Способ управления последовательным резонансным инвертором напряжения с диодами встречного тока Советский патент 1993 года по МПК H02M7/48 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для стабилизации амплитуды переменной составляющей напряжения на коммутирующем конденсаторе последовательного резонансного инвертора, работающего в качестве звена повышенной частоты в двухзвенном преобразователе, например, в агрегатах бесперебойного питания, устройствах заряда емкостных накопителей и др.

Известен способ управления резрнанс- ным инвертором 1, по которому путем фильтрации сигналов датчика тока и напряжения определяют основные гармонические составляющие выходного тока и напряжения инвертора, измеряют фазовый сдвиг между ними, сравнивают сигнал, пропорциональный фазовому сдвигу, с сигналом задания и в функ- ции разностного сигнала изменяют

выходную 4 a CTdfу инвертора, стабилизируя регулируемый параметр.

Этот способ позволяет снизить установленную мощность инвертора. Однако выделение фазовых сдвигов согласно этому способу производится при помощи фильтров, вносящих запаздывание в систему регулирования. Поэтому при переходных процессах, связанных со Скачкообразными возмущениями со стороны нагрузки инвертора (например, переход вторичного звена двухзвенного преобразователя из выпрямительного режима в инверторный в момент перехода выходного тока инвертора через нуль или наоборот), наблюдаются перегрузки элементов инвертора, а также снижается его коммутационная устойчивость.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту к изобретеVJ

Ч)

ю

4

нию является способ управления последовательным р езрнансншт инвертором с дио- дйМи встречного тока 2, заключающийся в том, что определяют момент перехода выходного тока инвертора через нуль, форми- 5 руют сигнал управления, равный разности сигнала задания и сигнала обратной Связи, уравнивают сигна/т управления с разверты1 вающимШп язкёТЖм, в ломёнт рабёнства :; .этих сигналов фЬрми руЮт; сигнал включения 10. упр1вляеЯь1х; клк:ЙёйТ§ Момент изменения напра влё |нхвдно«) т|ка йШёр1 ракпре-а л краицаютподачу сигналаШлючёнйя на управ- ляемый(ключ, при переходе выходного тОка инвертора через нуль заканчивают формиро- 15

; ванйе развёртывающего напряжения, фор- мйруютимпульс длительностью, достаточной для восстановления запирающих свойств

v . уп р в яШ бг о к лкйа; в момент око аШя :Ki3tbpofo начинают формировать развер- 20 ., ; тыва ющ её нaftряжен иё, 6прёдёлШ5 :лн а-: . ; прав/те;нйё выходного то кй инвёр р а и ;;

:подают с;йг н|л включения на тотуправл яе- . ; ключГ г1р мЬё:наг1ра рё :powi сбёНадаёт с; нагПэавленйё л выходного 25

.-;;;: ;tOk a-MHiBepfop a.; ; ;::;;::: :: - :-; :- : ..- . ..; - : Данный способ управления обейпёчй-

1Шййутацио нную ус йч;йв |ЈҐь н1ёр-:;

/тора при скачкообразных :1(0 щёйи;ях сЬу ( ; ;;;-стор6ны его нагрузки. Формируемый в со- 30 ,:;; Ответствии с описанным способом управля/: ;; Ющий сигнал явля.ётс вШод ТЧ м ;v V::n -piery

:;; Г разШстьлси 71а задШйя ; : ; :- 4 период выходйого тёка инвертора и сйгна- 55

- ла вьЖрямленного выходного тока -;:%; - инвертора. Однако даже при оптимальных в

йг;1 смысле квадратичногб критерия качества

А ггараметрах ПИ-регулятора, т;еГ при услЬ , что постоянная времени интегратора 40 : близка к половине периода модуляции, а

--приведенный коэффициент усиления про1 ; порциональной части близок к: единице, ка- г местёо 1 пёрёхбДНЫх vn otfet:6 6B при V :: вЬзмущёниях указанного выше класса не 45 :4:;: является высоким. Превышение напряже- ; нйя на конденсаторе от ycfановившегосяг 3/ составляет более 30%, т ж Шёкгг место до- полнительйыё перегрузки. ; : ; ; . ; . Кроме того, возможно возбуждение суб- 50 гармонических колебаний й пШвлейие дб- полйительных электромагнитных перегрузок :; элементов инверторе, чтб йшшет надежность инвертора.;

