Способ управления тиристорным последовательно-параллельным резонансным мостовым инвертором Советский патент 1989 года по МПК H02M7/48 

14677

Изобретение относит.ся к электротехнике, в частности к силовой преобразовательной технике, и может быть использовано в преобразователях по- вьшенной частоты для питания различных электротехнических установок.

Цель изобретения - улучшение мас- согабаритных показателей путем снижения установленной мощности силового fo оборудования инвертора.

На фиг.1 приведена схема инвертора и блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - диаграммы работы инвертора, на фиг.3 - зависи- 15 мости относительных значений гармонических составляющих тока нагрузки от угла проводимости тиристоров; на фиг.4 - зависимости начальных фаз гармонических составляющих тока на- 20 грузки от угла проводимости тиристоров.

Инвертор (фиг.1) содержит реактор 1J включенный в цепь постоянного.тока, инверторный мост, собранный на 25 тиристорах 2-5, коммутирующий конденсатор 6, включенный в диагональ переменного тока инверторного моста последовательно с колебательным контуром 7 нагрузки и параллельно включён-ного 30 компенсирующего конденсатора 8, и блок 9 управления.

В состав блока 9 входят задатчи- ки 10-12, узел 13 формирования и распределения импульсов управления, вы- ,5 ходом соединенный с управляющими I электродами тиристоров 2-5, узел 14 коммутации сигналов по времени с двумя аналоговыми входами, соединенными с датчиками напряжения на тиристорах 40 2, 5 противоположных диагоналей ин- верторного моста, компараторы 15-17, узел 18 формирования интервала между импульсами тока нагрузки с двумя вхо- цаыи, счетчик 19 и узел 20 сдвига .г импульсов, причем задатчик 10 выходом подключен К первому входу компаратора 15, второй вход которого соединен с датчиком напряжения на тиристоре 2, задатчик 11 выходом подключен к первому входу компаратора 16, вто- рой вход которого подключен к выходу узла 1А, выход компаратора 16 подклю- чен к первому входу узла 18, на вто- рой вход которого подключен выход компаратора 15, а выход узла 18 под- ключен на вход задания счетчика 19, счетный вход которого подключен к выходу компаратора 17 с нулевой ме14

рой, вход,которого подключен к датчику напряжения на нагрузкр. Вькод счетчика 19 соединен с входом узла 20, вьосод которого подключен к вход узла 13. Узел 13 соединен с входом управления узла 14 и входом сброса счетчика 19.

Работа инвертора осуществляется попарным включением тиристоров 2-5 по сигналам от блока 9. При включени очередной пары тиристоров, например 2 и 4 (момент t-, , фиг.2), через реактор 1, конденсатор 6 и параллельный колебательный контур 7 начинает про- текать ток, имеющий форму синусоидального импульса, длительность которого зависит от параметров элементов токопроводящей цепи. Этим импульсом тока осуществляют подпитку колебательного контура 7; Последовательность импульсов составляет ток нагрузки 1„ (фиг.2). За время протека- пня импульса тока 1н (интервал t -t конденсатор 6 перезаряжается. К тиристорам 2 ...и 4 прикладывается обратное напряжение и они выключаются. Её интервале паузы тока i (tj- tj) в контуре 7 осуществляется обмен запасенной энергией между реактивными элементами (индуктивностью нагрузки и компенсирующим конденсатором 8) и происходит колебательный процесс. По истечении половины периода включения тиристоров включают следующую пару тиристоров 3 и 5 (момент tg). Ток in меняет свое направление В дальнейшем процессы повторяются.

Резонансную частоту параллельного колебательного контура 7 задают равной или близкой к выходной частоте инвертора f« , а период включения тиристоров TU - равным нечетному числу периодов TH колебаний напряжения UH на нагрузке, превышающему единицу. Это позволяет осуществить умножение выходной частоты в п раз по отношению к частоте включения тиристоров fy (п - нечетные числа, причем п ; 1, fy 1/Тц). Ток нагрузки инвертора помимо основной гармонической составляющей с частотой, равной частоте fij, содержит высшие гармоники с частотами, превьшающими ча;стоту fy -в п раз. Напряжение на нагрузке также содержит гармонические составляющие, соответствующие гармоникам тока нагрузки. Так:, как резонансная частота контура 7 равна или близка к частоте

3 1467714

одной из высших гармонических составляющих тока 1н, то амплитуда соответствующей гармоники напряжения существенно превьшает амплитуды других гар.5

ве tc

моник, т.е. уровень соответствующей гармоники напряжения является преобладающим. Выходная частота ftf инвертора равна частоте указанной гармоники напряжения.

