Устройство для управления преобразователем частоты со звеном постоянного тока Советский патент 1989 года по МПК H02M5/42 

(21)4135360/2А-07

(22)20.10.86

(46) 30.11.89. Бкш. № 44

(71)Производственное объединение Таллинский электротехнический завод им. М.И.Калинина

(72)А.Н.Юпегин, Г.М.Мустафа и А.Г.БЫСТРОЕ

(53)621.314.27(088.8)

(56) Авторское свидетельство СССР № 754610, кл. Н 02 М 5/42, 1978.

(54)УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ СО ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА

(57) Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления регулируемыми источниками питания, например для индукционного нагрева металлов. Цель изобретения - увеличение диапазона регулирования выходного напряжения преобразователя.. Устройство содержит сумматор 15, нуль-орган 18, селектор 19, фазо- сдвигающую цепь 17 выходного напряжения преобразователя, коммутатор 16 полярности, узел 20 ограничения максимального угла управления инвертором. Вход первого ограничителя 8

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления регулируемыми источниками питания, например, для индукционного нагрева металлов. Цель изобретения - увеличение диапазона регулирования выходного напряжения преобразователя. Устройство содержит сумматор 15, нуль-орган 18, селектор 19, фазо сдвигающую цепь 17 выходного напряжения преобразователя, коммутатор 16 полярности, узел 20 ограничения максимального угла управления инвертором. Вход первого ограничителя 8 подключен к выходу второго регулятора 13. Первый вход сумматора подключен к выходу датчика 10 выпрямленного тока, второй вход сумматора подключен к выходу датчика 9 выходного напряжения выпрямителя, третий вход сумматора подключен к источнику напряжения задания минимального выпрямленного тока, четвертый вход сумматора подключен к выходу коммутатора. Первый вход коммутатора подключен к фазосдвигающей цепи выходного напряжения преобразователя, а второй вход к выходу преобразователя. Выход сумматора через нуль-орган подключен к первому входу селектора, второй вход селектора подключен к выходу системы 7 фазового управления инвертора, третий вход селектора подключен к выходу узла ограничения максимального угла управления инвертором, выход селектора подключен ко входу формирователя 6 импульсов управления инвертором. 4 ил.

itf .

(/)

фи. f

подключен к выходу второго регулятора 13. Первый вход сумматора подключен к выходу датчика 10 выпрямленного тока, второй вход сумматора подключен к выходу датчика 9 выходного напряжения выпрямителя, третий вход су 1матора подключен к источнику напряжения задания минимального выпрямленного тока, четвертый вход сумматора подключен к выходу коммутатора. Первьй вход коммутатора подключен к фазосдвигающей цепи выходИзобретение относится к электро- ехнике, в частности к преобразоваельной технике, и может быть исользовано для управления регулирумыми источниками питания, наприер, для индукционного нагрева меалла.

Целью изобретения является увеличение диапазона регулирования выходного напряжения преобразователя.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства;на фиг.2 - диаграмма выходных сигналов первого и второго ограничителей;на фиг.З - диаграмма сигналов коммутатора; на фиг.4 - диаграмма сигналов селектора.

Устройство содержит выпрямитель 1, фильтрующий реактор 2 в цепи постоянного тока, инвертор 3, нагрузку 4, блок 5 импульсно-фазового управления выпрямителем, формирователь 6 импульсов управления инвертором, блок 7 фазового управления инвертором, ограничитель 8 напряжения на уровне минимального угла управления инвертором, датчик 9 выходного напряжения вьшрямителя, датчик 10 выпрямленного тока, датчик 11 выходного напряжения преобразователя, первый регулятор 12, содержащий узел ограничения максимального сигнала на выходе, второй регулятор 13, ограничитель 14 напряжения на уровне минимального угла управления выпрямителя, сумматор 15, коммутатор 16 полярности, фазосдвигающую цепь 17 выходного напряжения преобразователя, нуль-орган 18, селектор 19, узел 20 ограничения максимального угла управления инвертором, имеющий вход цля подачи сигнала синхронизаного напряжения преобразователя, а второй вход - к выходу преобразователя. Выход сумматора через нуль-орган подключен к первому входу селектора, второй вход селектора подключен к выходу системы 7 фазового управления инвертора, третий вход селектора подключен к выходу узла

ограничения максимального угла управления инвертором, выход селектора подключен к входу формирователя 6 импульсов управления инвертором.4 ил.

