Способ управления последовательным инвертором и устройство для его осуществления

(22) Заявлено 0210 б 78 (21) 2624813/24-07 с присоединением заявки Йо(23) Приоритет Н 02 Р 13118 Эосудврствеииый комитет СССР ло делам изобретеиий и открытий(У 2) Авторы изобретения В.В. Шипицын, В.И. Лузгин, А.А. Новиков, А.А, Рухмани В.А. Самородов Уральский ордена Трудового Красного Знамени политехнический институт им. С,И. Кирова(84) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫМ ЙНВЕРТОРОЛ 1 И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯИзобретение относится к электротехнике и может быть использовано для индукционного нагреваметаллов.Известен способ геометрического. суммирования токов двухмостового ин вертора, основанный на регулировании угла сдвига токов разных мостов инвертора, протекающих по нагрузочному контуру 1 .Недостатком способа является то, 10 что при повышении эквивалентного сопротивленйя 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 регули рования выходного напряжения, основанный на изменении. угла включения прямых вентилей анодной группы по отношению к моменту включения прямых вентилей катсдной группы моста 2,. 30 2Недостатком этого способа управления является то, что при введении угла между моментами включения прямых вентилей анодной и катодной группы "отстающий" 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 фаэовой 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 3.Недостатком указанного способа управления является то, что при возрастанин эквивалентного сопротивлениянагрузочного контура, во-первых, не контролируется основной параметр рабаты преобразователя - время, предоставляемое для восстановления управ"ляемости прямых вентилей, а именноего величина полностью определяет коммутационную устойчивость инвертора,во-вторых, при снижении частоты инвертирования в случае возрастания эквивалентного сопротивления нагрузки по-,является отсечка по току, то есть затягивается ток встречных диодов и "прямые вентиливключаются при конеч"нам токе встречных диодов, что снижает устойчивость работы инвертора.Устройство для управления последовательным инвертором содержит блоки для управления инвертором и для управления обратным вентильным мостом.В этом устройстве можно поддерживать совпадение резонансных частотинвертора и нагрузочного контура прилюбом сопротивлении последнего, приэтом время, предоставляемое для восстановления управляемости вентйлей,не снижается и коммутационная устойчивость инвертора полностью сохраняется. Однако если в этой схеме осуществить управление инвертором припостояйно полностью открытых венти- лях, ыунтирующих нагрузку, независимо от величины нагруэочного сопротив- З 0ления-, снижается средняя предельнаямощность инвертора и, следовательно,снижается эффективность испольэованйя его оборудовайия;Целью настоящего изобретения явля- З 5ется повышение устойчивости работыинвертора и повыыения ЭФфективностийспольэования его оборудования"привозрастании сопротивления нагрузки.поставленная цель достигается тем, 40что в известном способе управленияпоследовательным автономный ийвертором частоту управления инвертором и " "уйФ"управления вейтйЛимй, шуйтйрую-.Жими нагрузку, регулируют в Функции.трех параметров: угла сдвига первыхгармоник- тока и напряжения нагрузки, : времени, предоставляемого на восстановление управляемости прямых вентилей-и мгновенного значения токавстречных вентилей в момент включения противофазных прямых вентилей,причем поддерживают минимально возможный угол сдвига между первыми гармониками тока й напряжения нагрузки,время, предоставляемое на восстанов -ление уйравляемости прямых вентилей,и заданное минимальное мгновенное значение" тока встречных вентилей вмомент включения противофаэных прямых вентилей. б 0Устройство для реализации способаснабжено трансформаторами тока прямыхи встречных вентилей, датчиком временй, датчиком мгновенного значенйятока встречных вентилей, источником опорного напряжения, узлам сравнения )сигналов и блоком управления обратным вентильным мостом, причем входы . датчика времени йредоставляемого для восстановления управляемостипрямых вентилей, и датчика мгновенного эна" чения тока встречных вентилей в момент включения противофазных прямых вентилей подключены к трансформаторамтока прямых и встречных вентилей, выходы датчика угла сдвига первых гармоник тока и напряжения нагрузки, датчика времени, предоставляемого на восстановление 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 мостомНа чертеже изображена схема устройства, реализующая способ управления.Устройство содержит. прямые вентйли 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, ыунтирующие нагрузку (или вентилиобратного 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 восстановления управляемости прямых вентилей, источник 41 опорного напряжения, блок 42 управления обратным вентильным моатом, блок 43 управления инвертором, датчик 44 угла сдвига первых гармоник тока и напряжения.Схема работает следующим образом.В 1 такте опираются управляемые вентили 1, 2 левого моста и па контуру 19-2-37-24-35-36-21-9-17-19 протекает ток перезаряда конденсатора 19, при этом ток через нагрузку 35 протекает справа налево. Одновременно по контуру 20-15-22-35-36-23-36-16-18- 20 протекает ток частичного разряда конденсатора 20, при этом ток через нагрузку 35 протекает также справа налево.Вотакте опираются управляемые вентили 5, 6 правого моста и по контуру 20-6-38-23-35-22-5-18-20 протекает ток перезаряда конденсатора 20, одновременно по контуру 19-17-9-21- 36"35-,24-37-10-19 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 ,обраэом формируется полный период выходного напряжения инвертора.