поочередно включают вентили, формирующие прямую и обратную полуволну напряжения в нагрузке в момент перехода управляющего напряжения через нуль. Причем управляющее напряжение формируют в соответствии с выражением

v=4 k L i j/С + u²,

где k - постоянный коэффициент.

Устройство для реализации способа управления инвертором тока содержит однофазный мост на четырех полностью управляемых вентилях 1-4, подключенный к входным выводам через дроссель фильтра 5, с нагрузкой, подключенной к выходным выводам инвертора тока через соединительную цепь с индуктивностью L 6, в виде колебательного контура, образованного параллельно включенными активно-индуктивным потребителем 7, 8 (индуктором) и компенсирующим конденсатором емкостью С 9, последовательную цепь, содержащую блок аналогового перемножения 10, на входы которого поступают сигналы с датчиков мгновенных значений тока в нагрузочном контуре i и тока компенсирующей емкости j, согласующий усилитель 11, сумматор 12, нуль-орган 13 и формирователь импульсов управления 14, выходы которого соединены с управляющими электродами вентилей инвертора тока, а также второй блок аналогового перемножения 15, на входы которого поступает сигнал с датчика мгновенного значения напряжения на нагрузке, а выход которого соединен с вторым входом сумматора.

Устройство для реализации способа управления работает следующим образом.

В момент включения очередной пары вентилей при выполнении условия v=0, например вентилей 2, 3, компенсирующий конденсатор 9 заряжен до заданного уровня напряжения с полярностью "+" на верхней (по схеме) обкладке. Конденсатор 9 начинает разряжаться по цепям 9-6-1-3-9 и 9-6-2-4-9. При этом ток работающих на предыдущем временном интервале вентилей 1, 4 снижается от значения i до нулевого значения, а ток вентилей 2, 3 нарастает от нулевого значения до значения i. Процесс коммутации заканчивается в момент времени, когда мгновенное значение напряжения на компенсирующем конденсаторе 9 принимает нулевое значение. Таким образом, за счет энергии, накопленной в электрическом поле компенсирующего конденсатора на предыдущем интервале работы, а также энергии, переданной в компенсирующий конденсатор индуктивностью соединительной цепи 6, осуществляется коммутация вентилей. Окончание процесса коммутации в момент времени, когда напряжение на компенсирующем конденсаторе 9 становится равным нулю, обеспечивается при выполнении условия

4 k L i j/С + u²=0.

Коэффициент k имеет значение, близкое к единице, и обеспечивает коррекцию незначительной неточности условия, вызванной ошибками линеаризации электромагнитных процессов в инверторе тока на интервале коммутации.

На выходе блока аналогового перемножения 10 имеем сигнал

а=i*j

На выходе согласующего усилителя 11 сигнал равен

b=k*а

На выходе второго блока аналогового перемножения 15 сигнал равен

с=u*u

Сумматор складывает сигналы с выходов согласующего усилителя 11 и блока перемножения 15 и на его выходе имеем сигнал, равный управляющему напряжению

v=b+с

Нуль-орган 13 сравнивает управляющее напряжение v с нулем. В момент равенства управляющего напряжения нулевому значению на выходе нуль-органа 13 формируется импульс, в соответствии с которым формирователь импульсов управления 14 вырабатывает сигналы управления на очередное включение вентилей 1, 4 или 2. 3. Электромагнитные процессы в инверторе тока при включении вентилей 1, 4 и 2, 3 протекают аналогично. Индуктор 7, 8 имеет высокую добротность и напряжение на компенсирующем конденсаторе имеет форму, близкую к синусоидальной. Индуктивность дросселя фильтра 5 достаточно велика и обеспечивает хорошее сглаживание входного тока инвертора.

Остаточное напряжение на компенсирующем конденсаторе 9 в момент коммутации при условии v=0 зависит от величины индуктивности L соединительной цепи 6, а также от параметров индуктора 7, 8 и составляет (при выбранных реальных параметрах) несколько процентов от амплитуды напряжения на компенсирующем конденсаторе 9. Указанное остаточное напряжение является минимально возможной величиной, обеспечивающей принудительную коммутацию вентилей.

На временных диаграммах в момент времени t1 управляющее напряжение v становится равным нулевому значению, и формируются сигналы управления на включение очередной пары вентилей 1, 4 или 2, 3. Процесс коммутации вентилей протекает в интервале t2-t1. При этом в интервале коммутации ток нагрузки i изменяется от значения +i до значения -i, ток компенсирующей емкости j достигает максимального значения, а напряжение на нагрузке u (компенсирующей емкости) достигает нулевого значения.

По сравнению с прототипом повышается коэффициент полезного действия инвертора тока на полностью управляемых вентилях при работе на нагрузку с изменяющимися параметрами в широких пределах. Повышение коэффициента полезного действия обеспечивается работой инвертора тока в режиме, наиболее близком к режиму линейного резонанса нагрузочного колебательного контура, образованного параллельным соединением индуктора и компенсирующей емкости, уменьшением циркуляции реактивной энергии через элементы инвертора тока, а также снижением коммутационных потерь в вентилях и демпфирующих цепях при обеспечении наиболее оптимального режима принудительной коммутации вентилей при низких уровнях напряжения на компенсирующей емкости.

Изобретение (ИЗ) относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах управления для установок индукционного нагрева. ИЗ обеспечивает технический результат - повышает коэффициент полезного действия инвертора тока (ИТ) на полностью управляемых вентилях. Способ управления ИТ, подключенным через соединительную цепь с индуктивностью L к нагрузке (НА) в виде колебательного контура, образованного параллельно включенными активно-индуктивным потребителем и компенсирующей емкостью (ЕМ)С, заключается в измерении мгновенных значений тока i и напряжения u и НА и тока j ЕМ, формировании периодически изменяющегося управляющего напряжения (УН) v, поочередном включении вентилей, формирующих прямую и обратную полуволну напряжения в НА, в момент перехода УН через нуль. УН формируют в соответствии с выражением v=4 k L i j/C + u², где k - постоянный коэффициент. 2 ил.

Способ управления инвертором тока, подключенным через соединительную цепь L к нагрузке в виде колебательного контура, образованного параллельно включенными активно-индуктивным потребителем и компенсирующей емкостью С, заключающийся в измерении мгновенных значений тока i и напряжения u нагрузки и тока j компенсирующей емкости, формировании периодически изменяющегося управляющего напряжения v, поочередном включении вентилей, формирующих прямую и обратную полуволну напряжения в нагрузке, в момент перехода управляющего напряжения через нуль, отличающийся тем, что управляющее напряжение формируют в соответствии с выражением

v=4 k L i j/C + u²,

где k - постоянный коэффициент.