СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫМ ИНВЕРТОРОМ СО ВСТРЕЧНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ДИОДАМИ Российский патент 2008 года по МПК H02M7/48 H02M7/523 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления с вентильными преобразователями частоты для электротехнологии.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании, поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, и изменении частоты подачи импульсов управления в функции регулируемого технологического параметра (Техническое описание ИЕЛВ. 435423.011 ТО. Генератор среднечастотный СЧГ3-100/10. - Л.: ЛОЭЗ ВНИИТВЧ, 1985).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на тиристоры без контроля длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода может привести к перекрытию токов смежных тиристоров и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих тиристоров при выходе из строя ранее включенного тиристора или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, и изменении частоты подачи импульсов управления в функции сигнала, пропорционального фазовому сдвигу между напряжением и током нагрузки (Шапиро С.В., Зинин Ю.М., Иванов А.В. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - С.87).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на тиристоры без контроля длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода может привести к перекрытию токов смежных тиристоров и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих тиристоров при выходе из строя ранее включенного тиристора или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке (Vitins J., Schwezer A. Vereinfachter Einsatz von Leistungshalbleitern durch Vorwartsintegration // Brown Boveri Mitt. - 1984. - N5. - S.219).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Изменение частоты подачи импульсов управления на тиристоры без контроля длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода может привести к перекрытию токов смежных тиристоров и встречно-параллельных диодов и выходу их из строя. Возможны срыв инвертирования и включение следующих тиристоров при выходе из строя ранее включенного тиристора или встречно-параллельного диода, а также выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, измерении напряжения на тиристорах, формировании логического сигнала, принимающего истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, разрешении отсчета временного интервала при истинном значении логического сигнала, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала (П. 2117378 Россия, МКИ Н02М 7/48. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл. 17.01.97. Опубл. 10.08.98. - Бюлл. N 22).

Недостатком способа управления является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Возможен выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов, а также скоростей нарастания токов вентилей и снижения времен, предоставляемых для восстановления управляющих свойств тиристоров при низких уровнях напряжений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами (П. 2152683 Россия, МКИ Н02М 7/48. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл.19.04.99. Опубл. 10.07.00, - Бюлл. N 19), который и рассматривается в качестве прототипа.

Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, измерении напряжения на тиристорах, формировании логического сигнала, принимающего истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, разрешении отсчета временного интервала при истинном значении логического сигнала, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала, измерении длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, изменении заданного временного интервала в функции длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, причем с увеличением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально увеличивают, а с уменьшением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально уменьшают.

Недостатком прототипа является низкая надежность работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами на нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами. Возможен выход вентилей из строя из-за неконтролируемых уровней напряжений и токов, а также скоростей нарастания токов вентилей и снижения времен, предоставляемых для восстановления управляющих свойств тиристоров при низких уровнях напряжений.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы инвертора со встречно-параллельными диодами при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами, что является целью изобретения.

Повышение надежности работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами достигается тем, что в способе управления, заключающемся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, измерении напряжения на тиристорах, формировании логического сигнала, принимающего истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, разрешении отсчета временного интервала при истинном значении логического сигнала, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала, измерении длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, изменении заданного временного интервала в функции длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, причем с увеличением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально увеличивают, а с уменьшением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально уменьшают, задают минимальное и максимальное значение длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, минимальное и максимальное значение прямого напряжения на тиристорах и максимальное значение тока тиристоров, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, измеряют ток тиристоров, запрещают подачу очередного импульса управления на тиристоры в случае, если длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, прямое напряжение на тиристорах меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение прямого напряжения на тиристорах, а ток тиристоров превышает заданное максимальное значение тока тиристоров.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами. Повышение надежности работы обеспечивается за счет исключения режимов работы с повышенными уровнями напряжений и токов, а также с высокими скоростями нарастания токов тиристоров и встречно-параллельных диодов и малыми временами, предоставляемыми тиристорам для восстановления управляющих свойств.

Повышение надежности работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе управления и порядком их осуществления, то есть отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами являются существенными.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие принцип управления.

Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами реализуется следующими действиями. Задают временной интервал. Измеряют напряжение на тиристорах, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. Формируют логический сигнал, принимающий истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам. Разрешают отсчет временного интервала при истинном значении логического сигнала. Формируют и поочередно подают импульсы управления на тиристоры инвертора по истечении заданного временного интервала. Измеряют длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода. Изменяют заданный временной интервал в функции длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода. Причем с увеличением длительности указанного интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально увеличивают, а с уменьшением - пропорционально уменьшают. Задают минимальное и максимальное значение длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, минимальное и максимальное значение прямого напряжения на тиристорах, максимальное значение тока тиристоров и измеряют ток тиристоров. Запрещают подачу очередного импульса управления на тиристоры в случае, если длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, прямое напряжение на тиристорах меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение прямого напряжения на тиристорах, а ток тиристоров превышает заданное максимальное значение тока тиристоров.

Схема устройства для реализации способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами включает резонансный инвертор, содержащий последовательную цепь из дросселя фильтра 1, первого 2 и второго 3 тиристоров, зашунтированных встречными диодами 4 и 5 соответственно, и второго дросселя фильтра 6, подключенную к входным выводам, конденсатор фильтра 7, шунтирующий цепь из тиристоров, последовательную цепь из коммутирующего дросселя 8, выходных выводов, к которым подключена нагрузка 9, и коммутирующего конденсатора 10, подключенную между точкой соединения тиристоров и точкой соединения второго тиристора с вторым дросселем фильтра, последовательную цепь из датчика напряжения 11 на первом тиристоре, подключенного к выводам первого тиристора, логической схемы И 12, генератора пилообразного напряжения 13, компаратора 14, формирователя 15 и распределителя импульсов 16, выходного каскада 17, подключенного к управляющему электроду первого тиристора, второй датчик напряжения 18, подключенный к выводам второго тиристора, выход которого соединен с вторым входом логической схемы И, второй выходной каскад 19, вход которого подключен к второму выходу распределителя импульсов, а выход - к управляющему электроду второго тиристора, источник задающих напряжений 20, последовательную цепь из порогового элемента 21, вход которого подключен к выходу датчика напряжения, логической схемы ИЛИ 22, второго генератора пилообразного напряжения 23, устройства выборки-хранения 24 и суммирующего устройства 25, второй вход которого подключен к первому выходу источника задающих напряжений, а выход соединен с вторым входом компаратора, второй пороговый элемент 26, вход которого соединен с выходом второго датчика напряжения, а выход - с вторым входом логической схемы ИЛИ, второй вход устройства выборки-хранения соединен с выходом логической схемы ИЛИ, последовательную цепь, содержащую датчик тока 27, третий пороговый элемент 28, триггер 29 и вторую логическую схему ИЛИ 30, выход которой подключен к вторым входам выходных каскадов, вход датчика тока подключен к общей точке соединения тиристоров, четвертый и пятый пороговые элементы 31, 32, входы которых соединены с выходом устройства выборки-хранения, а выходы подключены к второму и третьему входам второй логической схемы ИЛИ, шестой пороговый элемент 33, вход которого подключен к второму выходу датчика напряжения, а выход соединен с четвертым входом второй логической схемы ИЛИ, седьмой пороговый элемент 34, вход которого подключен к второму выходу второго датчика напряжения, а выход соединен с пятым входом второй логической схемы ИЛИ, вторые входы пороговых элементов соединены соответственно с вторым, третьим, четвертым, пятым, шестым, седьмым и восьмым выходами источника задающих напряжений.

