Способ управления тиристорным последовательно-параллельным резонансным мостовым инвертором

(51)4 Н 02 М ВБЫЕ 3,ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИ АВТОРСКОМУ СВИДЕ Т 11горный инстиема вня ГОСУДАРСТВЕННЬЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМПРИ ГКНТ СССР(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИСТОРНЫМПОСЛЕДОВАТЕЛЬНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ РЕЗОНАНСНЫМ МОСТОВЫМ ИНВЕРТОРОМ(57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано впреобразователях повышенной частотыдля питания различных электротехнологических установок, в частности установок индукционного нагрева. Цельизобретения - улучшение массогабаритных показателей, снижение установленной мощности силового оборудованияинвертора. Параллельный колебательныйконтур нагрузки настраивают в резонанс на выходной частоте инвертораи питают .импульсами тока. Длительность импульсов тока задают равнойинтервалу, при котором обеспечиваетсямаксимальное использование тиристоровпо току. Задают период включения тиристоров, равным нечетному числу периодов (но не менее трех) колебанийнапряжения на нагрузке, т.е. коммутация тиристоров осуществляется с частотой в несколько раз ниже выходнойчастоты инвертора. Импульсы управления на тиристоры подают со сдвигомотносительно момента прохождения напряжения на нагрузке через нуль на интервал, равный интервалу сдвига гармонической составляющей тока нагрузки, с частотой, равной выходной частоте инвертора относительно начала импульсов тока, обеспечивая максимальный коэффициент мощности инвертора. Пля этого в момент равенства количества переходов напряжения на нагрузке через нуль числу периодов колебания напряжения на нагрузке в заданном периоде включения тиристоров формируют импульс .и с заданной задержкой подают на тиристоры. Одновременно с процессом формирования импульсов управления непрерывно измеря- сФ ют мгновенные значения напряжений на тиристорах противоположных диагоналей инверторного моста. В момент достижения напряжением на тиристорах С предельно допустимого уровня уменьшают период включения тиристоров. При Е достижении напряжения на запирающихся тиристорах в момент включения тиристоров противоположной диагонали 4 еф инверторного моста уровня опорного напряжения увеличивают период включения тиристоров. Этим обеспечивают юь 1 поддержание допустимого уровня напря- ы жения на последовательном коммутирую- ф щем конденсаторе и времени, предоставляемого тиристорам . для восстановления их запирающих свойств, достаточной величины, Контроль режимов работы тиристоров по току и напряжению ,3 приводит к уменьшению номинальных Ь значений параметров силового ,оборудования инвертора, эа счет чего достигается поставленная цель, 1 э.п. ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к электротехнике, в частности к силовой преобразовательной технике, и может бытьиспользовано в преобразователях по 5вышенной частоты для питания различных электротехнических установок.Цель изобретения - улучшение массогабаритных показателей путем снижения установленной мощности силового 10оборудования инвертора.На фиг.1 приведена схема инвертора и блок-схема устройства, реализующего способ; на фиг.2 - диаграммыработы инвертора, на фиг.3 - зависимости относительных значений гармонических составляющих тока нагрузки отугла проводимости тиристоровф нафиг.4 - зависимости начальных фазгармонических составляющих тока нагрузки от угла проводимости тиристоров,Инвертор (фиг,1) содержит реактор1, включенный в цепь постоянного.тока, инверторный мост, собранный на 25тиристорах 2-5, коммутирующий конден"сатор 6, включенный в диагональ переменного тока инверторного моста последовательно с колебательным контуром7 нагрузки и параллельно включенного 30компенсирующего конденсатора 8, иблок 9 управления.В состав блока 9 , входят задатчики 10-12, узел 13 формирования и распределения импульсов управления, выходом соединенный с управляющими,электродами тиристоров 2-5, узел 14коммутации сигналов по времени с двумя аналоговыми входами, соединенными, с датчиками напряжения на тиристорах 402, 5 противоположных диагоналей инверторного моста, компараторы 15-17,узел 18 формирования интервала междуимпульсами тока нагрузки с двумя входами, счетчик 19 и узел 20 сдвигаимпульсов, причем задатчик 10 выходом подключен к первому входу компаратора 15, второй вход которого соединен с датчиком напряжения на тиристоре 2, задатчик 11 выходом подключенк первому входу компаратора 16, второй вход которого подключен к выходуузла 14, выход компаратора 16 подключен к первому входу узла 18, на вто-рой вход которого подключен выходкомпаратора 15, а выход узла 18 подключен на вход задания счетчика 19,счетный вход которого подключен квыходу компаратора 17 с нулевой мерой,. вход которого подключен к датчику напряжения на нагрузке. Выход счетчика 19 соединен с входом узла 20, выход которого подключен к входу узла 13. Узел 13 соединен с входом управления узла 14 и входом сброса счетчика 19.