СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ Российский патент 2008 года по МПК H02M7/527 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах индукционного нагрева с полупроводниковыми преобразователями частоты при создании систем управления.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами (патент RU 2152683), который заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления на транзисторы, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, и изменении временного интервала подачи импульсов управления в функции длительности интервала проводящего состояния ключа и встречно-параллельного диода.

Недостатками способа являются: малый диапазон и низкая точность регулирования, что не удовлетворяет ряду технологических процессов, завышенная габаритная мощность ключей, вызванная большим амплитудным значением тока при малом действующем значении.

Другим способом управления преобразователем частоты является широтно-импульсное регулирование выходного напряжения инвертора (патент RU 2061292). Преобразователь содержит последовательно соединенные выпрямитель, емкостный фильтр и двухтактный мостовой транзисторный инвертор, каждый транзистор которого зашунтирован конденсатором и встречно-параллельным диодом. В процессе работы инвертора формируют и поочередно подают на транзисторы отпирающие и запирающие импульсы, длительность отпирающих импульсов устанавливают в диапазоне 0,15-0,3 периода выходного напряжения, контролируют напряжение на конденсаторах и включение очередной пары транзисторов осуществляют в момент равенства напряжения на конденсаторе уровню менее 0,2 от максимального уровня напряжения.

Этот способ позволяет уменьшить коммутационные потери в транзисторах за счет обеспечения коммутации при нулевых значениях токов и напряжений, что повышает надежность работы преобразователя. Контроль напряжения на коммутирующем конденсаторе может осуществляться путем определения времени разряда коммутирующих конденсаторов по модели преобразователя либо путем измерения.

К недостаткам преобразователя частоты можно отнести ограниченный диапазон регулирования ширины импульса - 0,15-0,3 периода выходного напряжения, кроме того, явно завышенный реактивный ток через транзисторы, и низкий коэффициент мощности, обусловленный фазовым сдвигом основных гармоник тока и напряжения.

Выходная мощность преобразователей описанных способов управления ограничена предельными энергетическими характеристиками используемых транзисторов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ регулирования выходного напряжения преобразователя, состоящего из нескольких инверторов и многоэлементного согласующего трансформатора, описанный в SU 754635. Первичные обмотки трансформатора соединены с соответствующими инверторами, выполненными по мостовой схеме, а вторичные - соединены последовательно и образуют контур суммирования напряжения. Преобразователь также включает блок управления, формирующий импульсы с регулируемыми углами задержки и опережения, поступающие на управляющие входы инверторов. При работе всех инверторов в режиме поочередного замыкания транзисторов, образующих диагонали инвертора, выходные напряжения всех трансформаторов включаются в контур суммирования, и на нагрузке формируется максимальное напряжение, равное сумме напряжений вторичных обмоток. Для регулирования выходного напряжения преобразователя один из инверторов вводится в режим фазового регулирования, в процессе которого производится фазовый сдвиг управляющих импульсов одной пары транзисторов инвертора - в сторону опережения, другой пары - в сторону задержки. В результате, на части полупериода происходит синфазное включение смежных транзисторов, что приводит к закорачиванию на этих интервалах первичной обмотки трансформатора. Дальнейшее увеличение фазового сдвига приводит к росту длительности закороченного состояния обмотки трансформатора, за счет чего и осуществляется регулирование выходного напряжения.

Основным недостатком прототипа является неблагоприятный режим коммутации транзисторов при работе в резонансном режиме, которые в случаях как опережения, так и запаздывания переключения коммутируют ненулевой ток, что приводит к появлению значительных динамических потерь и ухудшает эксплутационные и энергетические характеристики.

Целью изобретения является повышение энергетических показателей преобразования и обеспечение благоприятных режимов коммутации транзисторов преобразователя.

