Способ управления последовательным резонансным инвертором напряжения с диодами встречного тока Советский патент 1991 года по МПК H02M7/523 

I з

to

12

ОК

VJ СО

(

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для стабилизации амплитуды переменной составляющей напряжения на коммутирующем конденсаторе последовательного резонансного инвертора, работающего, например, в составе двухзвенного преобразователя в качестве звена повышенной частоты для агрегатов бесперебойного питания, систем заряда емкостных накопителей и др.

Целью изобретения является повышение надежности путем снижения электромагнитных нагрузок на элементы инвертора при переходных процессах, связанных со скачкообразными возмущениями со стороны нагрузки инвертора.

На фиг. 1 приведена схема силовой части предлагаемого преобразователя совместно со структурной схемой системы управления (СУ) резонансным инвертором (РИ); на фиг. 2 - схема силовой части РИ (а), эквивалентная схема выходной цепи РИ для переменных составляющих выходного напряжения UB коммутатора РИ и напряжения Uc на коммутирующем конденсаторе РИ, выходного тока is и выходного напряжения Ux, которая получается путем исключения из полных напряжений коммутатора и конденсатора постоянной составляющей Uw, равной для однополупериодной схемы половине входного напряжения: Dm Ui/2 (б и в); на фиг. 3 - временные диаграммы токов и напряжений на элементах схемы.

Схема (фиг, 1) содержит источник 1 питания, способный принимать возвращаемую из нагрузки энергию, коммутатор резонансного инвертора, состоящий из тиристоров 2 и 3, шунтированных диодами 4 и 5 встречного тока, последовательный резонансный контур, состоящий из коммутирующего реактора 6 и конденсатора 7, силовой трансформатор 8 тока, а также датчик 9 тока, который может быть выполнен, например, на базе трансформатора тока, вторичная обмотка которого нагружена на резистор. Одинаковые вторичные обмотки W2 и Wa трансформатора 8 тока нагружены на вторичный обратимый преобразователь 10 с системой управления, работающий в режиме естественной коммутации.

Преобразователь 10 работает в режиме непрерывного входного тока, что обеспечивается включением его управляемого ключа в момент перехода тока инвертора через нуль и поддержанием его в таком состоянии до следующего момента перехода выходного тока инвертора через нуль. В качестве управляемых ключей используются транзисторы. К выходу преобразователя 10 подключена нагрузка 11, которая может иметь фазный угол, отличающийся от нуля. Нагрузка зашунтирована фильтром, выделяющим основную гармонику выходного

напряжения, В качестве фильтра использован конденсатор 12. При этом постоянная времени нагрузки существенно (на 1-2 порядка) превышает половину периода преобразования (такт) в первичном коммутато0 ре. За время такта напряжение нагрузки 11, а также напряжение источника 1 питания практически не изменяются.

Система управления инвертором (СУ) 13 включает в себя следующие узлы. Распреде5 литель 14 импульсов управления тиристорами инвертора (РИУ), датчик 15 полярности выходного тока инвертора (ДПВТ), два однотипных формирователя 16 и 17 импульсов заданной длительности (ФИ), схему ИЛИ 18,

0 датчик 19 напряжения нагрузки инвертора (ДН), первый сумматор 20, второй сумматор 21, третий сумматор 22, устройство вычисления длины вектора, представляющее собой квадратичный сумматор (КС) 23,

5 четвертый сумматор 24, вычислитель 25 модуля (ВМ), например, прецизионный выпрямитель, пятый сумматор 26, компаратор 27, аналоговый ключ 28, источник 29 сигнала задания напряжения на коммутирующем

0 конденсаторе (ИЗ).

Способ управления осуществляют следующим образом.

Пусть в момент времени to (фиг. За) выходной ток 1В, возрастая, протекает через

5 включающийся диод 5, дроссель 6, обмотку W1 трансформатора 8, конденсатор 7, повышая напряжение на нагрузке. При этом принимают, что вторичный преобразователь работает в режиме передачи мощности в

0 нагрузку, В момент времени to на выходе ДПВТ 15 появляется сигнал логической 1 (фиг. Зг), который присутствует на нем до следующего момента перехода через нуль выходного тока инвертора (момент вр еме5 ни). По переднему фронту этого сигнала запускается ФИ 16, который формирует импульс с длительностью, достаточной для восстановления запирающих свойств тиристора 3. Этот импульс заканчивается в мо0 мент времени ti (фиг. Зг, пунктирная кривая), а до этого момента времени импульс с выхода ФИ 16, проходя через схему ИЛИ 18 (фиг. Зе), поддерживает аналоговый ключ 28 в разомкнутом состоянии (фиг. Зж).

