ГЕНЕРАТОР НИЗКИХ И КРАЙНЕ НИЗКИХ ЧАСТОТ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ Российский патент 2008 года по МПК H02M7/527 

Область техники

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнической промышленности, электроэнергетике и геоэлектрике для глубинного электромагнитного (частотного) зондирования земной коры.

Уровень техники

Известен генератор низких и крайне низких частот на основе транзисторного преобразователя, применяемый для частотного зондирования земной коры [1]. Для решения задач глубинного электромагнитного зондирования земной коры необходимо создать крайне низкочастотное поле в диапазоне частот 0,1-10 Гц достаточно мощное, чтобы его можно было зафиксировать на удалениях, сопоставимых с длиной электромагнитной волны в земле. Генератор построен по схеме преобразователя частоты со звеном постоянного тока. Выходной инвертор генератора построен на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором. Недостатком данного генератора является низкая надежность ввиду несовершенства системы защит.

Известен также генератор низких частот, преобразующий высокую частоту в низкую [2]. Генератор содержит n однофазных тиристорных мостов, каждый из которых управляется по собственному алгоритму. Вход каждого моста через конденсаторы подключен к источнику напряжения высокой частоты. Недостатки такого генератора: необходимость наличия напряжения высокой частоты порядка 1000 Гц на входе и высокие потери, обусловленные наличием большого количества полупроводниковых приборов и цепей управления ими, в каждом из которых выделяются собственные потери.

Известен генератор с устройством защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазных опрокидываний [3]. В состав устройства входят формирователи импульсов включения и запирания тиристоров, датчики состояния, подключенные параллельно управляющим входам этих тиристоров, и блок первичных управляющих импульсов, выходы которого соединены с входами формирователей импульсов управления тиристорами. Недостатком генератора с данным способом управления является неспособность устройства защиты прервать протекание через инвертор аварийных токов, значения которых превышают предельный запираемый ток тиристоров.

Наиболее близкими к предлагаемой схеме и способу управления генератором является преобразователь частоты, описанный в [4] и принятый нами за прототип. Преобразователь частоты [4] состоит из выпрямителя с параллельно включенной батареей конденсаторов и автономного трехуровневого инвертора напряжения на запираемых полупроводниковых приборах с широтно-импульсным управлением. Недостатком устройства [4] являются высокие статические и динамические потери: статические - за счет увеличенного прямого падения напряжения в запираемых приборах по сравнению с однооперационными тиристорами, а динамические - за счет широтно-импульсного управления запираемыми полупроводниковыми приборами всех 12-ти вентилей инвертора. Кроме того, существенным недостатком генератора по [4] является отсутствие быстродействующей защиты от аварийных токов в инверторе.

Сущность изобретения

Задача изобретения - повышение надежности и снижение потерь в генераторе. Поставленная задача решается тем, что инвертор выполнен на базе однооперационных тиристоров без цепей искусственной коммутации, а параллельно RL-нагрузке инвертора включена RC-цепь, причем полюс выпрямителя и одноименный полюс инвертора соединены через полностью управляемый вентиль, состоящий из одного или более запираемых силовых полупроводниковых приборов, а управляющий вход полностью управляемого вентиля подключен через формирователь импульсов управления к первичной системе управления, содержащей программный блок и блок расчета времени задержки; между инвертором и полностью управляемым вентилем включен датчик тока, информационный выход которого соединен с первичной системой управления.

Способ управления таким генератором заключается в том, что сигнал на включение тиристоров одной из диагоналей инвертора подается одновременно с подачей последнего импульса запирания на полностью управляемый вентиль, а первый импульс на включение полностью управляемого вентиля подается через время задержки Δt после подачи сигнала на включение тиристоров другой диагонали инвертора, причем

Δt=T·ϕ/2π,

где Т - измеряемый в секундах период выходной частоты генератора,

ϕ - измеряемый в радианах угол сдвига между векторами напряжения и тока в нагрузке генератора.

В случае любого аварийного процесса в генераторе, приводящего к росту тока через датчик тока, последний регистрирует превышение величины этого тока над номинальным значением и выдает сигнал в первичную систему управления, которая формирует сигнал на запирание полностью управляемого вентиля.