Целью изобретения является повыше- 55 ... --. ние надёжности путем снижения электро- магнйтнтых нагрузьй иа э лёйенгы инвертора при переходных процессах, связанных со скачкообразными возмущениями со стороны нагрузки инвертора

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления последовательным резонансным инвертором напряжения с диодами встречного тока, при котором определяют направление и моменты перехода через нуль выходного тока инвертора, в эти моменты прекращают подачу сигнала включения на управляемые ключи время, достаточное Для восстановления запирающих Свойств управляемых ключей, начинают фЬрйировать развертывающее напрИжёШё, сравнивают сигнал управления с ра звертывакэщим напряжением, в момент их равенства формируют сигнал включения управляемых ключей и подают его на тот управляемый Ключ, прямое направление тока в котором совпадает с направлением выходного тока инвертора, в моменты перехода выходного тока инвертора через нуль запоминают сигнал абсолют-- ной величины переменной Составляющей напряжения на конденсаторе колебательного контура, уменьшают этот сигнал на величину сигнала задания, преобразуют разностный сигнал в пропорционально-интегральный, сигнал управления формируют, вычитая из преобразованного сигнала величину, Пропорциональную выходному напряжению инвертора при положительном направлений выходного тока инвертора и изменяют знак коэффициента пропорциональности при отрицательном направлений выходного тока инвертора,

На фиг. 1 приведена схема силовой части инвертора совместно со структурной схемой устройства, реализующего способ.

Силовая часть содержит источник 1 постоянного напряжения, способный принимать возвращаемую из нагрузки энергию, коммутатор резонансного инвертора, состоящий из тиристоров 2 и 3, шунтированных диодами 4 и 5 встречного тока,последовательны и LC-контур, состоящий из реактора 6 и конденсатора 7; силовой трансформатор 8 тока, имеющий две одинаковые вторичные обмотки Л/2 И А/з и информационную обмотку W/i; последовательно с обмоткой Wi трансформатора 8 включен датчик 9 тока, который может быть выполнен, например, на базе трансформатора тока, вторичная обмотка которого нагружена на резистор. Обмотки W2, Л/з трансформатора 8 нагружены на вторичный обратимый преобразователь 10. работающий в режиме естественной коммутации его силовых ключей.

К выходу преобразователя 10 подключена нагрузка 11, шунтированная фильтром 12, выделяющим основную гармонику (низкочастотную) выходного напряжения. При этом постоянная времени нагрузки преобразователя 10 существенно (на 1-2 порядка) превышает половину периода (такт) преобразования в. инверторе первичного звена питания и практически не изменяется.

Устройство 13 для управления инвертором включает в себя следующие узлы: распределитель 14 импульсов управления, датчик 15 полярности выходного тока инвертора, два однотипных формирователя ТВ и 1.7 импульсов заданной длительности, элемент ИЛИ 18, третий формирователь 19 импульсов Заданной длительности, ждущий генератор 20 развёртывающего пилообразного сигнала, датчик 21 напряжения нагрузки инвертора, фазочувствительный выпрямитель 22, первый сумматор 23, выделитель 24 модуля (прецизионный выпрямитель), блок 25 выборки-хранения, второй сумматор 26, источник 27 сигнала задания, амплитуды напряжения на конденсаторе, ПИ-регулятор 28, третий сумматбр 29, компаратор 30...-:: л .- .-.. v

Способ управления реализуется следующим образом, ../. . Пусть в момент to (фиг. 2, а) выходной ток инвертора (напряжение Ug датчика 9), возрастая, протекает через включающийся диод 5. реактор 6, обмотку Wi трансформатора 8, датчик 9, конденсатор 7, повышая на нем напряжение Напряжение конденсатора U поступает в устройство 13, и из него на сумматоре 23 вычитается постоянная составляющая, равная в данной схеме Ui/2. Таким образом, на выходе сумматора 23 присутствует сигнал переменной составляющей напряжения конденсатора 7 (фиг. 2, а). Пусть преобразователь 10 вторичного звена работает в режиме передачи мощности в нагрузку 11. Тогда напряжение на выходе датчика 21, пропорциональное напряжению на обмотке Wi, будет иметь положительный знак и остается неизменным до очередного момента ta перехода через нуль напряжения Ug (Фиг. 2, б).