Втакте отпираются вентили 3, 4, в Ч такте - 7, 8, при этом процессы повторяются, а на нагрузке формируется близкое к синусоидальному напряжение, поскольку обычно нагрузочный контур имеет высокую добротность. В цикле нагрева, например, эквивалентное сопротивление нагруэочного контура меняется в широких пре-делах (в 2-3 раза), Преобразователь остается в работе и тогда, когда в индукторе отсутствует заготовка, с целью снижения цикличности процесса разогрева и охлаждения структуры 15 вентилей и повышения их ресурса работы. В начале разогрева заготовок (до точки Кюри) эквивалентное сопротивление нагрузочного контура мало, а его резонансная частота понижена, по О скольку 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 практически равен нулю, поскольку время, представляемое 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 моментом окончания тока встречных вентилей и моментом включения противофазного прямого вентиля. Напряжение на нагрузочном контуре при малом экви" ,35 валентном сопротивлении мало и имеет уровень амплитуды более низкий, чем половина питающего напряжения, докоторого заряжены фильтровые конденсаторы 21-24, следовательно, к венти лям обратного моста приложено обрат"ное напряжение. С ростом температурыизменяется резонансная частота нагрузочного контура и возрастает его эквивалентное сопротивление. Сигналом с выхода датчика 44 частота инвер"5 тора подстраивается к резонансной частоте нагрузочного контура в сторону повышения. При этом возрастает выходное напряжение, снижается время включенного состояния встречных вен тилей; то есть снижается время,предоставляемое на восстановление управляемости прямых вентилей, возрастает время включенного состояния прямых вентилей и появляется сигнал с 5 выхода датчика 40, который корректирует частоту инвертора в сторону снижения. Инвертор работает в режименебольшой недокомпенсации, что приводит к затягиванию времени включенного состояния встречных вентилей. При регулировании частоты инвертора от резонансной частоты нагрузочного контура в сторону снижения, наибольший градиент возрастания времени, предо" атавляемого на восстановление управляемости, наблюдается в области кебольшой 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 вентилям 31-34 обратного моста прикладывается прямое напряжение. Одновременно с ростомэквивалентного 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 возрастающим сигналом управления с выхода датчика 40, но действие этого сйгнала компенсируется сигналом с выхода датчика 39, По мере достижения уровня сигнала на выходе датчика 40, равного уровню, опорного напряженияисточника 41, разностный сигнал поступает на вход блока, 42 управления обратным вентильным мостом, под действием которого вводится в действие обратный веытильный мост с определенным углом отпирания его вентилей, С началом сброса избыточной реактивнойэнергии, запасенной в нагрузочном контуре посредством обратного вентильного моста, на нем ограничивается напряжение на уровне, соответствующем заданному 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 соответствуетстабилизации времени, предоставляемого для восстановления управляемости прямйх вентилей при минимальном токе отсечки.Оптимальная зона регулирования,в которой обеспечивается эффективное использование оборудования инвертора при условии поддержания заданного времени, представляемого для восста;новленйя управляемости прямых вентилей и заданного минимального тока-. встречных вентилей в момент включе-ния противофаэных прямых, в зависимости от характера и пределов изменения параметров нагрузочного контура корректируется величиной компенсирующей емкости, включаемой параллельно 33 индуктору.Таким образом, даннйй спОсоб уп"равленйя"позволяет в 2 раза"повйситьустойчивость работы последовательно Яавтономного инвертора при любом изменении эквивалентного сопротивлениянагрузки (от 0 добро) и создать наиболее благоприятные условия работы вентилей инвертора при увеличении эффективности использования установленного оборудования на 15-20,Формула изобретения1-. Способ управления последовательным автономным инвертором, содержащим прямые и встречные вентили, шунтирующие нагрузку с фильтровымиконденсаторами и трансформаторами то- З 5ка, состоящий в том, что регулируютчастоту инвертора, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что, с целью повышения устойчивости работы инвертораи повышения эффективности испольэования его оборудования при возрастаниисопротивления нагрузки, частоту инвертора и угол отпирания встречных вентилей регулируют в функции трех параметров: угла сдвига первых гармоник 4тока и напряжения нагрузки, времени,йРедоставляемого на восстановлениеуйравляемости прямых вентилей и мгновенного значения тока встречных вен тилей в момент включения противофаз ных прямых вентилей, при этом поддерживают минимально возможный угол " сдвига между первыми гарм чками тока и напряжения нагрузки, аданноевремя, предоставляемое для восстановления управляемости прямых вентилей, и заданное минимальное мгновен- ное значение тока встречных вентилей в"ъГоменг-включения противофазных прямых вентилей. 2. Устройство для реализации способа по п. 1, содержащее блок управления инвертором, датчик угла сдвигапервых гармоник тока и напряжения,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что,оно снабжено трансформаторами токапрямых и встречных вентилей, датчиком времени, предоставляемого длявосстановления управляемости прямыхвентилей, датчиком мгновенного значения тока встречных вентилей в моментвключения противофаэных прямых вентилей, источником опорного напряжения,узлом сравнения сигналов и блокомуправления обратным вентильным мостом, причем входы датчика времени,предоставляемого для восстановленияуправляемости прямых вентилей, идатчика мгновенного значения токавстречных вентилей в момент включенияпротивофазных прямых вентилей подключены к трайсформаторам тока прямых ивстречных вентилей, выходы датчикаугла сдвига первых гармоник тока инапряжения нагрузки, датчика мгновенного значения тока встречных вентилей в момент включения противофаэныхпрямых вентилей и датчика времени,предоставляемого для восстановленияуправляемости прямых вентилей, черезузел сравненияподключены к блоку управления инвертором, а выход датчикавремени, предоставляемого для восстановления управляемости прямых вентилей через источник опорного напряжения, подключен к блоку управления обратным вентильным мостом.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Кацяельсон 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 А.Л. Анализ работы тиристорного инвертора судвоением частоты при широтном регулировании напряжения. Труды УАИ,вып. 91, сб. 5, 1976.3. Акодис М.М., Шипицын В.В,и др.Тиристорный преобразователь частотытипа ТПЧ-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 защитымощного тиристорного преобразователяповышенной частоты. Техника высокихнапряжений и преобразователи, Межвузовский сборник, вып. 1, УПИ, Свердловск, 1977.