СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ Российский патент 2008 года по МПК H02M5/297 

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании систем управления с вентильными преобразователями частоты для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Изобретение повышает надежность работы согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока.

Известен способ управления преобразователем частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащим трехфазный мост на управляемых вентилях, работающим на нагрузку в виде колебательного контура, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, циклическом изменении групп работающих управляемых вентилей, синхронизированном с изменением мгновенных значений фазных напряжений питания (Акодис М.М., Курашко Ю.И. Стабилизация напряжения в последовательных преобразователях частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока // Тез. докл. всесоюзной науч. технич. конф,, посвящ. вентильным преобразователям частоты (схемам и коммутационным процессам), Свердловск, 1969. - С.50).

Недостатком способа управления согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока является низкая надежность работы преобразователя частоты на изменяющуюся электротехнологическую нагрузку. Это обусловлено высокими уровнями напряжений на элементах схемы преобразователя частоты и перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, за счет обрыва тока последовательных дросселей, что может привести к выходу управляемых вентилей из строя, а также высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей, что может привести к сбоям в системе управления.

Известен способ управления преобразователем частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащим три однофазных моста на управляемых вентилях, работающим на нагрузку в виде колебательного контура, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, циклическом изменении групп работающих управляемых вентилей, синхронизированном с изменением мгновенных значений линейных напряжений питания (Теория работы бестрансформаторного преобразователя частоты с неявным звеном постоянного тока / И.И.Кантер, Н.П.Митяшин, В.В.Пятницын и др. // Тиристорные преобразователи частоты для индукционного нагрева металлов. Межвуз. науч. сб. трудов. 1977, №7. - С.83-91).

Недостатком способа управления согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока является низкая надежность работы преобразователя частоты. Это обусловлено высокими уровнями напряжений на управляемых вентилях при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку, что может привести к выходу их из строя.

Известен способ управления преобразователем частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащим трехфазный мост на управляемых вентилях, работающим на нагрузку в виде колебательного контура, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, циклическом изменении групп работающих управляемых вентилей, синхронизированном с изменением мгновенных значений фазных напряжений питания, изменении частоты подачи импульсов управления на управляемые вентили (Kasahara H. Equivalent circuit of high frequency cycloconverter and its application. Electrical Engineering in Japan. 1981, Vol.101, No.6. - P.47-54).

Указанный способ управления согласованным резонансным преобразователем частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока является наиболее близким по технической сущности к изобретению и выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкая надежность работы преобразователя частоты. Это обусловлено высокими уровнями напряжений на элементах схемы преобразователя и перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, высокими скоростями нарастания прямого напряжения и прямого тока управляемых вентилей, высокими уровнями электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей, что может привести к выходу управляемых вентилей из строя или к сбоям в системе управления преобразователя частоты.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления преобразователем частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащим не менее одного трехфазного моста на управляемых вентилях, работающим на нагрузку в виде колебательного контура, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, циклическом изменении групп работающих управляемых вентилей, синхронизированном с изменением мгновенных значений фазных или линейных напряжений питания, после выключения очередного управляемого вентиля, формирующего прямую или обратную полуволны напряжения на нагрузке, включают смежный с ним управляемый вентиль, а включение очередного управляемого вентиля, формирующего обратную или прямую полуволны напряжения на нагрузке, производят после выключения указанного смежного управляемого вентиля.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, что достигается снижением уровней напряжений на элементах преобразователя при работе на изменяющуюся электротехнологическую нагрузку (ограничением раскачки) и перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока управляемых вентилей, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при коммутациях.

Повышение надежности работы согласованного резонансного преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока при управлении по заявляемому способу является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе, порядком их осуществления, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления согласованным резонансным преобразователем частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока являются существенными.

На фиг.1 приведен пример электрической схемы преобразователя частоты с одним трехфазным мостом на управляемых вентилях, на фиг.2 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип управления преобразователем частоты.

Согласованный резонансный преобразователь частоты содержит подключенный к входным выводам преобразователя частоты выводами переменного тока трехфазный мост на шести управляемых вентилях 1-6, выводы постоянного тока которого замкнуты и подключены к выходному выводу преобразователя частоты через последовательно соединенные дроссель насыщения 7 и разделительный конденсатор 8, второй выходной вывод преобразователя частоты подключен к нулевому выводу корпуса устройства. К выходным выводам преобразователя частоты подключается нагрузка 9.