В момент to на прямом выходе датчика 15 появляется сигнал логической единицы и15.1(фиг. 2, в) и присутствует там до момента т.3, а на инверсном выходе датчика 15 - сигнал логического нуля (Uis.2 фиг. 2, г). В момент to по фронту сигнала Uis.1 формирователем 16 начинает формироваться импульс длительностью, достаточной для восстановления запирающих свойств тири- стораЗ(фиг, 2, д). В момент ti сформированный импульс, пройдя через элементов, запускает генератор 20 (U20 фиг. 2, ж). Сигнал U20 присутствует на одном из входов компаратора 30.

Сигнал 1)23 на выходе сумматора 23, равный переменной составляющей напряжение на конденсаторе 7, выпрямляется выделителем 24 (LJ24 фиг. 2, з) и подается на вход блока 25, Управляющий сигнал блока 25, получаемый из выходного сигнала эле5 мента 18 формирователем 19 (Dig, фиг. 2, з), обеспечивает запоминание сигнала U24 до следующего момента перевода й ёрёз нуль напряжения Ug (фиг. 2, з). Из сигнала задания U27 на сумматоре 26 вычитается/сигнал

0 Шб и поступает на ПЙ-регулятор 28Тна выходе которого присутствует основная часть сигнала управления Уж причем последняя не содержит пульсационной составляющей сигнала обратной связи, Дополнительная

5 составляющая управляющего сигнала поступает на сумматор 29 выхода выпрямите- ля 22. Поскольку на интервале tp-ts сигнал на управляющем : входе выпрямителя 22 Ui5.2 соответствует логическому нулю (фиг.

0 2, г), то выпрямитель.2.2 не меняет знак сигнала датчика 21. Коэффициент, с которым сигнал выпрямителя U22 суммируется с сиг- .налом U28, равен см. Суммарный управляющий сигнал.-..У29 (фиг..2, ж) сравнивается

5 компаратором 30 с сигналом генератора 20, и при равенстве этих сигналов на входе распределителя 14 появляется сигнал включения ., 014.2, фиг. 2, и), Поскольку на первом управ0 ляющем входе распределителя 14 присутствует сигнал логической единицы, а на втором - лЬгйческбгб; нули , to сигнал включения управляемого ключа будет подан на тиристор 2 (фиг. 2, к), Последний включает5 ся, выключается диод 5, и выходной ток инвертора протекает по цепи: источник 1,

реактор 6, обмтка Wi трансформатора 8, датчик 9, конденсатор 7, заряжая последний. . . -.. , ;: . ,: . . :. -,... -... - ,

0В момент t3 выхбднбй то к инвертора спадает к нулю и меняет знак, а напряжение на конденсаторе 7 достигает экстремума (фиг. 2, а), В этот момент переключаются ключи в преобразователе 10 вторичного звё5 на, напряжение на обмотке Wi трансформатора 8 меняет знак (фиг, 2, б), а в нагрузку по-прежнему передается мощность от исг точника питания. Поскольку напряжение Ug поменяло знак, то на первом выходе счётчи0 ка 15 появляется импульс логического нуля, на втором его выходе - логической единицы (фиг, 2, в, г). По фронту напряжения Uis.2 формирователь 17 формирует импульс, который, проходя через элемент 18, через вре5 мя, достаточное для восстановления запирающих свойствтиристора 2, запускает генератор 20 (фиг. 2, е, ж). Процессы в схеме протекают аналогично описанному выше за исключением того, что сигнал Uis.2 меняет знак выходного напряжения выпрямителя

22, и последний имеет такой же знак, как на предыдущем такте. Кррме того, сигнал Uso включения управляемого ключа будет подан на тиристор 3 (фиг. 2, л). : ....,

.Процессы в схеме повторяются до тех пор, пока устройство для управления преобразователем ТО вторичного звена не пр бйз- ведет согласно релейному способу управления с сохранением естественной коммутации ключей вторичного звена смену знака мощности, потребляемой вторичным звеном. Последнее соответствует скачкорб- v $а&о муЩёщю СО ctopOHbf на грузкй Инвертора, Пусть это произошло в йомёйтfe (фиг, 2, а, б), причем на фиг. 26 пунктиром пЬказайо напряжение, пропорциональное Г напряжению нагрузки инвертора в случае, если бы смены знака мощности, потребляе V мой горйчным звеном, не про1лШШлО :пр;

