Способ управления последовательным инвертором и устройство для его осуществления Советский патент 1980 года по МПК H02P13/18 

(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ИНВЕРТОРОМ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для индукционного нагрева металлов. Известен способ геометрического суммирования токов двухмостового инвертора, основанный на регулировании угла сдвига токов разных мостов инвертора, протекающих по нагрузочному контуру ij. Недостатком способа является то, ч/то при повышении эквивалентного сопротивления нагрузочного контура в опережающем мосту уменьшается время, предоставляемое для восстановления управляемости прямых вентилей, а в отстающем мосту происходит затягивание тока встречных вентилей и появляется режим отсечки тока встреч ных вентилей, что приводит к увеличению скорости нарастания прямого то ка, возрастанию тепловых потерь,увеличению коммутационных перенапряжений и в целом к снижению устойчивости работы инвертора. Известен способ широтного регулирования выходного напряжения, основа ный на изменении угла включения прямых вентилей анодной группы по отношению к моменту включения пря№|1Х вен тилей катодной группы моста 2. Недостатком этого способа управления является то, что при введении угла между моментами включения прямых вентилей анодной и катодной группы отста ощий вентиль включается в тот момент, когда в коммутирующем контуре уже имеется ток, поэтому скорость нарастания анодного тока в отстающем вентиле в момент включения резко увеличивается и, чем больше угол, тем выше скорость нарастания анодного тока. Это также приводит к существующему возрастанию тепловых потерь и коммутационных перенапряжений, следовательно, к снижению предельно-допустимой нагрузки прямых вентилей катодной группы. Наиболее близким по технической сущности к известному способу является способ управления, основанный на фазовой подстройке частоты инвертора к резонансной частоте нагрузочного контура при сопротивлении нагрузочного контура, не превышающих заданного значения, и ограничении напряжения на выходе инвертора при работе на контур с повышенным значением сопротивления зЗ Недостатком указанного способа управления является то, что при возрастаниИ эквивалентного сопротивления нагрузочного контура, во-первых, не контролируется основной параметр, раб ты преобразователя - время, предо ставляемое для восстановления управляемости прямыхвентилей, а именно его величина полностью определяет ком мутационную устойчивость инвертора, во-вторых, при снижении частоты инве тирОв1ания в случае возрастания эквивалентного сопротивления нагрузки по является отсечка по току, то есть за тягивается ток встречных диодов и ПЕ1ЯМые вентили включаются при конечном токе встречных диодов, что снижа ет устойчивость работы инвертора. Устройство для управления последо вательным инвертором содержит блоки для управления инвертором и для управления обратным /вентильным MCSCTOM. В этом устройстве можно подцержийать совпадение резонансных частот инвертора и нагрузочного конгтура при любом сопротивлении последнего, при этом время, предоставляемое для восстановления управляемости вентилей, не снижается и коммутационная устойчивость инвертора полностью сохраняется. Однако если в этой схеме осуществить управление инвертором при постоянно полностью открытых веН4илях, шунтирующих нагрузку, независимо от беличины нагрузочного сопротив ления, снижается срейняяпредельная мощнос тЁ Инвертора и, следовательно, сйижается эффективность использования его оборудования; Целью настоящего изобретения явля ется повышение устойчивости работы инвертора и повьшения эффективности йспольёования его оборудованияпри возрастании сопротивления нагрузки, Побтавленная цель достигается тем 4то в .