Эта цель достигается тем, что в отличие от прототипа в способе регулирования выходного напряжения преобразователя, содержащего несколько инверторов, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, один из которых вводят в режим регулирования, а также многоэлементный согласующий трансформатор, первичные обмотки которого соединены с соответствующими инверторами, а вторичные обмотки соединены последовательно и образуют контур суммирования напряжения, указанный один из инверторов вводят в режим кодоимпульсного регулирования, для чего задают и изменяют два временных интервала, кратных периоду колебаний синусоидального тока: интервал «вольтодобавки», при котором путем поочередного замыкания диагоналей указанного инвертора напряжение соответствующего трансформатора суммируется с остальными и прикладывается к нагрузке, и интервал «закоротки», образованный непрерывно открытым состоянием двух смежных ключей инвертора, при котором напряжение первичной обмотки соответствующего трансформатора исключается из контура суммирования. При этом такт управления каждого из нерегулируемых инверторов равен по длительности такту управления регулируемого инвертора и определяется только длительностью одного из интервалов «вольтодобавки» или «закоротки», причем, если один из интервалов управления регулируемым инвертором сокращается до нуля, дальнейшее регулирование напряжения осуществляется путем изменения состояния одного из нерегулируемых инверторов и соответствующего смещения диапазона указанного регулируемого инвертора. Таким образом, формируются два интервала с разными амплитудами суммарного выходного напряжения преобразователя (U1, U2), причем различные сочетания длительностей указанных интервалов (T1, T2) образуют несколько уровней выходного напряжения U_cp, определяемых выражением

где Т - период, длительность такта управления.

Комбинация состояний инверторов определяет границы диапазона регулирования регулируемого инвертора.

С целью уменьшения количества нерегулируемых инверторов с сохранением прежнего соотношения мощностей преобразователя и регулируемого инвертора, выходные напряжения трансформаторов нерегулируемых инверторов могут быть установлены пропорциональными весовым коэффициентам двоичного кода (1, 2, 4, 8, 16, ...), при этом весовой коэффициент регулируемого инвертора равен 1. Если один из интервалов управления регулируемым инвертором сокращается до нуля, дальнейшее регулирование напряжения осуществляется путем изменения состояний нерегулируемых инверторов таким образом, чтобы сумма весовых коэффициентов нерегулируемых инверторов находящихся в режиме «вольтодобавки» изменилась на единицу и границы регулирования регулируемого инвертора смещаются на величину напряжения младшего весового коэффициента.

Техническим результатом изобретения является существенное снижение динамических потерь при переключении силовых коммутирующих приборов, что является существенным при данном способе регулирования и обеспечивает высокие энергетические и технико-эксплуатационные показатели.

Сущность способа поясняется ссылками на чертеже, на которых представлено: на Фиг.1 - функциональная схема преобразователя, реализующего данный способ; на фиг.2 - временные диаграммы работы преобразователя, реализующего способ; фиг.3 - структурная схема преобразователя, реализующего данный способ.

Функциональная схема устройства для реализации способа управления резонансным преобразователем на фиг.1 включает несколько резонансных инверторов 1, 2, n, включенных параллельно по входу, выпрямитель на диодах 3-8, Г-образный фильтр, состоящий из дросселя 9 и конденсатора 10. Инвертор 1 образован транзисторами 11-14 с обратными диодами 15-18, инвертор 2 образован транзисторами 19-22 с обратными диодами 23-26. Выходы инверторов нагружены на трансформаторы 27, 28. соответственно, вторичные обмотки которых включены последовательно и образуют контур суммирования напряжения, прикладываемого к нагрузке, в виде последовательного резонансного контура, состоящего из резонансного конденсатора 29 и индуктора с нагреваемой деталью, представленного эквивалентной схемой из индуктивности 30 и активного сопротивления 31.

На фиг.2: U_рег - напряжение на выходе регулируемого инвертора; U_дб - суммарное выходное напряжение инверторов находящихся в режиме «вольтодобавки»; U_пр - суммарное напряжение на выходе преобразователя; I_к - ток последовательного колебательного контура; Т - длительность такта управления; Т1 - интервал «вольтодобавки»; Т2 - интервал «закоротки».