; ЁрабнёнйЮ с рассмотренным выше режимом. Процессы в системе управления првтр р:ЯНЭТС Я 3

напряжение U22 поменяет знак и, следова- , тельно, произойдет безынёрционноё изменение сигн-ала управления U29 (фиг. 2, ж), что riрйвёдёт к йЗмейёййюугМупра вЛеййя инвертором в соответствии с аппрЬксимированнымй

- статическими характеристиками инвертора. . Поэтому управляемый параметр (амплитуда

напряжения на конденсаторе 7) практически : не измён йтс я. Пр ичем дйНаМйческре ртКлоне- нйё on редел я ется лишь нётбчнрстью а л п- рбксймации статических характеристик и не превышает нескольких процентов. На Дйаг- ра1ммё показанЬ изменение регулируемой величины в функций в ёШШГгфй тех Же услрвиях. При этом прстоМная времени интегральной части ПИ-регулятора увеличена .на порядок, а пропорциональной части , уменьшена в 4 раза.

Таким образом, способ управления не .. ; тЬлько сохраняет высокую коммутационную устбйчйврсть йнвёртрра, Но W позволяет с дбстаточной степенью точности стабиййзи- ; ptfeatb Ыплитуду наложения на койдёнса- торе, повысить запасы ycтoйчиe6ctи Ыстемы авторёгулирования при скачкообразных возмущениях со стороны нагрузки

инвертора при небольших дополнительных аппаратурных затратах; .... Указанное ёыше характеризует положительный эффект, поскольку более точная стабилизация напряжения н а конденсаторе колебатёльнртр кбнтура снижает электро- ма гйжШё перегрузки элементрв инвертора, ч to приводит к повышению его

и а:д ё;&н6стй. - .

Ф :о р м у л а ; и з Ь б р е т е н и я

.; Способ управления прследрвательным рёзонййсным инвертором напряжения с ди- ОдаШ встречного тока; заключающийся в трм, что определяют направление и моменты перехода через ноль выходного тока инвертора, § эти момёйты прекращают подачу сигнала включения на управляемые ключи инвертора, через , достаточное для восстановления запирающих свойств управляёмых ключей, начинают формировать развертывающий сигнал, в моменты равенства развертывающего сигнала и сигнала управления формируют сигнал включения управляемых ключей и подают его на тот

управляемый ключ инвертора, прямое на- П 5авлШйё котрром совпадает с на- правлё ййёК СёыхоДйОТр трка инвертора, о т- л и ч а ю щ и и с я тем; что, с целью повыше- ййя ййдё жйрстй путем снижения электррмагнитных нагрузрк на элементы инвертора при переходных процессах, фррмируют сигнал задания, измеряют выходное напряжение инвертора и переменную составляющую напряжения на конденсаторе колебательного контура, в моменты перехода выходного тока инвертора через йоль запоминают сигнал абсолютной величины переменной составляющей напряжения на конденсаторе колебательного контура,

уменьшают этот сигнал на:велйчину сигнала; задания и преобразуют полученный сигнал в пропорционально-интегральный, сигнал управления формируют как разность про- порционально интегральнргр сигнала и величины, пропорциональной выходному напряжению инвертора при положительном направлении тока инвертора и как сумму - при ртрицатеяьном направлении выходного

тока инвертора.

)

t

t.

В способе управления последовательным резонансным инвертором напря1кШЙй с диодами встречного тока осуществляют стабилизацию амплитуды переменной составляющей напряжения на коммутирующем конденсаторе последовательного колебательного контура инвертора, Для это-, го в моменты перехода выходного ftfka ин - вертора через нуль запоминают сигнал абсолютной величины амплитуды переменной составляющей напряжения на этом конденсаторе, вычитают из негр сигнал задания и разностный сигнал преобразуют в пропорционально-интегральный и суммируют его с корректирующим сигналом, пропорциональным напряжению нагрузки инвертора. 2 ил. (Л

и

Ч)

к)

30

fa

j)Um

ts

Ъ

t« ±42. Ј

Фиг. 2