5 Начиная с момента времени to формируют напряжение управления UC6 (фиг. Зв). Сигнал переменной составляющей напряжения на конденсаторе 7 (Uc) формируется сумматором 20 путем вычитания из напря- жения U входного напряжения инвертора

Ui, уменьшенного в два раза, что соответствует постоянной составляющей напряжения на конденсаторе 7 (фиг. 36). Сигнал переменной составляющей напряжения на выходе коммутатора РИ Не формируется сумматором 21 путем вычитания из сигнала выходного напряжения коммутатора, снимаемого с точки соединения реактора 6, диодов 4 и 5 и тиристоров 2 и 3, сигнала напряжения питания инвертора Ui, уменьшенного в два раза.

Сигнал выходного напряжения питания инвертора снимается с выхода ДН 19. Сигналы L/20, U21 и U22 суммируются сумматором 22 и подаются на один из входов КС 23, на второй вход которой подается сигнал, пропорциональный выходному току инвертора, причем коэффициентом пропорциональности служит величина волнового сопротивления колебательного контура кн- вертора. Сумматор 24 формирует сигнал суммы переменной составляющей выходного напряжения коммутатора инвертора и напряжения нагрузки инвертора. ВМ 25 формирует сигнал абсолютной величины этой суммы, сумматор 26 осуществляет суммирование полученного сигнала с выходным сигналом КС 23. Таким образом, начиная с момента времени to перехода тока через нуль, управляющий сигнал UC6 формируют согласно формуле

Uc6 Uc + Ub + Uxf + 00|b + (ub + UX), (1)

где р - волновое сопротивление колебательного LC - контура РИ,

Первое слагаемое в правой части формулы можно рассматривать как длину вектора с координатами, равными сумме переменных составляющих напряжения на конденсаторе РИ, выходного напряжения коммутатора и нагрузки РИ (первая координата) и сигнала, пропорционального выходному току 1В (вторая координата). При формировании управляющего сигнала UC6, согласно формуле (1), обеспечивав гея точное поддержание управляемой величины (амплитуды переменной составляющей напряжения Uc) при соблюдении принятых допущений о переключениях во вторичном коммутаторе в нулях тока в и неизменности напряжений Ux и UB в пределах такта.

Если управляющее напряжение Uc6 становится равным напряжению задания U29, осуществляется переключение в коммутаторе.

Таким образом, на выходе сумматора 26 присутствует сигнал, полученный согласно формуле (1), т.е. сигнал -UC6 (фиг. За).

Начиная с момента времени ti окончания импульса, формируемого ФИ 16 (фиг.

Зе), и замыкания аналогового ключа 28 (фиг. Зж) на компараторе происходит сравнение сигнала задания U29 и сигнала U26 (фиг. Зв), 3 момент времени t2 (фиг. За, в, з) компаратор переключается, на его выходе появляется сигнал логической 1 (Зз), Поскольку на первом выходе ДП8Т 15 присутствует сигнал логической 1 (фиг. Зг), РЙУ 14 подает сигнал включения тиристоров 2 и 3, форми0 руемый компаратором 28, на тиристор 2 (фиг. Зи), последний включается, происходит скачок напряжения U21. Скачком также изменяется напряжение U26 (фиг. Зв, пунктирная линия). После переключения в ком5 мутаторе величина сигнала U26 не имеет значения.

Колебательный перезаряд конденсатора 7 продолжается, и в момент времени 1з напряжение на нем достигает минимума, а

0 ток 1е становится равным нулю (фиг. За). Далее включается диод 4, а выходной ток инвертора протекает по цепи: реактор 6, диод 4, ИП 1, конденсатор 7, ДТ 9, обмотка Wi трансформатора 8. Трансформированный

5 ток обмотки Wi трансформатора 8 поступает во вторичный преобразователь и согласно релейному способу управления продолжает заряжать фильтровый конденсатор 12.

0 В момент перехода через нуль изменяет знак напряжение на информационной обмотке W трансформатора 8, поэтому происходит скачок выходного напряжения ДН 19 (фиг. 36) и напряжения сумматора 26

5 (фиг, Зв), при этом на первом выходе ДПВТ 15 появляется сигнал логического О, на втором выходе ДПВТ 15- сигнал логической 1 (фиг. Зг, д), которые присутствуют там до очередного момента перехода через нуль

0 тока 1В (фиг. За), По переднему фронту сигнала, поступающего с второго выхода ДПВТ 15, запускается ФИ 17, который формирует импульс длительностью, достаточной для восстановления запирающих свойств тири5 стора 2. Данный Импульс, проходя через схему ИЛИ 18, выключает аналоговый ключ 28 (фиг. Зе, ж). Далее процессы в системе управления повторяются, за исключением того, что в момент ts равенства сигнала за0 дания U29 и сигнала UC6 с выхода сумматора 26 сигнал компаратора 27 через РИ 14 поступает на управляющий электрод тиристора 3, включая последний (фиг. За, ж-к).