Дроссель насыщения 7 в схеме преобразователя частоты снижает скорость нарастания тока при включении и спаде тока управляемых вентилей за счет изменения индуктивности при изменении величины тока через него. Одновременно снижается величина обратного тока восстановления управляемых вентилей 1-6, скорость нарастания прямого напряжения и уровень коммутационных перенапряжений на управляемых вентилях 1-6.

Разделительный конденсатор 8 обеспечивает коммутационные процессы управляемых вентилей 1-6, а также ограничение тока в нагрузке 9 и вентилях 1-6 в рабочем и в аварийных режимах при частичном или глухом (полном) коротком замыкании.

Согласованный резонансный преобразователь частоты в установившемся режиме работает следующим образом. К входным выводам преобразователя частоты подключается трехфазный источник переменного напряжения питания. Частота первой гармоники выходного сигнала устройства в общем случае может быть выше частоты переменного напряжения питания более чем в 6 раз (работа на частоте меньшей частоты переменного напряжения питания не рассматривается). Импульсы управления на управляемые вентили 1, 3, 5 и 2, 4, 6 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала устройства.

Ток через нагрузку 9 имеет колебательный характер. Выключение очередного управляемого вентиля 1-6 происходит в момент колебательного спада тока через управляемый вентиль 1-6 и нагрузку 9 до нулевого значения. Параметры элементов последовательного колебательного контура нагрузочной цепи (емкость разделительного конденсатора 8 и индуктивность нагрузки 9) выбираются из условия равенства или превышения частоты основной гармоники выходного сигнала преобразователя частоты более чем в 2 раза (работа с более низкой собственной частотой последовательного колебательного контура нагрузочной цепи не рассматривается).

Если входное переменное напряжение в первой фазе источника переменного напряжения питания (соединена с общей точкой соединения управляемых вентилей 1, 2) u_a условно положительной полярности относительно потенциала нулевого вывода корпуса устройства является в данный момент времени наибольшим, а входное переменное напряжение, например, в третьей фазе (соединена с общей точкой соединения управляемых вентилей 5, 6) u_c условно отрицательной полярности относительно потенциала нулевого вывода корпуса устройства является наименьшим, то подается импульс управления на управляемый вентиль 1 (u₁). В нагрузке 9 формируется импульс тока положительной полярности. Ток протекает от входного вывода первой фазы к нулевому выводу корпуса устройства по цепи: + -1-7-8-9-о. Разделительный конденсатор 8 перезаряжается до напряжения условно положительной полярности, которое превышает напряжение питания. После выключения управляемого вентиля 1 включается управляемый вентиль 2 (импульс управления u₂). При этом ток протекает в противоположном направлении, разряжая разделительный конденсатор 8 по цепи: 8-7-2-+-o-9-8.В интервале проводимости управляемого вентиля 2 управляемый вентиль 1 может восстанавливать свои управляющие свойства (если используются управляемые вентили с неполной управляемостью), а часть электромагнитной энергии накопленной в поле разделительного конденсатора 8 рекуперируется в фазу источника переменного напряжения питания. Возврат излишней электромагнитной энергии от элементов колебательного контура нагрузочной цепи обеспечивает стабилизацию режима работы преобразователя частоты на переменную электротехнологическую нагрузку 9. После частичного разряда разделительного конденсатора 8 и колебательного спада тока до нулевого значения управляемый вентиль 2 выключается. Далее включается управляемый вентиль 6 (импульс управления u₆) непосредственно после выключения управляемого вентиля 2 либо через интервал регулируемой паузы. Ток протекает от нулевого вывода корпуса устройства к входному выводу третьей фазы по цепи: o-9-8-7-6- -. Ток через нагрузку 9 имеет условно отрицательное направление. Разделительный конденсатор 8 перезаряжается до напряжения условно отрицательной полярности, которое превышает по модулю напряжение питания. После колебательного спада тока через управляемый вентиль 6 до нулевого значения включают управляемый вентиль 5 (импульс управления u₅). Ток протекает в противоположном (условно положительном) направлении, разряжая разделительный конденсатор 8 по цепи: 8-9-о- - -5-7-8. В интервале проводимости управляемого вентиля 5 управляемый вентиль 6 может восстанавливать свои управляющие свойства (если используются управляемые вентили с неполной управляемостью), а часть электромагнитной энергии накопленной в поле разделительного конденсатора 8 рекуперируется в источник переменного напряжения питания. Далее, если входное переменное напряжение в первой фазе источника переменного напряжения питания относительно потенциала нулевого вывода корпуса устройства является по-прежнему наибольшим, а входное переменное напряжение в третьей фазе продолжает оставаться наименьшим, то снова подаются импульсы управления на управляемый вентиль 1, а затем, последовательно, на управляемые вентили 2, 6, 5. С момента включения управляемого вентиля 1 заканчивается частный цикл в работе преобразователя частоты (период выходного переменного сигнала).