Уровень гармонических составляющих тока IH существенно зависит от угла проводимости тиристоров Я, пропорционального длительности t (фиг.2) синусоидальных импульсов тока 1и. На фиг.З приведены зависимэсти отношения действующего значения тока п-й гармоники Inn к среднему значению тока источника питания I (Ко 1нп/1с/) от угла проводимости Д , рассчитанного на частоте включения тиристоров fy к/Р (-И ), полученные разложением тока i в ряд Фурье. Из графиков видно, что с уменьшением угла Я уровень высших гармонических составляющих тока « (кривые п 3, 5, 7) возрастает и приближается к значению основной гармоники (кривая п 1). Это создает благоприятные условия для работы инвертора с умножением частоты. Длительность импульсов trt (фиг.2) тока in задают равной интервалу, при котрром обеспечивается максимальное использование тиристоров по току, т.е. при заданной час

тоте включения fy тиристоров и к р ат ности умножения п частоты, допустимое значение п-й гармоники тока -нагрузки

-ч.п. доп максимально. При этом поль- зависимостью Хн.п.доп (.)

зуются

Кп (n,ftj , t|) X ХТ.СР.ДОП (f

Здесь учтено, что 1г,е.р .Для обеспечения максимального коэффициента мощности нагрузки необходимо, чтобы гармоника тока 1нп нагрузки, равная. По частоте с выходным напряжением UH, совпадала с ним по фазе. Поэтому интервал мезеду моментом t подачи импульса управления iy и моментом прохождения напряжения UH через нуль задают равным интервалу сдвига указанной п-й гармонической составляющей тока i относительно момента t включения тиристора (интервал tc, фиг.2). На фиг.4 показаны зависимости начальных фаз Ч гармо- ник тока 1ц от угла проводимости тиристоров, полученные в результате разложения тока i в ряд Фурье. По заданным t и п определяют Д и соот

ветствующее значение „ . Значение tc находят из зависимасти

Ч п 2TfHtc . Если полученное значение tc отри-.

цательно, то импульсы iy подают с опережением относительно момента перехода напряжения Urf через нуль, а, если tc положительно - с запаздыванием. Сдвиг импульсов ii| относительно момента прохождения напряжения U через нуль осуществляют в блоке 9, реализуя задержку t формирования импульса управления, равную tзaд Тм/2 + tc, если tc О или t}aд tc , е Ьли tc 0.

Время, представляемое тиристором для восстановления их запирающих свойств tjar, (фиг.2), зависит от ре20 жимов работы инвертора. Время t

зап

25

30

35

40

45

55 50

максимально и превышает период колебаний напряжения UM, если на интервале tj-t-j, паузы тока « напряжение Uc на конденсаторе 6 превьш1ает сумму напряжений источника питания и нагрузки

UCK UH + Ed. (1) Режим максимальной мощности в нагрузке обеспечивают при минимальной добротности колебательного контура 7. При этом резонансную частоту контура 7 обеспечивают равной выходной частоте инвертора, а период Тц включения тиристоров - равным трем периодам Тч колебаний напряжения Ujf. Напряжение и токи в инверторе в этом режиме максимальны. По их значениям осуществляют выбор номинальных параметров силового оборудования инвертора. Кроме того, выбор номинального значения индуктивности реактора 1 осуществляют из условия установления длительности t импульсов тока i, при которой обеспечивается максимальное использование тиристоров по току. В этом режиме обеспечивают максимальное значение t ggq, соблюдая условие (1) для максимальных значений напряжения Иск.л/Дкс на конденсаторе 6 и напряжения UH.AVOKC на нагрузке (UCK. MQKC. ЕО/ + UH wnRc. ), причем UCK.AJOKC незначительно (на 10...20 В) превьш1ает указанную сумьгу.

