ГЕНЕРАТОР НИЗКИХ И КРАЙНЕ НИЗКИХ ЧАСТОТ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМ Российский патент 2008 года по МПК H02M5/45 

Область техники

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в электротехнической промышленности, электроэнергетике, мощном радиостроении и электрогеоразведке.

Уровень техники

Известен генератор низких и крайне низких частот, применяемый для глубинного электромагнитного зондирования земной коры [1], создающий 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 автономный инвертор напряжения (АИН) генератора построен на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором. Недостатком данного генератора является низкая надежность из-за присущей АИН склонности к двухфазным коротким замыканиям.

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 источника напряжения высокой частоты и значительные потери, обусловленные наличием большого количества полупроводниковых приборов, в каждом из которых выделяются собственные потери, особенно на высокой частоте.

Известен генератор с устройством защиты АИН от однофазных опрокидываний [3]. В состав устройства входят формирователи импульсов включения и запирания тиристоров, датчики состояния, подключенные параллельно управляющим входам этих тиристоров, и первичная система управления, соединенная с входами формирователей импульсов управления тиристорами. Недостатком такого генератора является неспособность устройства защиты прервать протекание через инвертор токов, значения которых превышают предельный запираемый ток тиристоров, а также невозможность построения по такому принципу генератора с последовательным соединением запираемых приборов.

Наиболее близкими к предлагаемой схеме и способу управления генератором является преобразователь частоты, описанный в [4] и принятый нами за прототип. Преобразователь частоты состоит из выпрямителя с параллельно включенной батареей конденсаторов и автономного трехуровневого инвертора напряжения на запираемых полупроводниковых приборах с широтно-импульсным управлением. Недостатком устройства по [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 вентилей инвертора. Кроме того, существенным недостатком генератора по [4] является отсутствие быстродействующей защиты от аварийных токов в инверторе.

Сущность изобретения

Задача изобретения - повышение надежности, живучести и снижение потерь в генераторе. Поставленная задача решается тем, что выпрямитель выполнен в виде двух или более преобразовательных мостов с подключенными к ним на выходах постоянного тока конденсаторами, соединенными последовательно в батарею, причем отрицательный полюс батареи соединен с отрицательным полюсом инвертора, положительный полюс каждого из конденсаторов подсоединен к аноду соответствующего полностью управляемого вентиля с обратной блокирующей способностью, а их катоды присоединены к положительному полюсу инвертора, выполненного на базе однооперационных тиристоров без цепей искусственной коммутации. Выходы системы управления соединены с электродами управления всех тиристоров инвертора и всех полностью управляемых вентилей.

Способ управления таким генератором заключается в том, что импульс включения подается системой управления сначала на первый полностью управляемый вентиль, затем поочередно через заданные интервалы времени на второй полностью управляемый вентиль и так далее, вплоть до n-го полностью управляемого вентиля, а импульсы запирания подаются системой управления в обратном порядке - сначала на n-й полностью управляемый вентиль, затем на (n-1)-й полностью управляемый вентиль и так далее, вплоть до первого, причем сигнал на включение тиристоров одной из диагоналей инвертора подается системой управления одновременно с подачей импульса запирания на первый полностью управляемый вентиль, а импульс на его включение - через время задержки Δt после подачи этого запирающего импульса; соответственно сигнал на включение тиристоров другой диагонали инвертора подается одновременно с подачей следующего импульса запирания на первый полностью управляемый вентиль, 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.

Осуществление изобретения

Сущность изобретения на примере включения трех полностью управляемых вентилей поясняют схема предлагаемого генератора низких и крайне низких частот (фиг.1), а также расстановка импульсов управления и эпюры токов и напряжений на элементах генератора в установившемся режиме его работы (фиг.2).

Генератор низких и крайне низких частот содержит выпрямители 1, 2, 3 с подключенными к ним на выходах постоянного тока конденсаторами 4, 5, 6, соединенными последовательно в батарею, первый, второй, третий полностью управляемые вентили 7, 8, 9, причем отрицательный полюс батареи соединен с отрицательным полюсом инвертора 10, положительный полюс каждого из конденсаторов 4, 5, 6 соединен с анодом соответствующего полностью управляемого вентиля 7, 8, 9, а их катоды присоединены к положительному полюсу инвертора 10; при этом один из выходов системы управления 11 соединен с электродами управления всех тиристоров инвертора, а другой выход системы управления соединен с электродами всех полностью управляемых вентилей, причем каждый полностью управляемый вентиль обладает обратной блокирующей способностью.

Генератор низких и крайне низких частот работает следующим образом.

При включенных выпрямителях 1-3 и заряженных конденсаторах 4-6 система управления 11 в момент времени t₁ (фиг.2) подает импульс на включение первого полностью управляемого вентиля 7 (в качестве такого вентиля могут использоваться, например, IGBT-модуль с последовательно включенным диодом, запираемый тиристор с обратной блокирующей способностью или аналогичный IGCT). Если режим работы генератора низких и крайне низких частот установившийся, то к моменту времени t₁ однооперационные тиристоры V₁ и V₄ одной из диагоналей инвертора 10 включены, и по цепи 4-7-V₁-R_н-L_н-V₄-4 начинает проходить ток. В момент времени t₂ система управления 11 подает импульс на включение второго полностью управляемого вентиля 8; в момент времени t₃ - на третий полностью управляемый вентиль 9. Наличие обратной блокирующей способности у полностью управляемых вентилей 7-9 необходимо, поскольку при включении полностью управляемого вентиля 8 к полностью управляемому вентилю 7 прикладывается обратное напряжение, равное напряжению на конденсаторе 5, а при включении полностью управляемого вентиля 9 - к полностью управляемому вентилю 8 прикладывается обратное напряжение, равное напряжению на конденсаторе 6. Затем в момент t₄ от системы управления 11 подается сигнал на запирание полностью управляемого вентиля 9; в момент t₅ - на запирание полностью управляемого вентиля 8, и в момент t₆ - на запирание полностью управляемого вентиля 7. При этом, поскольку импульсы управления на полностью управляемых вентилях 7-9 длинные, при запирании предыдущего полностью управляемого вентиля 9 ток начинает протекать через полностью управляемый вентиль 8, а при запирании полностью управляемого вентиля 8 - через полностью управляемый вентиль 7. Форма напряжения и тока в нагрузке Rн-Lн инвертора определяется системой управления 11 за счет выбора интервалов (t₂-t₁), (t₃-t₂) и так далее, вплоть до (t₆-t₅).