Способ осуществляется следующим образом. На входы инверторов 1, 2, n, включенных параллельно, через выпрямитель и сглаживающий фильтр поступает постоянное напряжение. Инвертор 1 преобразователя (нагруженный на трансформатор 27) определяется регулируемым и вводится в режим кодоимпульсного регулирования, основанного на чередовании временных интервалов «вольтодобавки» Т1 и «закоротки» Т2. Интервал «вольтодобавки» формируется путем поочередного замыкания транзисторов 11, 14 и 12, 13, в результате чего на обмотках трансформатора 27 образуется переменное прямоугольное напряжение. На интервале «закоротки» одновременно замыкаются пары смежных транзисторов 11, 13 или 12, 14, и синусоидальный ток колебательного контура через трансформатор 27 замыкается открытыми смежными транзисторами 11, 13 или 12, 14 и обратными диодами 15, 17 или 16, 18. Напряжение на обмотках трансформатора в этом случае равно нулю (фиг.2). Остальные инверторы преобразователя работают синхронно с регулируемым и могут находиться в одном из двух стационарных состояний - «вольтодобавки» или «закоротки», образованных аналогично состояниям регулируемого инвертора, однако, они не могут чередовать их на такте управления.

Таким образом, на выходе преобразователя формируются два временных интервала (Т1, Т2) с разными амплитудами суммарного выходного напряжения (U1, U2), различные сочетания этих интервалов образуют несколько кодоимпульсных комбинаций, каждая из которых соответствует определенному уровню выходного напряжения. Напряжение U1 равно сумме напряжений инверторов, находящихся в данный момент в режиме «вольтодобавки» с напряжением регулируемого инвертора (U1=U_дб+U_рег), U2 равно сумме напряжений инверторов, находящихся в данный момент в режиме «вольтодобавки» без напряжения регулируемого инвертора U2=U_дб. Таким образом, границы диапазона регулирования регулируемого инвертора определяет комбинация состояний нерегулируемых инверторов. При сокращении до нуля одного из интервалов управления регулируемого инвертора, дальнейшее регулирование выходного напряжения осуществляется путем смены состояния одного из нерегулируемых инверторов и соответственного смещения диапазона регулирования регулируемого инвертора.

Рассмотрим, например, процесс увеличения выходного напряжения преобразователя. В этом случае по мере роста выходного напряжения сокращается до нуля интервал «закоротки» Т2, т.е. интервал «вольтодобавки» Т1, при котором на обмотках трансформатора 27 образуется переменное прямоугольное напряжение, равен всему такту управления, и регулируемый инвертор находится на верхней границе своего диапазона. Для дальнейшего увеличения выходного напряжения преобразователя один из нерегулируемых инверторов переходит из состояния «закоротки» в состояние «вольтодобавки», что приводит к увеличению выходного напряжения преобразователя (на величину выходного напряжения его трансформатора), которое компенсируется уменьшением выходного напряжения регулируемого инвертора путем уменьшения интервала «вольтодобавки» Т1 (введением интервала «закоротки» Т2). Например, из состояния «закоротки» в состояние «вольтодобавки» переходит нерегулируемый инвертор 2, нагруженный на трансформатор 28, т.е. замкнутое состояние транзисторов 19, 21 заменяется поочередным замыканием транзисторов 19, 22 20, 21, в результате чего на обмотках трансформатора 28 появляется прямоугольное напряжение. Одновременно с этим переходом происходит уменьшение интервала «вольтодобавки» Т1 регулируемого инвертора по условию сохранения прежнего уровня выходного напряжения преобразователя и появляется возможность дальнейшего увеличения выходного напряжения (за счет увеличения интервала «вольтодобавки» Т1).

Рассмотрим процесс увеличения выходного напряжения преобразователя при проектировании выходных напряжений трансформаторов нерегулируемых инверторов пропорциональными весовым коэффициентам двоичного кода на основе структурной схемы фиг.3, которая включает выпрямитель 1, регулируемый инвертор 2, нерегулируемый инвертор 3 с весовым коэффициентом 1, нерегулируемый инвертор 4 с весовым коэффициентом 2, нерегулируемый инвертор 5 с весовым коэффициентом 4, трансформатор 6, резонансный контур 7. В этом случае, так же, как и в предыдущем, по мере роста выходного напряжения сокращается до нуля интервал «закоротки» Т2, т.е. интервал «вольтодобавки» Т1 равен всему такту управления, и регулируемый инвертор 2 находится на верхней границе своего диапазона. Однако в отличие от случая равных выходных напряжений трансформаторов всех инверторов для дальнейшего увеличения выходного напряжения преобразователя состояния нерегулируемых инверторов изменяются таким образом, чтобы сумма весовых коэффициентов нерегулируемых инверторов, находящихся в режиме «вольтодобавки», увеличилась на единицу, при этом выходное напряжение преобразователя увеличивается на величину напряжения младшего (единичного) весового коэффициента, и диапазон регулирования регулируемого инвертора смещается на соответствующую величину. Например, если исходная комбинация состояний нерегулируемых инверторов, находящихся в режиме «вольтодобавки», включала 4-й и 1-й весовые коэффициенты, т.е. инверторы 3 и 5 (сумма весовых коэффициентов равна 5), то для увеличения выходного напряжения необходимо перевести в состояние «закоротки» инвертор 3 с 1-м весовым коэффициентом и в состояние «вольтодобавки» инвертор 4 со 2-м весовым коэффициентом, при этом сумма весовых коэффициентов становится равной 6.