ции с инвертором. Регулятор 12 подключен первым входом к источнику

напряжения задания выходного напряжения преобразователя, вторым входом - к датчику 11. Регулятор 13 подключен первым входом к выходу первого регулятора 12, вторым входом - к выходу датчика 10, а выходом через органичитель 8 - к входу блока 7. Выход второго регулятора 13 также подключен через ограничитель 14 к входу блока 5. Сумматор 15 подключен первым входом к выходу датчика 10, вторым входом - к выходу датчика 9, третьим входом - к источнику напряжения задания минималь- ного выпрямленного тока, четвертым

входом - к выходу коммутатора 16. Вход коммутатора 16 подключен к выходу фазосдвигающей цепи 17. Управляющий вход коммутатора 16 под- .ключен к выходу преобразователя.

Выход сумматора 15 через нуль-орган 18 подключен к первому входу селектора 19, второй вход которого подключен к выходу блока 7, а третий вход - к выходу узла 20.Выход селектора 19 подключен к входу формирователя 6.

Устройство работает следующим об - разом.

В установившемся режиме при постоянном напряжении задания на вход первого регулятора 12, который выполняет функцию регулятора напряжения и может быть интегральным или пропорционально-интегральным, величина вьг-одного напряжения и,,, преобрг .ователя частоты постоянна. Сигнал рассогласования на входах регулятора 12 между напряжением задания УЗОД и сигналом

5

С братнсчй связи, поступаюищм с датчика 11 1зь;ход ого напряжения преобразователя, стремится к нулю. Выходной сигнал регулятора 12 является сигналом задания для регулятора 13, которьй может быть пропор- циои.ально-иитегральным или интеграл ным и выполняет функцюо регулятора тока. Сигнал рассогласования на входах второго регулятора 13 между сигналом задания и сигналом Ij с датчика 10 также стремится к нулю При достижении максимального ограничения вЕ гходного сигнала гулятора 12 наступает режим стабилизации (ограничения) максимального выпрямленного тока 1 1 мпкс .

Выходной сигнал U второго регулятора 13 поступает ча входы ограничителей 8 и 14 и проходит либо на выход первого огр гничителя 8 (тогда на выходе второго orpaHiiim- теля 14 уровень ограпичения U - огрг ) либо на выход второго ограни.11телл 14 (тогда ча выходе певого ограничителя 8 уровень ограничения и, L orpi ), что обеспечивается характеристиками ограничителей (фиг.2).

Блок 7 настраивается так, чтобы входной управляюиа1Й сигнал на уровне ограничения U, Uогр i соответствовал м {нимальному углу управления и)вертором 3 |Ь Л а блок 5 - так, чтобы входной управляющий сиг- нап на ypoBiie ограничения Uj UQ,., соответствовал минимальному углу управления выпрямителя 1 oi ixi ллии . Таким образом, изменением управляющего сигнала Ug на выходе второго регулятора 13 обеспечивается либо регулирование инвертора мин при одновременном ограничении угла угфавления выпрямителя . либо регулирование выпрямителя (н при одновременном ограничении угла управления инвертора /3 | /viHH Тем сам}лм в обоих случаях достигается стремпение к нулю сигнала рассогласования на входах второго регулятора 13.

В том случае, когда управляюищй сигнал U(j на выходе второго регулятора 13 соответствует режиму . цм одновременно может наступить при достаточно малой мощности нагрузки режим стабилиза Ц и минимального выпрямленного тока по ко.чтуру регулирова

258416

нт{я инвертором 3, куда входят сумматор 15, нуль-орган 18, селектор 19, (формирователь 6. Сигналы обратных связей в су 1мятор 15 поступают с датчика 9, датчика 10, фазосдви- гающей цепи 17 через ко№-1утатор 16. Сумматор 15 вырабатывает управляющее напряжение Uunp которое в течеjQ ние полупериода инвертора дважды переходит через ноль. Один из двух переходов (информационный) задает момент включения тиристоров инвертора и фиксируется нуль-органом 18 как

j информационны перепад его вьгходно30

го логического сигнала F

2

1 азосдвигаю1цая цепь 17 выходного напряжения преобразовател;- формирует р.ыходкой сигнал U., , сдг инутьй 20 по фазе относительно идеа.г1ичироБан- ного синусоидального выходного напряжения преобразователя на 90 (фиг.З).

Коммутатор 16 изменяет полярность 25 сигнала U, при отрицательном напряжении Uj,(,ix (фи1 ,3), что позволяет реализовать одноканальный принцип управления инвертором.

Логический сигнал F- с выхода нуль-органа 18 поступает на вход селектора 19 и проходит на его выход без изменения (фиг.4а) в том случае, если фронт сигнала F задает угол управления инвертором в пределах

f макс Р фронт 35 сигнала F приходит раньше, чем фронт сигнала F, с выхода блока 7, но позже, чем фронт сигнала F с выхода узла 20. Если фронт сигнала Fg приходит раньше фронта сигнала FJ, то на выход селектора l5 проходит сигнал F, т.е. F F, что соответствует ограничению максимального угла управления /3 /Ь 1,0x0 (фиг.4,б). Если фронт сигнала F 45 приходит позднее фронта сигнала F , то на выход селектора 19 проходит сигнал F , т.е. F F, , что соответствует ограничению минимального угла управления мин (фиг.4,в).