Затем процессы в преобразователе по5 вторяются до тех пор, пока напряжение нагрузки не превышает напряжение задания, формируемого релейным регулятором вторичного преобразователя, и в момент очередного спада к нулю в последний переводит вторичный коммутатор в режим,

противоположный предыдущему режиму направления потока энергии, поступающей в фильтровый конденсатор со стороны вторичного коммутатора. В данном случае это будет инверторный режим работы последнего. Допустим, что такое изменение режима произошло в момент времени te (фиг. 3), Это означает, что в этот момент приведенное напряжение нагрузки инвертора не изменяет свой знак, как это происходило бы в случае отсутствия изменения режима работы вторичного коммутатора, т.е. в момент времени te инвертор испытывает скачкообразное возмущение со стороны своей нагрузки. Так как, начиная с момента te, a формулу (1) подставляется противоположное по знаку значение напряжения Ux (сигнал Uig), результат вычисления UC6 другой, Соответственно изменяется интервал времени, в течение которого проводит ток диод 4 (или 5) встречного тока, что приводит к изменению угла управления инвертором. Однако абсолютное значение амплитуды напряжения переменной составляющей конденсатора 7 согласно (1) не изменяется. Для повышения надежности инвертора, в частности коммутационной устойчивости, сравнение сигнала задания напряжения на конденсаторе с напряжением исбпроизво- дится после окончания промежутка времени, не меньшего времени восстановления запирающих свойств управляемых ключей 2 и 3, отсчитываемого от момента перехода выходного тока инвертора (1в) через нуль. Для этого с помощью аналогового ключа 28 на указанное время (интервалы to - ti, ts -14, te -17. формируемые Ф1Л 16 и ФИ 17) отключают узел 29 задания от соответствующего входа компаратора 27. В результате управляемый ключ 2 или 3 не может быть включен ранее, чем закончится интервал времени, отводимый на восстановление запирающих свойств ключа. Это исключает возможность 1 срывов инвертирования ввиду нарушения коммутационной устойчивости, например, при аварийных процессах во вторичном коммутаторе или при подстройке коэффициента передачи токового входного канала квадратичного сумматора при замене реактора 6 на аналогичный, но с другой индуктивностью. Последнее может быть связано с технологическим разбросом параметров реактора.

Из рассмотрения работы РИ видно, что предлагаемый способ управления имеет черты упреждающего, поскольку использует прогноз и может обеспечить точное поддержание регулируемой величины, если возмущение со стороны нагрузки РИ поступает до момента переключения в коммутаторе РИ, в том числе и в момент перехода тока инвертора через нуль. Последнее требование соблюдается при переключении силовых ключей вторичного звена в нулях тока IB, т.е. при естественной коммутации во вторичном звене.

Формула изобретения

Способ управления последовательным резонансным инвертором напряжения с диодами встречного тока, состоящий в том, что определяют направление и моменты перехода через нуль выходного тока инвертора,

в эти моменты прекращают подачу сигнала включения на управляемые ключи, формируют сигнал управления, подают сигнал включения на тот управляемый ключ, прямое направление тока в котором совпадает

с направлением выходного тока инвертора, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности путем снижения электромагнитных нагрузок на элементы инвертора при переходных процессах, связанных со скачкообразными возмущениями со стороны нагрузки инвертора, начиная с момента перехода выходного тока инвертора через нуль, определяют сигнал, равный корню квадратному из суммы квадратов

двух сигналов, первый из которых nportop- ционален выходному току инвертора, второй равен сумме сигналов выходного тока инвертора, сигнала выходного напряжения инвертора и переменных составляющих напряжения конденсатора колебательного контура и выходАого напряжения коммутатора инвертора, формируют сигнал управления как сумму полученного сигнала и абсолютной величины суммы выходногЬ напряжения инвертора и переменной составляющей выходного напряжения коммутатора инвертора, в момент равенства сигнала управления и сигнала задания амплитуды переменной составляющей напряжения на конденсаторе колебательного контура формируют сигнал включения управляемых ключей.

Фиг.1

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для стабили- зации амплитуды переменной составляющей напряжения на коммутирующем конденсаторе инвертора. Цель изобретения - повышение надежности работы инвертора путем снижения напряжения на коммутирующем конденсаторе. Инвертор состоит из коммутатора на тиристорах 2,3 и диодах 4, 5, резонансного контура с коммутирующим дросселем 6 и конденсатором 7, трансформатора 8, к выходной обмотке которого подключена нагрузка 10. Чтобы получить момент времени включения тиристора 2, определяют сумму сигналов выходного тока инвертора датчиком 9 выходного напряжения инвертора переменных составляющих напряжения конденсатора 7 и выходного напряжения коммутатора. В момент равенства полученного сигнала и сигнала задания формируют сигнал включения распределителем импульсов управления тиристорами инвертора. В результате поддерживают напряжение конденсатора на заданном уровне. 3 ил, W Ё