Изменение уровней напряжений в фазах источника переменного напряжения питания приводит к циклическому переходу токов на следующих периодах выходного переменного сигнала последовательно на управляемые вентили 2, 3, 4, 5, 6, 1 в анодной и катодной группах трехфазного моста. Количество периодов выходного переменного сигнала, которое формируется на 1/3 части периода переменного напряжения питания определяется соотношением частот выходного переменного сигнала и переменного напряжения питания. Электромагнитные процессы при циклической смене управляемых вентилей в анодной 2, 4, 6 и катодной 1, 3, 5 группах трехфазного моста полностью аналогичны рассмотренным выше. Схема преобразователя частоты может содержать два или более трехфазных мостов на управляемых вентилях, включенных встречно-параллельно. В этом случае управление осуществляется аналогично. Но циклическая смена управляемых вентилей синхронизируется с изменением мгновенных значений линейных напряжений питания.

Таким образом, способ управления преобразователем частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащим не менее одного трехфазного моста на управляемых вентилях, работающим на нагрузку в виде колебательного контура, реализуется следующими действиями. Формируются и поочередно подаются импульсы управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке. Циклически изменяются группы работающих управляемых вентилей синхронно с изменением мгновенных значений фазных или линейных напряжений питания. После выключения очередного управляемого вентиля, формирующего прямую или обратную полуволны напряжения на нагрузке, включают смежный с ним управляемый вентиль, а включение очередного управляемого вентиля, формирующего обратную или прямую полуволны напряжения на нагрузке, производят после выключения указанного смежного управляемого вентиля.

На временных диаграммах фиг.2 приведены следующие обозначения: t - текущее время, u_a (u_с) - фазное напряжение, u₁ (u₂, u₅, u₆) - импульсы управления вентилями, i₉ - ток нагрузки. Соответствующие управляемые вентили включаются в моменты времени t₀, t₁, t₂, t₃, t₄, t₅.

По сравнению с прототипом при управлении по заявляемому способу существенно повышается надежность работы преобразователя частоты. Это достигается снижением уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, снижением скоростей нарастания прямого напряжения на управляемых вентилях и прямого тока через них в интервалах коммутаций, снижением уровней электромагнитных помех, возникающих при коммутациях вентилей, ограничением тока через элементы преобразователя частоты, ограничением раскачки напряжений на элементах при изменении нагрузки в широких пределах.

По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия преобразователя частоты за счет уменьшения статических и коммутационных потерь энергии в управляемых вентилях (снижение уровней коммутационных перенапряжений и начальных скоростей нарастания и скоростей спада тока при включениях и выключениях управляемых вентилей, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку и источник переменного напряжения питания).

Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части преобразователя частоты при выполнении его на заданную мощность и уменьшена его стоимость за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой цены.

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано при проектировании систем управления с вентильными преобразователями частоты для индукционных нагревателей. Технический результат - повышение надежности работы преобразователя частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока. Способ управления преобразователем частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащим не менее одного трехфазного моста на управляемых вентилях, работающим на нагрузку в виде колебательного контура, заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, циклическом изменении групп работающих управляемых вентилей, синхронизированном с изменением мгновенных значений фазных или линейных напряжений питания. После выключения очередного управляемого вентиля, формирующего прямую или обратную полуволны напряжения на нагрузке, включают смежный с ним управляемый вентиль, а включение очередного управляемого вентиля, формирующего обратную или прямую полуволны напряжения на нагрузке, производят после выключения указанного смежного управляемого вентиля. 2 ил.

Способ управления преобразователем частоты с неявно выраженным звеном постоянного тока, содержащим не менее одного трехфазного моста на управляемых вентилях, работающим на нагрузку в виде колебательного контура, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на управляемые вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, циклическом изменении групп работающих управляемых вентилей, синхронизированном с изменением мгновенных значений фазных или линейных напряжений питания, отличающийся тем, что после выключения очередного управляемого вентиля, формирующего прямую или обратную полуволны напряжения на нагрузке, включают смежный с ним управляемый вентиль, а включение очередного управляемого вентиля, формирующего обратную или прямую полуволны напряжения на нагрузке, производят после выключения указанного смежного управляемого вентиля.