По фронту сигнала F, поступающего с выхода селектора 19 на вход формирователя 6, формируются отпирающие имггульсы тиристоров первой или вто- гг рой диагоналей моста инвертора 3.

Узел 20 имеет вход для подачи сигнала синхронизаи; и с инвертором и вырабатывает логический сигнал F, устанавливающий на каждом полупериоде вьгходного напряжения интервалы гзапрета и разрешения для угла управления инвертором /) . Интервал ра решения составляет максимально допустимый угол управления инвертором Р «оцр выбираею,1й по условию устойчивости в контуре регулирования регулятора минимального тока - для идализированного синусоидального выходного напряжения инвертора 90 . Интервалы запрета и разрешения сигнала F могут устанавливать- с я потенциометром по известной схеме ждущего мультивибратора, синхронизированного с инвертором.

Закон формирования управляющего напряжения ,p на выходе сумматора 15 основываетсй на следующем.

В установившемся режиме средние значения напряжения противоЭДС Е инвертора (на входе моста) и выходного напряжения выпрямителя Uj равны: Е Uj, выпрямленный ток Ij за счет фильтрации большой индуктивностью LJ реактора 2 практически сглажен. Изменение выпрямленного тока Ij в переходных режимах определяется разницей средних значений Uj - Е и пропор11 1онально интервалу изменения и обратно пропорционально индуктивности LJ. Допустим, произоишо отклонение UIi выпрямленного тока Ij от заданного минимального зипчения I

мпн

е- blj Ij - Id

мин

тогда, чтобы компенсировать отклонение Ml, т.е. вернуть равенство Ij Ij , за время, равное одному

лупериоду Т инвертора, необходимо в течение следующего полупериода создать противоположное отклонение -Qlj. Для этого нужно создать соответствующую разницу средних (за полупериод Т) значений:

F „ , uld

J - J Т

При идеализированном синусоилаль ном выходном напряжении преобразователя и мгновенной коммутации тиристоров инвертора противоЭДС К определяется по формуле

Е -Д-

,

где и - амплитуда напряжения 1 р.,|у Перед очередным )че)1ием тиристоров HHBejJTopa пзнестно отклонение -Л1, которое нужно создать на следующем полупериоде Т, известно значение Uj, остается только опре- делить требуемое значение Е и, выбирая требуемое значение угла р произвести очередное включение тиристоров инвертора.

ПротивоЭДС Е инвертора пропорци- JQ ональна косинусу угла , поэтому фактический угол |3 определяется с использованием косинусоидального раз- вертывающего напряжения, формируемого цепью 17 и подаваемого через

J5 коммутатор 16. Мгновенное значение развертьшающего напряжения и в момент включения t ц тиристоров инвертора пропорционально значению ), следовательно, также пропорQ ционально значению противоЭДС К;

Е

...

),

где К - коэффициент пропорциональности.

Выбирая тот или иной момент включения на текущем полупериоде, одновременно выбирают значение ) что эквивалентно выбору

- бм самым определяем разницу Е - Uj и создают отклонение -Д1 ., Условие включения тиристоров определяется выражением

35

Lj. Т

Ld

.- d f-Id--l-V..H 0

0

5

Правая часть равенства представляет собой алгебраическую сумму четырех сигналов, которая вычисляется

0 сумматором 15 и в результате вьфаба-- тъшается управляющее напряжение. Включение тиристоров инвертора происходит при переходе управляющего напряжения и,. через ноль. Случай5 ubie отклонения выпрямленного тока

Ii от задания Ij

/мин

(возникающие.

в частности, за счет пульсаций выходного напряжения выпрямителя Uj ), компенсируются с предельным быстродействием - за один полупериод инвертора Т, Задание Ij устанавливается близким к нулю, но достаточным, чтобы случайнь1е отклонения выпрямленного тока Ij не приводили к его прерыванию.

Преобразователь частоты имеет три зоны регулирования.

Зона 1: регулирование осущест- нляется инвертором 3, угол управлення выпрямителем 1 ограничен на минимальном значении Регулируются либо выходные сигналы регуляторов 12 и 13, если не наступило максимальное ограничение выпряленного тока Ij, и осуществляется стабилизация выходного напряжения Ugf,,, преобразователя, либо выходной сигнал Ug только второго регулято- ра 13, если наступило максимальное ограничение выпрямленного тока Ij Ij и выходное напряжение Ug,, преобразователя понижено по сравнению с заданным, тогда выходной сигнал ,qj первого регулятора 12 ограничен на максимальном значении. Регулирующее воздействие на инвертор осуществляется через первый ограничитель 8, блок 7, селектор 19, формирователь 6, а ограничение уг- ла (xL рс д,(,ц задается вторым ограничителем 14 .