Через время (t₆-t₁)=(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 времени Δt выдается системой управления 11. В момент времени t₆ система управления 11 выдает сигнал на запирание полностью управляемого вентиля 7 и одновременно на включение тиристоров V₃, V₂ другой диагонали инвертора 10. При этом ток в цепи 4-7-V₁-R_н-L_н-V₄-4 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 U₆ - напряжение на конденсаторе С в момент времени t₆,

I₆ - ток в индуктивности L_н в тот же момент времени t₆.

В диапазоне низких и крайне низких частот падением напряжения на индуктивности U_L=L·di/dt можно пренебречь. Тогда U₆≈R_нI₆, 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 t₇, то есть через время Δt после момента t₆, система управления 11 подает сигнал на включение полностью управляемого вентиля 7. В цепи 4-7-V₃-R_н-L_н-V₂-4 начинает протекать ток, но уже обратной полуволны для нагрузки R_нL_н.

Результирующая форма тока в нагрузке тем ближе к заданной системой управления 11 (например, к синусоиде), чем меньше соотношение Δt/T. При этом, очевидно, необходимо, чтобы выполнялось условие Δt>3τ=3RС.

Отсутствие высокочастотных режимов работы (ШИМ или иных) полностью управляемых вентилей позволяет уменьшить динамические, а поочередное пропускание ими тока уменьшить статические потери (за счет снижения температуры полупроводникового элемента) в генераторе низких и крайне низких частот по сравнению с прототипом. Кроме того, в случае отказа одного или нескольких полностью управляемых вентилей можно обеспечить действие генератора низких и крайне низких частот, выведя отказавшие вентили из работы и изменив интервалы между включением оставшихся вентилей. Таким образом, цель - повышение надежности, живучести 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 щита с применением промышленных ЛЭП. Доклады РАН, серия Геофизика, том 405, №5, 2005.

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

3. Патент на изобретение Российской Федерации №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 №09, 2001 г.

Генератор низких и крайне низких частот содержит выпрямители с подключенными к ним на выходах постоянного тока конденсаторами, соединенными последовательно в батарею. Отрицательный полюс батареи соединен с отрицательным полюсом инвертора, положительный полюс каждого из конденсаторов подсоединен к аноду соответствующего полностью управляемого вентиля с обратной блокирующей способностью. Катоды полностью управляемых вентилей присоединены к положительному полюсу инвертора. Выходы системы управления соединены с электродами управления всех тиристоров инвертора и всех полностью управляемых вентилей. Выполнение выпрямителя в виде двух или более преобразовательных мостов повышает надежность и живучесть генератора низких и крайне низких частот. Импульс включения подается на первый полностью управляемый вентиль, затем поочередно на второй вентиль и так далее, вплоть до n-го вентиля, а импульсы запирания подаются в обратном порядке. Сигнал на включение тиристоров одной из диагоналей инвертора подается одновременно с подачей импульса запирания на первый полностью управляемый вентиль, а импульс на включение этого вентиля - через время задержки Δt после подачи этого запирающего импульса. Сигнал на включение тиристоров другой диагонали инвертора подается одновременно с подачей следующего импульса запирания на первый полностью управляемый вентиль, а время задержки определяется как 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 - повышение надежности и снижение потерь. 2 с.п. ф-лы, 2 ил.

1. Генератор низких и крайне низких частот, содержащий выпрямитель с параллельно включенной батареей конденсаторов, инвертор и систему управления, отличающийся тем, что выпрямитель выполнен в виде двух или более преобразовательных мостов с подключенными к ним на выходах постоянного тока конденсаторами, соединенными последовательно в батарею, причем отрицательный полюс батареи соединен с отрицательным полюсом инвертора, положительный полюс каждого из конденсаторов соединен с анодом соответствующего полностью управляемого вентиля с обратной блокирующей способностью, а их катоды присоединены к положительному полюсу инвертора, выполненного на базе однооперационных тиристоров без цепей искусственной коммутации; выходы системы управления соединены с электродами управления всех тиристоров инвертора и всех полностью управляемых вентилей.2. Способ управления генератором низких и крайне низких частот по п.1, заключающийся в том, что импульс включения подается сначала на первый полностью управляемый вентиль, затем поочередно через заданные интервалы времени на второй полностью управляемый вентиль и так далее, вплоть до n-ого полностью управляемого вентиля, а импульсы запирания подаются в обратном порядке - сначала на n-ый полностью управляемый вентиль, затем на (n-1)-ый полностью управляемый вентиль и так далее, вплоть до первого, причем сигнал на включение тиристоров одной из диагоналей инвертора подается одновременно с подачей импульса запирания на первый полностью управляемый вентиль, а импульс на его включение - через время задержки Δt после подачи этого запирающего импульса; соответственно сигнал на включение тиристоров другой диагонали инвертора подается одновременно с подачей следующего импульса запирания на первый полностью управляемый вентиль, а время задержки определяется как

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.