известном способе управления последовательным автономным инвертором частоту управления инвертором и ЙзйЭправлёния Вёйтй Шйй, адими нагрузку, регулируют в функций, трех параметров: угла сдвига первых гармоник тока и напряжения нагрузки, времени,предоставляемого на восстановление управляемости прямых вентилей имгйййённ6гозна:чейия тока встречных вентилей в момент включения противофазных прямых вентилей, причем поддерживают минимально воз йо5кйый угол сдвига МеясДУ первыми гар мониками -Тока и напряженияМагрузкй, время, предоставляемое на восстановлёййёуправляемости прямых вейтилей, и заданное минимальное мгновенное значение тока встречных вентилей в Момент включения противофазных прямых вентилей. Устройство для реализации способа снабжено трансформаторами тока пряшл и встречных вентилей, датчиком време ни, датчиком мгновенного значений токи встречных вентилей, источником опорного напряжения, узлом сравнения сигналов и блоком управления обратным вентильным , причем входы датчика времени,, предоставляемого для восстановления управляемости прямых вентилей, и датчика мгновенного значения тока встречных вентилей в моMeliT включения противофазных прямых вентилей, подключены к трансформаторам тока прямых и встречных вентилей, выходы датчика угла сдвига первых гармоник тока и напряжения нагрузки, датчика времени, предоставляемого на восстановлениё управляемости прямых вентилей, и датчика мгновенного значения тока встречных вентилей в момент включения противофазных прямых вентилей через узел сравнения подключены к блоку управления инвертором, а выход датчика времени, предоставляемого на восстановление управляемости прямых вентилей инвертора через источник опорного напряжения подключить к блоку управления обратным вентильным мостом. На чертеже изображена схема устройства, реализушщая способ управления. Устройство содержит.прямые вентили 1-8 мостов инвертора, встречные вентили 9-16, коммутирующие дроссели 17-18, коммутирующие конденсаторы 19-20, фильтровые конденсаторы 21-24, фильтровые дроссели 25-26, ограничивающие дроссели 27-30, вентили 31-34, шунтирующие нагрузку {или вентили обратного вентильного йоста), нагрузку 35,трансформаторы 36-38 тока,дат- . чик 39 мгновенного значения тока встречных вентилей в момент включения противофазных прямых вентилей, датчик 40 времени, предоставляемого для аосстановления управляемости пряШзх вентилей, источник 41 опорного напряжения, блок 42 управления обратным вентильным.мостом, блок 43 управления инвертором, датчик 44 угла сдвиг а первь х гармоник fOKa и напряжения. Схема работает следующим образом. В 1 такте опираются управляемые вентили 1, 2 левого моста и по контуру 19-2-37-24-35-36-2.1-9-17-19 протекает ток перезаряда конденсатора 19, при этом ток через нагрузку 35 протекает справа налево. Одновременно по контуру 20-15-22-35-36-23-36-16-1820 протекает ток частичного разряда конденсатора 20, при этом ток через нагрузку 35 протекает справа налево. Во II такте опираются управляемые вентили 5, б правого моста и по контуру 20-6-38-23-35-22-5-18-20 протекает ток перезаряда конденсатора 20, одновременно по контуру 19-17-9-2136-35724-37-10-19 протекает ток частичного разряда конденсатора 19, при этом токи обоих- конденсаторов протекают через нагрузку слева направо, то есть направление тока нагрузки меняется на противоположное и таким .образом формируется полный период выходного напряжения инвертора. Bill такте отпираются вентили 3, 4, в IV такте - 7, 8, при этом процессы повторяются , а на нагрузке фор мируется близкое к синусоидальному напряжение, поскольку обычно нагрузочный контур имеет высокую добротность. В цикле нагрева, например, эквивалентное сопротивление нагрузоч ного контура меняется в широких пределах (в 2-3 раза). Преобразователь остается в работе и тогда, когда в индукторе отсутствует заготовка, с целью снижения цикличности процесса разогрева и охлаждения структуры вентилей и повышения их ресурса рабо ты. В начале разогрева заготовок (.до точки Кюри) эквивалентное сопротивление нагрузочного контура мало/ а его резонансная частота понижена, по скол.