С увеличением добротности контура 7 ток 1(1, уменьшается. При этом уменьшается напряжение UCK и условие (1) нарушается. Угол запирания тиристоров уменьшается (уменьшается tj,,), однако устойчивость инвертирования снижается незначительно, так как с

уменьшением тока тиристоров их вр.емя выключения уменьшается. Скачкообразное уменьшение происходит, когда напряжение UT на запирающихся тиристорах в момент td, включения тиристоров противоположной диагонали инвер- торного моста, становится равным ну- лю (UT-(H) О, фиг.2). Для исключения такого режима формируют сигнал, про- дор ционапьный опорному напряжению, сравнивают с сигналом, пропорциональным напряжению UT на запирающих тиристорах в мамент включения тиристодельно допустимому значению напряжения на тиристорах, а задатчиком 11 - пропор1щональный опорному напряжению, g Задатчиком 12 устанавливают расчетную длительность задержки формирования импульсов управления. Запуск инвертора производится от одиночного импульса, формируемого узлом 13 в момент 10 подачи сигнала на включение инвертора, и осуществляют при минимальном , периоде Т, которьй устанавливают равным трем периодам Тн. Формирование периода Те осуществляют с помощью узров противоположной диагонали, и, ее- Т5 18, который задает интервал

ли шпервый сигнал становится больше второго, период Те увеличивают на два периода Тн. При этом время заряда конденсатора 6 увеличивается, растет

между импульсами тока «, выраженный количеством переходов напряжения UH через нуль таким образом, что число переходов через нуль в этом интервале

напряжение UcK,напряжение UT отрица- 20 соответствует числу периодов Тн в за- тельной полярности на запирающихся данном периоде Те,. Цифровой сигнал тиристорах возрастает и скачкообразного уменьшения tjan не происходит. Управление по указанному алгоритму осуществляет блок 9 Сфиг.1). При уве- 25 пряжения и„ через нуль ос ущёс твля1от

с выхода узла 18 поступает на вход задания счетчика 19.

Определение моментов перехода на-

личении периода Та включения тирис- торов (переходе на следующую ступень умножения частоты) напряжение U. не превьшает предельного значения . лгакс. « При увеличении периода Т, по известному способу напряжение UCK достигает большего значения, чем по предлагаемому способу управления, VaK как в момент, предшествующий увеличению периода, условие (1) выполняется,

С уменьшением добротности контура 7 ток LH растет и напряжения UCK и UT увеличиваются. В момент, когда напряжение UT достигает своего предельного значения UT.WQKC , период Тg уменьшают на два периода Т. Для этого формируют сигнал, пропорциональньй напряжению UT сравнивают его с сигналом, пропорциональным мгновенному значению напряжения Uf, и, если второй сигнал,достигает уровня первого, уменьшают период Т g, включения тиристоров. При этом уменьшается время .заряда конденсатора 6, что приводит к снижению напряжений UCK и UT. Таким образом при изменении добротности контура 7 нагрузки напряжения на коммутирующем конденсаторе 6 UCK и тиристорах 2-5 UT инвертора не пре- вьш1ают предельных значений UCK.«акс.

и 7. на НС .

Способ реализуется блоком 9 управления. Задатчиком 10 формируют анало- товый сигнал, пропорциональный пре40

45

50

55

при помощи компаратора Т7 с нулевой мерой,- на вход которого подают аналог- говьй сигнал с датчика напряжения на нагрузке. Импульсы с вьгхода. компаратора 17. поступают на счетньй вход счетчика 19, которьй производит подсчет количества импульсов, что соответствует количеству переходов напряжения UH через нуль, и при достижении их числа, равного числу, заданному узлом 18, на выходе счетчик 19 формирует импульс. Этот импульс через узел 20 с задержкой, устанавливаемой .задатчиком 12, поступает на вход узла 13, которьй формирует импульс управления и распределяет на тиристоры инвврторного моста. При формировании управляющего импульса узел 13 подает

сигнал НЕ обнуление счетчика 19, чего процесс повторяется.