Осуществление изобретения

Сущность изобретения поясняют схема предлагаемого генератора низких и крайне низких частот (фиг.1) и эпюры расстановки импульсов управления и кривые токов через вентили генератора в установившемся режиме его работы (фиг.2).

Генератор низких и крайне низких частот содержит выпрямитель 1, конденсаторную батарею 2, выполненный на базе однооперационных тиристоров инвертор 3 с RL-нагрузкой и включенной параллельно ей RC-цепью 4, первичную систему управления 5, полностью управляемый вентиль 6, состоящий из одного или более запираемых силовых полупроводниковых приборов, формирователь импульсов управления 7, блок расчета времени задержки 8 и программный блок 9, входящие в первичную систему управления 5; между инвертором 3 и полностью управляемым вентилем 6 включен датчик тока 10, информационный выход которого соединен с первичной системой управления 5.

Генератор низких и крайне низких частот работает следующим образом.

При включенном выпрямителе 1 и заряженной батарее 2 первичная система управления 5 в момент времени t₀ (фиг.2) подает импульс на включение полностью управляемого вентиля 6 (напр., IGBT). Если режим работы генератора низких и крайне низких частот установившийся, то к моменту времени t₀ тиристоры V₁ и V₄ одной из диагоналей инвертора 3 включены и по цепи 2-6-V₁-R_н-L_н-V₄-2 начинает проходить ток. Форма тока определяется программным блоком 9, работающим, например, по принципу ШИМ и создающим требуемую форму напряжения питания инвертора, и параметрами нагрузки RL. Через время (t₁-t₀)=(T/2-Δt) ток и напряжение в нагрузке индуктивного характера становятся разных знаков, поскольку Δt выбрано в соответствии с параметрами нагрузки так, что Δt=T·ϕ/2π. Численное значение Δt выдается блоком расчета времени задержки 8, в котором сравнивается форма тока с датчика 10 и форма напряжения, создаваемая программным блоком 9. В момент времени t₁ первичная система управления 5 выдает последний сигнал на запирание полностью управляемого вентиля 6 и одновременно на включение тиристоров V₃, V₂ другой диагонали инвертора 3. При этом ток в цепи 2-6-V₁-R_н-L_н-V₄-2 должен бы оборваться, но цепь нагрузки содержит индуктивную составляющую L_н, в которой ток мгновенно оборваться не может и, протекая в том же направлении, замыкается через RC-цепь, перезаряжая конденсатор С, который одновременно разряжается по параллельным цепям R-V₁-V₃ и R-V₂-V₄. Токи разряда конденсатора С протекают в обратном направлении по отношению к тиристорам V₁, V₄ той диагонали, где до этого протекал ток, запирая их, и в прямом направлении по отношению к вновь включаемым тиристорам V₃, V₂ другой диагонали, поддерживая в них процесс включения. Для того чтобы процессы по включению V₃, V₂ и запиранию V₁, V₄ превалировали над процессом перезаряда емкости при разряде индуктивности, необходимо, чтобы выполнялось условие

где U₁ - напряжение на конденсаторе С в момент времени t₁,

I₁ - ток в индуктивности L_н в тот же момент времени t₁.

В диапазоне низких и крайне низких частот падением напряжения на индуктивности U_L=L·di/dt можно пренебречь. Тогда U₁≈R_н/I₁, и из (1) следует условие

или, что то же самое,

Иными словами, необходимо, чтобы сопротивление L_н-С контура (ρ) было существенно меньше активного сопротивления нагрузки. Тогда через время 3τ=3RC ток в тиристорах V₁, V₄ одной диагонали инвертора полностью прекратится, а тиристоры другой диагонали инвертора V₃, V₂ готовы пропускать ток. В момент t₂, то есть через время Δt после момента t₁, первичная система управления 5 подает первый сигнал на включение полностью управляемого вентиля 6. В цепи 2-6-V₃-R_н-L_н-V₂-2 начинает протекать ток, но уже обратной полуволны для нагрузки R_нL_н.

Результирующая форма тока в нагрузке тем ближе к заданной программным блоком 9 (например, к синусоиде), чем меньше соотношение Δt/T. При этом, очевидно, необходимо, чтобы выполнялось условие Δt>3τ=3RС.