Зона 2: регулирование осуществляется выпрямителем 1, угол управлени инвертором 3 ограничен на минимальном значени f мин- Так же, как в зоне 1, регулируются либо выходные сигналы Up регуляторов 12 и 13, либо выходной сигнал U только второго регулятора 13. Регулирующее воздействие на выпрямитель 1 осуществляется через второй ограничитель 14 и блок 5, а ограничение угла р f f задается первым ограничителем 8.

Зона 3: регулирование осуществляется выпрямлением 1, выпрямленный ток Ij ограничивается инвертором 3 на минимальном значении I i Ij В контур регулирования входят регуляторы 12 и 13, второй ограничитель 14, блок 5, а в контур ограничения

I

мин

- сумматор 15, нуль-орган 18, селектор 19, формирователь 6. Контур ограничения действует независимо от контура регулирования и обеспечивает равенство выпрямленного тока Ij значению задания на входе сумматора 15: Ij Ij „ В контуре регулирования происходит следующее. Сигнал на выходе певого регулятора 12 регулируется так, чтобы значение сигнала I эо|, стало равным значению сигнала I, с датчика 10 выпрямленного тока и тем самым равным значению сигнала задания Ij , в то время как выходной сигнал и второго рег улятора 13 регулируется так, чтобь обеспечить сигнал с датчика 1 1 выходного напряжения преобразователя равным Сигналу задания Пзад з входе первого регулятора 12.

Переход из зоны 1 в зону 2, затем в зону 3 происходит при постепенном уменьшении сигнала задания 1Цдд на входе первого регулятора 12

Применение предлагаемого устройства обеспечивает стабилизацию выхоного напряжения в диапазоне регулирования 10-100% и использование пробразователя для питания автономного колебательного контура электротермической и другой электротехнологической нагрузки.

Формула изобретения

Устройство для управления преобразователем частоты со звеном постоянного тока, содержащее формирователь импульсов управления инвертором, выходы которого предназначены для подключения к вентилям инвертора преобразователя, блок фазово I

го управления инвертором,вход которого подключен к выходу ограничителя напряжения на уровне минимального угла управления инвертора, датчик выходного напряжения вьтрями- теля, первый регулятор, содержащий узел ограничения максимального сигнала на выходе, первый вход которого подключен к источнику напряжения задания выходного напряжения преобразователя, второй вход - к датчику выходного напряжения преобразователя, втopv й регулятор, первый вход которого подключен к выходу первого регулятора, второй вход - к выходу датчика вьтрямленного тока, выход второго регулятора через ограничитель напряжения на уровне минимального угла управления выпрямителя подключен к входу блока им- пульсно-фазового управления выпрямителем, выходы которого предназначены для подключения к вентилям выпрямителя преобразователя, отличающееся тем, что, с целью увеличения диапазона регулирования выходного напряжения преобразователя, оно снабжено сумматором, нуль- органом, селектором, содержаишм эле - мент РЦЖ и элемент И, фазосдвигаю- щей цепью выходного напряжения преобразователя, коммутатором полярности, узлом ограничения максимального угла управления инвертором, име- loi aiM вход для подачи сигнала синхро- низаи и с инвертором, причем вход ограничителя напряжения на уровне минимального угла управления инвертором подключен к выходу второго регулятора, первый вход сумматора подключен к выходу датчика вы- прям.г енного тока, второй вход сумматора подключен к выходу датчика выходного напряжения выпрямителя, третий вход с т матора предназначен для подключения к источнику напряжения задания минимального выпрякленного тока, четвертый вход сумматора подключен к Bi- гходу к оммутатора полярноUt

/

д.

х

Фи.г

Вык

сти, вход которого подключен к я)1- ходу фазосдвигающей цепи выходного напряжения преобразователя, управ- ляющий вход - к входу датчика выходного напряжения преобразователя,выход сумматора через нуль-орган подключен к первому входу элемента ИЛИ селектора, выход которого соединен Q с первым входом элемента И, второй вход элемента ИЛИ селектора подключен к выходу блока фазового управления инвертором, второй вход элемента И селектора подключен к выхо- )5 ЛУ узла ограничения максимального угла управления инвертором, выхо элемента И селектора подключен к входу формирователя импульсов управления инвертором.

/

Фыг.З

фиг. Ц