Одновременно с процессом формиро-

:вания импульсов управления непрерывно измеряют мгновенные значения напряжения U-r на тиристорах 2, 5 противоположных диагоналей инверторного моста. Аналоговые сигналы, пропорциональные этим напряжениям, подают на входы узла 14 и один из них на вход компаратора 15. В компараторе IS сравнивают сигнал с сигналом аналогового задатчика 10. В момент их равенства на выходе компаратора 15 формируется импульс, которьй поступает на первый вход узла 18. По этому им1467714

дельно допустимому значению напряжения на тиристорах, а задатчиком 11 - пропор1щональный опорному напряжению, Задатчиком 12 устанавливают расчетную длительность задержки формирования импульсов управления. Запуск инвертора производится от одиночного импульса, формируемого узлом 13 в момент подачи сигнала на включение инвертора, и осуществляют при минимальном периоде Т, которьй устанавливают равным трем периодам Тн. Формирование периода Те осуществляют с помощью уз 18, который задает интервал

18, который задает интервал

между импульсами тока «, выраженный количеством переходов напряжения UH через нуль таким образом, что число переходов через нуль в этом интервале

соответствует числу периодов Тн в за- данном периоде Те,. Цифровой сигнал пряжения и„ через нуль ос ущёс твля1от

соответствует числу периодов Тн в за- данном периоде Те,. Цифровой сигнал пряжения и„ через нуль ос ущёс твля1от

с выхода узла 18 поступает на вход задания счетчика 19.

Определение моментов перехода на-

20 соответствует числу периодов Тн в за- данном периоде Те,. Цифровой сигнал 25 пряжения и„ через нуль ос ущёс твля1от

0

5

0

5

при помощи компаратора Т7 с нулевой мерой,- на вход которого подают аналог- говьй сигнал с датчика напряжения на нагрузке. Импульсы с вьгхода. компаратора 17. поступают на счетньй вход счетчика 19, которьй производит подсчет количества импульсов, что соответствует количеству переходов напряжения UH через нуль, и при достижении их числа, равного числу, заданному узлом 18, на выходе счетчик 19 формирует импульс. Этот импульс через узел 20 с задержкой, устанавливаемой .задатчиком 12, поступает на вход узла 13, которьй формирует импульс управления и распределяет на тиристоры инвврторного моста. При формировании управляющего импульса узел 13 подает

сигнал НЕ обнуление счетчика 19, чего процесс повторяется.

Одновременно с процессом формиро-

:вания импульсов управления непрерывно измеряют мгновенные значения напряжения U-r на тиристорах 2, 5 противоположных диагоналей инверторного моста. Аналоговые сигналы, пропорциональные этим напряжениям, подают на входы узла 14 и один из них на вход компаратора 15. В компараторе IS сравнивают сигнал с сигналом аналогового задатчика 10. В момент их равенства на выходе компаратора 15 формируется импульс, которьй поступает на первый вход узла 18. По этому им, пульсу узел 18 уменьшает величину выходного цифрового сигнала на два, т.е. уменьша,ет величину задания счетчика 19 на два, что соответствуе уменьшению периода Тц на два перир- да; TK . В момент формирования импульса управления узел 13 подает сигнал на вход управления узла 14. При этом на время действия сигнала на выход узла 14 передается один из сигналов поступающих на его входы, имеющий отрицательную полярность, который затем поступает на вход компаратора 16. В компараторе 16 сравнивают этот сигнал с аналоговым сигналом задатчика 11. В момент их равенства на выходе компаратора 16 формируется импульс, который поступает -на второй вход узла 18. По этому импульсу узел 18 увеличивает величину задания счетчика 19 на два.

Формула изобретени

1. Способ управления тиристорным последовательно-параллельным.резонансным мостовым инвертором с параллельным колебательным контуром нагрузки, имеющим резонансную частоту, равную или близкую к выходной частоте инвертора в режиме питания его импульсами тока з,аданной длительности, заключающийся в том, что задают период включения тиристоров равным нечетному числу периодов, не менее трех колебаНИИ напряжения на нагрузке, формируют импульсы управления и момент подачи их на тиристоры производят с задержкой .относительно момента прохождения напряжения на нагрузке через нуль, отличающийся тем, что,- с целью улучшения массогабаритных показателей путем снижения установленной мощности силового оборудования мостового инвертора, длительность импульсов тока задают равной интервалу, при котором обеспечивается максимальное использование тиристоров по току, интервал между моментом подачи импульса управления на тиристоры и моментом прохождения напряжения на нагрузке через нуль задают равным интервалу сдвига гармонической состав