ьку стальной заготовкой еще не утрачены ферромагнитные свойства. При этом датчик 44 удерживает частоту инвертора равной резонансной частоте нагрузочного контура, так как сигнал с выхода датчика 40 практичес ки равен нулю, поскольку время, пред ставляемое для восстановления управляемости, близко к заданному, и сигнал с выхода датчика 39 также равен нулю, так как в этом режиме изменяет ся явно выраженная пауза между момен том окончания тока встречных вентилей и моментом включения противофазного прямого вентиля. Напряжение на нагрузочном контуре при малом эквивалентном сопротивлении мало и ийеет уровень амплитуды более низкий, чем половина питающего напряжения, до которого заряжены фильтровы кокдён саторы 21-24, следовательно, к венти лям обратного моста приложено обратное напряжение. С ростом температуры изменяется резонансная частота нагру зочного контура и возрастает его эквивалентное сопротивление. Сигналом с выхода датчика 44 частота инве тора подстраивается к резонансной частоте нагрузочного контура в сторо ну повышения. При этом возрастает выходное напряжение, снижается время включенного состояния встречных вентилей, то есть снижается время,предоставляемое на восстановление управ ляемости прямых вентилей, возрастает время вк.гаоченного состояния прямых вентилей и появ.Г1яется сигна.л. с выхода датчика 40, который корректирует частоту инвертора в сторону сни жения. Инвертор работает в режиме небольшой недокомпенсации, что приво дит к затягиванию времени включенного состояния встречных вентилей. При регулировании частоты инвертора от резонансной частоты нагрузочного кон тура в сторону снижения, наибольший градиент возрастания времени, предоставляемого на посстанрвление .упраыляемости, наблюдается в области небольшой недокомпенсации, где напряжение на нагрузочном контуре изменяется незначительно, то есть эффект возрастания времени, предоставляемого для восстановления управляемости прямых вентилей, достигается при незначительном снижении выходной мощности, следовательно, при незначительном снижении эффективности использования установленного оборудования инвертора. Хотя и появляется сигнал.коррекции, частота инвертора продолжает расти под действием сигнала от датчика 44. В определенный момент появляется режим отсечки, когда ток встречных вентилей не оканчивается к моменту включения прямых вентилей. При этом появляется сигнал с выхода датчика 39, который поступает в узел сравнения и корректирует частоту инвертора в сторону повышения, то есть действует согласно с датчиком 44. При достижении опрепеленной температуры увеличивается эквивалентное сопротивление нагрузочного контура и напряжения на нем, амплитуда которого превышает уровень, равный половине питающего напряжения, и к вентилям31-34 обратного моста прикладывается прямое напряжение. Одновременно с ростом эквивалентного сопротивления нагрузочного контура и напряжения на этом контуре возрастает время включенного состояния прямых вентилей, что ведет к снижению времени, представляемого для восстановления управляемости прямых вентилей при неизменной частоте инвертора,.хотя оно удерживается максимально возможным в данном режиме йрзрас ающим сигналом управления с выхода датчика 4О, но действие этого сигнала компенсируется сигналом с выхода датчика 39. По мере достижения уровня сигнала на выходе датчика 40, райного уройню, опорного напряжения источника 41, разностный сигнал поступает на вхЪд блока, 42 управления обратным вентильным мостом, под действием которого вводится в действие обратный вентильный мост с определенныгл углом отйирания его вентилей; С началом сброса избыточной реактивной энергии, запасенной в нагрузочном контуре посредством- обратного вентильного моста, на нем ограничивается напряжение на уровне, соответствующем заданнолД уровню сигнала с выхода датчика 40. Когда резко нарастает и достигает своего максимума эквивалентное сопротивление нагрузки, определяемое «лишь активным сопротивлением обмотки индуктора и потерями в компенсирующем конденсаторе, снижается до нуля УГОЛ запаздывания отпирания вентилей обратного моста, при этом сигнал с выхода датчика 40 удерживается на заданном уровне, что соответствует стабилизации времени, предоставляемого для восстановления управляемости Прямых вентилей при минимальном токе отсечки. -™......,--,- - ----; ...., ..,,.Д.„-.„..