Устройство работает в установившемся режиме следующим образом. В исходном состоянии напряжение на конденсаторе фильтра 7 равно напряжению источника питания инвертора. Тиристоры 2, 3 выключены и напряжение на них положительно и равно половине напряжения источника питания. На выходе логической схемы И 12 присутствует разрешающий логический сигнал высокого уровня. Логический сигнал с выхода схемы И 12 запускает генератор пилообразного напряжения 13. В момент сравнения сигнала с выхода генератора пилообразного напряжения 13 и сигнала с выхода суммирующего устройства 25 срабатывает компаратор 14, по фронту переключения которого формируется короткий импульс формирователем импульсов 15. Длительность сформированного импульса является достаточной для включения тиристоров 2, 3. Сигнал с выхода формирователя импульсов 15 поступает на вход распределителя импульсов 16. Сигнал с первого выхода распределителя импульсов 16 через выходной каскад 17 подается на управляющий электрод тиристора 2. Выходной каскад 17 обеспечивает усиление управляющего импульса до требуемого уровня и гальваническую развязку силовой и информационной частей устройства. При включении тиристора 2 происходит колебательный заряд коммутирующего конденсатора 10 через коммутирующий дроссель 8 и нагрузку 9 по цепи: 7-2-8-9-10-7. При работе тиристора 2 через нагрузку 9 протекает полуволна прямого тока. За счет колебательности процесса заряда конденсатор 10 заряжается до напряжения, превышающего напряжение на конденсаторе фильтра 7. После спада тока тиристора 2 до нуля включается встречный диод 4 и происходит частичный колебательный разряд коммутирующего конденсатора 10 на конденсатор фильтра 7 по цепи: 10-9-8-4-7-10. Разряд коммутирующего конденсатора 10 обеспечивает рекуперацию излишней реактивной энергии, накопленной в электромагнитном поле элементов контура коммутации, и стабилизацию режима работы инвертора в условиях изменяющейся нагрузки. При работе тиристора 2 и встречного диода 4 логическая схема И 12 находится в состоянии, обеспечивающем нахождение генератора пилообразного напряжения 13 в выключенном состоянии (напряжение на выходе отсутствует) и возврат компаратора 14 в исходное состояние. После выключения диода 4 к тиристорам 2, 3 одновременно прикладывается прямое напряжение, равное половине напряжения на конденсаторе фильтра 7. Логическая схема И 12 при этом формирует разрешающий логический сигнал высокого уровня, запускающий генератор пилообразного напряжения 13. Далее, при сравнении сигналов с выхода генератора пилообразного напряжения 13 и суммирующей схемы 25 и срабатывании компаратора 14 формируется и подается через второй выходной каскад 19 импульс управления на тиристор 3. Происходит колебательный разряд конденсатора 10 через коммутирующий дроссель 8 и нагрузку 9 по цепи: 10-9-8-3-10. Через нагрузку 9 при работе тиристора 3 протекает полуволна обратного тока. Коммутирующий конденсатор 10 перезаряжается до напряжения обратной полярности. После выключения тиристора 3 включается встречный диод 5 и происходит колебательный заряд конденсатора 10 по цепи: 10-5-8-9-10. При работе тиристора 3 и диода 5 логическая схема И 12 также находится в состоянии, обеспечивающем нахождение генератора пилообразного напряжения 13 в выключенном состоянии и возврат компаратора 14 в исходное состояние. После выключения встречного диода 5 электромагнитные процессы в работе инвертора повторяются. Заданный временной интервал паузы в работе инвертора определяется уровнем сигнала на выходе суммирующего устройства 25. Указанный сигнал представляет собой сумму напряжений с выхода источника задающих напряжений 20 и выхода устройства выборки-хранения 24. Сигнал с выхода устройства выборки-хранения 24 пропорционален длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода и формируется следующим образом. В интервале проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода напряжение на втором тиристоре максимально и равно напряжению на конденсаторе фильтра 7. При работе тиристора 2 и диода 4 на выходе второго порогового элемента 26, а при работе тиристора 3 и диода 5 - на выходе порогового элемента 21 присутствуют логические сигналы высокого уровня. Фронт указанных сигналов через логическую схему ИЛИ 22 запускают второй генератор пилообразного напряжения 23, а срез обеспечивает выборку с выхода второго генератора пилообразного напряжения 23 сигнала, пропорционального интервалу проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, схемой выборки-хранения 24. Амплитудное значение тока измеряется датчиком тока 27. При превышении током тиристора заданного максимального значения тока пороговый элемент 28 переключает триггер 29. Логический сигнал с выхода триггера 29 переводит логическую схему ИЛИ 30 в состояние, запрещающее работу выходных каскадов 17, 19. В результате очередной импульс управления на тиристоры 2, 3 не поступает. Сигнал выхода устройства выборки-хранения 24, пропорциональный длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, поступает на входы пороговых элементов 31, 32. Если длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода меньше или превышает заданные минимальное и максимальное значение, то по логическому сигналу с выхода соответствующего порогового элемента 31 или 32 логическая схема ИЛИ 30 также переводится в состояние, запрещающее работу выходных каскадов 17, 19. Аналогично, если прямое напряжение на тиристорах меньше или превышает соответственно заданное минимальное и максимальное значение прямого напряжения, по сигналу с вторых выходов датчиков напряжений 11,18 срабатывают пороговые элементы 33, 34, сигнал которых переводит логическую схему ИЛИ 30 в состояние, запрещающее работу выходных каскадов 17, 19. Выход логической схемы ИЛИ 30 соединен с вторыми входами выходных каскадов 17, 19. Уровни сигналов, по которым срабатывают пороговые элементы 21, 26, 28, 31-34, задаются источником задающих напряжений 20. Для перевода резонансного инвертора в рабочее состояние при запрете подачи импульсов управления на тиристоры, в случае превышения заданного максимального значения тока, принудительно переключают триггер 29 в исходное состояние.