ляющей тока нагрузки с частотой, равной входной частоте мостового инвертора относительно начала импульса тока, измеряют мгновенные значения напряжений на тиристорах мостового инвертора, формируют сигнал, пропорциональный опорному напряжению, сравнивают его с сигналом, пропорциональным мгновенному значению напряжения на запирающихся тиристорах в момент включения тиристоров противоположной диагонали инвертора, и, если сигнал, пропорциональньш опорному напряжению,

больще сигнала, пропорционального мгновенному значению напряжения, период включения тиристоров увеличивают на два периода колебаний напряжения на нагрузке, формируют сигнал, пропорциональный предельно допустимому значению напряжения на тиристорах, сравнивают его с сигналом, пропорциональным мгновенному значению напряжения на тиристорах, и, если сигнал,

пропорциональный мгновенному значению на тиристорах, достигает уровня сигнала, пропорционального предельно допустимому значению напряжения на тиристорах, период включения тиристоров уменьшают на два периода колебаний напряжения на нагрузке.

2. Способ ПОП.1, отличающийся тем, что задают длительность задержки формирования импульсов управления, равной сумме длительности полупериода колебаний напряжения на нагрузке и интервала сдвига п-гармо- нической составляющей относительно момента включения тиристора в случае, если интервал сдвига п-гармонической составляющей меньше нуля, и равной интервалу сдвига п-гармонической составляющей в случае, если интервал сдвига п-гармонической составляющей больше нуля, измеряют количество переходов напряжения на нагрузке через нуль с момента очередного включения тиристоров, сравнивают его с числом периодов колебаний напряжения на нагрузке в заданном периоде включения тиристоров и в момент их равенства формируют импульс управления с заданной длительностью задержки.

JeL /

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в преобразователях повьшенной частоты для питания различных электротехнологических установок, в частности установок индукционного нагрева. Цель изобретения - улучшение массогабарит- ных показателей, снижение установленной мощности силового оборудования инвертора. Параллельный колебательный контур нагрузки настраивают в резонанс на выходной частоте инвертора и питают . импульсами тока. Длительность импульсов тока задают равной интервалу, при котором обеспечивается максимальное использование тиристоров по току. Задают период включения тиристоров, равным нечетному числу периодов (но не менее трех) колебаний напряжения на нагрузке, т.е. коммутация тиристоров осуществляется с частотой в несколько раз ниже выходной частоты инвертора. Импульсы управления на тиристоры подают со сдвигом относительно момента прохождения -.напряжения на нагрузке через нуль на интервал, равный интервалу сдвига гармонической составляющей тока нагрузки, с частотой, равной выходной частоте инвертора относительно начала импульсов тока, обеспечивая максимальный коэффициент мощности -инвертора. Для этого в момент равенств,а количества переходов напряжения на нагрузке через нуль числу периодов колебания напряжения на нагрузке в заданном периоде включения тиристоров формируют импульс .и с заданной задержкой подают на тиристоры. Одновременно с процессом формирования импульсов управления нёпрерьтно измеряют мгновенные значения напряжений на тиристорах противоположных диагоналей инверторного моста. В момент достижения напряжением на тиристорах предельно допустимого уровня уменьшают период включения тиристоров. При достижении напряжения на запирающихся тиристорах в момент включения тиристоров противоположной диагонали инверторного моста уровня опорного напряжения увеличивают период включения тиристоров. Этим обеспечивают поддержание допустимого уровня напряжения на последовательном коммутирующем конденсаторе и времени, предоставляемого тиристорам . для восстановления их запирающих свойств, достаточной величины. Контроль режимов работы тиристоров по току и напряжению приводит к уменьшению номинальных значений параметров силового обору- дования инвертора, за счет чего достигается поставленная цель. 1 з.п. ф-лы, 4 ил. с 5S (Л 4 О) i

yfew

ОW 80 J2O 160 Я, град

Фие.З

п.рад

/), рад