Способ регулирования позволяет существенно повысить энергетические показатели преобразования и обеспечить благоприятные режимы коммутации транзисторов преобразователя, что является доказательством эффективности предлагаемого изобретения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах индукционного нагрева с полупроводниковыми преобразователями частоты при создании состоящих из нескольких инверторов, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, один из которых вводят в режим регулирования, а также из многоэлементного согласующего трансформатора, первичные обмотки которого соединены с соответствующими инверторами, а вторичные обмотки соединены последовательно и образуют контур суммирования напряжения. Техническим результатом изобретения является существенное снижение динамических потерь при переключении силовых коммутирующих приборов, что является существенным при данном способе регулирования и обеспечивает высокие энергетические и технико-эксплуатационные показатели. Суть способа в том, что формируются два интервала с разными амплитудами суммарного выходного напряжения преобразователя (U1, U2): интервал «вольтодобавки», при котором путем поочередного замыкания диагоналей одного из инверторов, который вводится в режим регулирования, напряжение соответствующего трансформатора суммируется с остальными и прикладывается к нагрузке, и интервал «закоротки», образованный непрерывно открытым состоянием двух смежных ключей инвертора, при котором напряжение первичной обмотки соответствующего трансформатора исключается из контура суммирования. Различные сочетания длительностей указанных интервалов (T1, T2) образуют несколько уровней выходного напряжения U_cp, определяемых выражением

где Т - период, длительность такта управления.

Комбинация состояний инверторов определяет границы диапазона регулирования регулируемого инвертора. Для достижения технического результата - уменьшения количества нерегулируемых инверторов с сохранением прежнего соотношения мощностей преобразователя и регулируемого инвертора, выходные напряжения трансформаторов нерегулируемых инверторов могут быть установлены пропорциональными весовым коэффициентам двоичного кода (1, 2, 4, 8, 16, ...), при этом весовой коэффициент регулируемого инвертора равен 1. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ регулирования выходного переменного напряжения преобразователя, состоящего из нескольких инверторов, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, а также многоэлементного согласующего трансформатора, первичные обмотки которого соединены с соответствующими инверторами, а вторичные обмотки соединены последовательно и образуют контур суммирования напряжения, при котором один из инверторов вводят в режим регулирования, отличающийся тем, что указанный один из инверторов вводят в режим кодоимпульсного регулирования, при котором задают и изменяют два временных интервала, кратных периоду колебаний синусоидального тока: интервал "вольтодобавки", при котором, путем поочередного замыкания диагоналей указанного инвертора, напряжение вторичной обмотки соответствующего трансформатора суммируется с остальными и прикладывается к нагрузке, и интервала «закоротки», образованного непрерывно открытым состоянием двух смежных ключей инвертора, при котором напряжение вторичной обмотки соответствующего трансформатора исключается из контура суммирования; при этом такт управления каждого из нерегулируемых инверторов равен по длительности такту управления регулируемого инвертора и состоит только из одного из интервала "вольтодобавки" или "закоротки", причем, если один из интервалов управления регулируемым инвертором сокращается до нуля, дальнейшее регулирование напряжения осуществляют путем изменения состояния одного из нерегулируемых инверторов и соответствующего смещения диапазона регулирования указанного регулируемого инвертора.2. Способ регулирования по п.1, отличающийся тем, что выходные напряжения трансформаторов нерегулируемых инверторов устанавливают пропорциональными весовым коэффициентам двоичного кода.