Временные диаграммы иллюстрируют работу устройства и принцип управления инвертором. На диаграммах приняты следующие обозначения: u₂ - мгновенное значение напряжения на тиристоре 2, u₃ - мгновенное значение напряжения на тиристоре 3, i₂ - ток тиристора 2, i₃ - ток тиристора 3, i₄ - ток диода 4, i₅ - ток диода 5, u₂₁ - сигнал на выходе порогового элемента 21, u₂₆ - сигнал на выходе второго порогового элемента 26, u₂₂ - сигнал на выходе логической схемы ИЛИ 22, u₂₃ - сигнал на выходе второго генератора пилообразного напряжения 23, u₂₄ - сигнал на выходе устройства выборки-хранения 24, u₂₅ - сигнал на выходе суммирующего устройства 25, u₁₃ - сигнал на выходе генератора пилообразного напряжения 13, i₁₇ - импульс управления тиристора 2, i₁₉ - импульс управления тиристора 3, t - текущее время.

На диаграммах интервалы t₁-t₀, t₃-t₂, t₅-t₄, t₇-t₆, t₉-t₈ - соответствуют заданному временному интервалу паузы в работе инвертора. С уменьшением длительности интервала проводящего состояния тиристоров и встречно-параллельных диодов заданный временной интервал уменьшается (t₁-t₀>t₅-t₄).

Датчики напряжения 11, 18 реализованы на основе диодных оптоэлектронных ключей, пороговые элементы 21, 26, 28, 31-34 и суммирующее устройство 25 - на операционных усилителях. Выходные каскады 17, 19 выполнены с использованием импульсных трансформаторов. Датчик тока 27 реализован на основе схемы с элементом Холла. Остальные элементы устройства могут быть реализованы по любой из известных схем.

По сравнению с прототипом использование заявляемого способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами позволяет обеспечить более надежную работу при питании электротехнологических нагрузок с изменяющимися параметрами. Повышение надежности работы обеспечивается за счет исключения режимов работы резонансного инвертора с повышенными уровнями напряжений и токов, а также с высокими скоростями нарастания токов тиристоров и встречно-параллельных диодов и малыми временами, предоставляемыми тиристорам для восстановления управляющих свойств.

Повышение надежности оценивается по времени наработки на отказ, которое при использовании заявляемого способа управления увеличивается по сравнению с прототипом более чем в два раза.

Изобретение относится к электротехнике. Изобретение обеспечивает повышение надежности работы резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами. Способ управления заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. При этом задают временной интервал, измеряют напряжение на тиристорах, формируют логический сигнал. Разрешают отсчет временного интервала при истинном значении логического сигнала. Очередной импульс управления на тиристоры подают по истечении заданного временного интервала. Измеряют длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода. Изменяют заданный временной интервал в функции длительности проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода. Задают минимальное и максимальное значение длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, минимальное и максимальное значение прямого напряжения на тиристорах, максимальное значение тока тиристоров и измеряют ток тиристоров. Запрещают подачу очередного импульса управления на тиристоры. 2 ил.

Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, измерении напряжения на тиристорах, формировании логического сигнала, принимающего истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, разрешении отсчета временного интервала при истинном значении логического сигнала, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала, измерении длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, изменении заданного временного интервала в функции длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, причем с увеличением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально увеличивают, а с уменьшением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально уменьшают, отличающийся тем, что задают минимальное и максимальное значения длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, минимальное и максимальное значения прямого напряжения на тиристорах и максимальное значение тока тиристоров, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, измеряют ток тиристоров, запрещают подачу очередного импульса управления на тиристоры в случае, если длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода меньше или превышает соответственно заданные минимальное и максимальное значения длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, прямое напряжение на тиристорах меньше или превышает соответственно заданные минимальное и максимальное значения прямого напряжения на тиристорах, а ток тиристоров превышает заданное максимальное значение тока тиристоров.