В случае срыва в работе тиристоров инвертора 3 или иного аварийного процесса, приводящего к росту тока I₆ (фиг.1) в силовой цепи (например, при пробое нагрузки), датчик тока 10 регистрирует превышение величины I₆ над номинальным значением и выдает сигнал в первичную систему управления 5, которая формирует сигнал на запирание полностью управляемого вентиля 6, тем самым прерывая аварийный ток.

Наличие способа управления генератором низких и крайне низких частот в аварийных режимах, позволяющего прекратить аварийный ток через инвертор, значительно повышает надежность генератора. Наличие широтно-импульсного управления только в одном полностью управляемом вентиле и построение инвертора на базе однооперационных тиристоров без цепей искусственной коммутации позволяет значительно уменьшить статические и динамические потери в генераторе низких и крайне низких частот в целом. Таким образом, цель - повышение надежности и снижение потерь в генераторе низких и крайне низких частот - достигнута.

Источники информации

1. Жамалетдинов А.А., Короткова Т.Г., Токарев А.Д., Шевцов А.Н., Невретдинов Ю.М., Захри И.М., Копытенко Ю.А., Гохберг М.Б., Песин Л.Б., Шершнев Ю.А. Сверхглубинное зондирование литосферы Балтийского шита с применением промышленных ЛЭП. Доклады РАН, серия Геофизика, том 405, № 5, 2005.

2. АС СССР № 1464271 А1. Непосредственный преобразователь. Иванченко В.А., Кузьмицкая И.В., Поссе А.В., Степанова М.А. Заявка № 4140902/24-07.

3. Патент России № 2119707. Устройство защиты автономного инвертора на запираемых тиристорах от однофазных опрокидываний. Балыбердин Л.Л., Гуревич М.К., Шершнев Ю.А.

4. Таратута И.П., Чуприков B.C. Схемотехнические и конструктивные решения преобразователей частоты для регулируемого электропривода. - Электротехника, 2001 г. № 09.

Генератор низких и крайне низких частот содержит выпрямитель с параллельно включенной батареей конденсаторов, инвертор и первичную систему управления. Параллельно RL-нагрузке инвертора включена RC-цепь, причем одноименные полюса выпрямителя и инвертора соединены через полностью управляемый вентиль. Управляющий вход полностью управляемого вентиля подключен через формирователь импульсов управления к первичной системе управления. Выполнение инвертора на базе однооперационных тиристоров без цепей искусственной коммутации уменьшает статические и динамические потери в нем. Сигнал на включение тиристоров одной из диагоналей инвертора и последний импульс запирания полностью управляемого вентиля подаются одновременно. Первый импульс на включение полностью управляемого вентиля подают через время задержки Δt после подачи сигнала на включение тиристоров другой диагонали инвертора, причем Δt=Т·ϕ/2π, где Т - измеряемый в секундах период выходной частоты генератора, ϕ - измеряемый в радианах угол сдвига между векторами напряжения и тока в RL-нагрузке генератора. Технический результат: способ управления в аварийном режиме повышает надежность генератора. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор низких и крайне низких частот, содержащий выпрямитель с параллельно включенной батареей конденсаторов, инвертор и первичную систему управления, отличающийся тем, что инвертор выполнен на базе однооперационных тиристоров без цепей искусственной коммутации, а параллельно RL-нагрузке инвертора включена RC-цепь, причем одноименные полюса выпрямителя и инвертора соединены через полностью управляемый вентиль, состоящий из одного или более запираемых силовых полупроводниковых приборов, а управляющий вход полностью управляемого вентиля подключен через формирователь импульсов управления к первичной системе управления, содержащей программный блок и блок расчета времени задержки; между инвертором и полностью управляемым вентилем включен датчик тока, информационный выход которого соединен с первичной системой управления.2. Способ управления генератором низких и крайне низких частот по п.1, заключающийся в том, что сигнал на включение тиристоров одной из диагоналей инвертора подается одновременно с подачей последнего импульса запирания на полностью управляемый вентиль, а первый импульс на включение полностью управляемого вентиля подается через время задержки Δt после подачи сигнала на включение тиристоров другой диагонали инвертора, причем

Δt=Т·ϕ/2π,

где Т - измеряемый в секундах период выходной частоты генератора;

ϕ - измеряемый в радианах угол сдвига между векторами напряжения и тока в RL-нагрузке генератора.