-.:Оптимальная зона регулирования,в которой обеспечивается эффективное использование оборудования инвертора при условии поддержания заданного времени, представляемого для восста;нс Ш1енйя управляемости прямых вёнти.лей и заданного минимального тока встречных вентилей в момент включенйя противофазных прямых, в зависимости от характера и пределов измене ния параметров нагрузочного контура корректируется величиной компенсирую щей емкости/ вкл1рчаемой параллельно индуктору. 21 1кйм образом, данный спЪсоб уп раШЩния позволяет в 2 paisa повысить устойчивость работы последовательно автонс много инвертора при любом изме нении эквивалентного .сопротивления нагрузки (от О дооо) и создать наибо лее благоприятные условия работы вен тилей инвертора при увеличении эффек тивнрсти использования установленного оборудования на 15-20%. Формула изобретения 1 Способ управления последовательным автономным инвертором, содер жащим прямые и встречные вентили, шунтирующие нагрузку с фильтровыми конденса;торами и трансформаторами то ка, состоящий в том, что регулируют частоту инвертора, отличающ и и с я тем, что, с целью повышения устойчивости работы инвертора и пбвьвиения эффективности использова ния его оборудованияпри возрастании сопротивления нагрузки, частоту инве тора и угол отпирания встречных вентилей регулируют в функции трех параметров: угла сдвига первых гармони тока и напряжения нагрузки, времени, прёдоетавгляемого на вс1сстановление У:Й|р вляёмЬсти прямых вентилей и мгно венного значения тока встречных вентилей. в wioMeHT включения противофазных прямых вентилей, при этом поддер живз|от минимально возможный УГОЛ сдвига мёвду первыми гарМ чками тока и напряжения нагрузки, .зд(анное время, предоставляемое для восстановления управляемости прямых вентилей, И заданнсэе минимальное/ мгйЬВённое значение тока встречных вентйлей ёгЖойёГГг в лйчё и ия п рот и в бфа з н ых п ря мьрс вентилей. 2, Устройство для реализации спо1соба по п. 1, содержащее блок управления 1 нвертором, датчик угла сдвига первых гармоник тока и напряжения, о тл и чающ а е с я тем, что , оно снабжено трансформаторами тока прямых и встречных вентилей, датчиком времени. Предоставляемого для восстановления управляемости прямых вентилей, мгновенного значеййя тока встречных вентилей в момент ёкЛйЧёний П 5отивофазных прямых вентилей, источником опорного напряжения, узлом сравнени;я сигналов и блоком управления обратным вентильным мостом, причем входы датчика времени, j предоставляемого для восстановления управляемости прямых вентилейJ и датчика мгновенного значения тока встречных вентилей в момент включения противофазных прямых вентилей подключены к трансформаторам тока прямых и встречных вентилей, выходы.датчика угла сдвига первых гармоник тока и йапряжения нагрузки, датчика мгновенного значения тока встречных вентилей в момент включения противофазных прямых вентилей и датчика времени, предоставляемого для восстановления управляемости прямых вентилей, через узел сравнения подключены к блоку управления инвертором, а выход датчика времени, предоставляемого для восстановления управляемости прямых вентилей через источник опорного напряжения, подключен к блоку управления обратным вентильным мостом. Источники информации, принятые во вн11мание при экспертизе 1.КацнеЛьсон С.М. и др. Двухмостовой тиристорный инвертор с увеличенной частотой инвертирования и перевернутой образной внешней характеристикой. Труды-УАИ, вып. 48, сб. 3, 1973. 2.Кулик В.Д. ВеселОвский Д.Л. Анализ работы тиристорного инвертора с удвоением частоты при широтном регулировании напряжения. Труды УАИ, вып. 91, сб. 5, 1976. 3.Акодис М.М., Шипицын В.В.и др., Тиристорный преобразователь частоты ТИпа ТПЧ-80-8 для питания электротермической нагрузки. ЭП, серия Преобразовательная техника, 1976, вып.12, с. 15.-- - . 4.Акодис М.М. и др. Система управления, регулирования, пуска и защиты мощного тириъторного преобразователя повышенной частоты. Техника высоких на;пряжфний и преобразователи. Межвузовский сборник, вып. 1, УПИ, Свердловск, 1977. t 1 -Г /У ±3 /fi iJ / / 3te 25 Т 25