Работа инвертора осуществляется попарным включением тиристоров 2-5 по сигналам от блока 9. При включении очередной пары тиристоров, например 2 и 4 (момент С, фиг.2), через реактор 1, конденсатор 6 и параллельный колебательный контур 7 начинает протекать ток, имеющий форму синусои" дального импульса, длительность которого зависит от параметров элементов токопроводящей цепи, Этим импульсом тока осуществляют подпитку колебательного контура 7; Последовательность импульсов составляет ток нагрузки(фиг,2). За время протекания импульса тока дн (интервал С -й) конденсатор 6 перезаряжается. К тиристорам 2 .-и 4 прикладывается обратное напряжение и они выключаются. На интервале паузы тока 1 н (й СЗ) в контуре 7 осуществляется обмен запа" сенной энергией между реактивными элементами (индуктивностью нагрузки и компенсирующим конденсатором 8) и происходит колебательный процесс.По истечении половины периода включения тиристоров включают следую-. щую пару тиристоров 3 и 5 (момент ). Ток Ь меняет свое направление. В дальнейшем процессы повторяются,Резонансную частоту параллельного колебательного контура 7 задают равной или близкой к выходной частоте инвертора Гн, а период включения тиристоров Ть - равным нечетному числу периодов Т колебаний напряжения Пн на нагрузке, превышающему единицу. Это позволяет осуществить умножение выходной частоты в и раз по отношению к частоте включения тиристоров(и - нечетные числа, причем п ) 1, Гу = 1/Т). Ток нагрузки инвертора помимо основной гармонической составляющей с частотой, равной частоте Г, содержит высшие гармоники с частотами, превышающими частоту Г .в п раз. Напряжение на нагрузке также содержит гармонические составляющие, соответствующие гармоникам тока нагрузки, Так. как резонансная частота контура 7 равна или близка к частотез14677 одной из высших гармонических составляющих тока п, то амплитуда соответствующей гармоники напряжения сущест-, венно превышает амплитуды других гар-моник, т.е. уровень соответствующей.5 гармоники напряжения является преобладающим. Выходная частота Йн инвертора равна частоте указанной гармоники напряжения.10Уровень гармонических составляющих токасущественно зависит от угла проводимости тиристоров 3, пропорционального длительности Сн (фиг,2) синусоидальных импульсов тока 1 к На . фиг.З приведены зависимэсти отношения действующего значения тока и-й гармоники 1 кп к среднему значению тока источника питания 1 д (Кп = 1 нп/1) от угла проводимости 3, рассчитанного на частоте включения тиристоров ц = н/и (3 = 2 ЯСп), полученные разложением тока дк в ряд Фурье. Из графиков видно, что с уменьшением угла 3 уровень высших гармонических составляющих тока хн (кривые и = 3, 5, 7) возрастает и приближается к значению основной гармоники (кривая и = 1). Это создает благоприятные условия для работы инвертора с умножением частоты. Длительность импульсов Сн (фиг.2) тока п задают равной интервалу, при котором обеспечивается максимальное использование тиристоров по току, т.е. при заданной.частоте включения Г тиристоров и кратности умножения и частоты, допустимое значение и-й гармоники тока нагрузки 1 и,п.доп максимально. При этом пользуются зависимостью 1 н,п.доп (пфЧэ,фд =40= Кп(и, ц, Сп) х 1 т.ждоп ( С,) /2Здесь учтено, что 1 т ср = 1 д/2;Для обеспечения максимального коэффициента мощности нагрузки необходимо, чтобы гармоника тока нп нагрузки, равная.по частоте с выходным напряжением Ин, совпадала а ним по фазе. Поэтому интервал между моментом С подачи импульса управления Ь и моментом прохождения напряжения оп через нуль задают равным интервалу 50 сдвига указанной и-й гармонической составляющей тока н относительно момента С включения тиристора (интервал Сс, фиг.2). На фиг.4 показаны зависимости начальных фаз Чп гармоник тока н от угла Я проводимоститиристоров, полученные в результатеразложения тока н в ряд фурье. Позаданным Сп и и определяют й и соот 14 4ветствующее значение 4 и . Значение Сс находят иэ зависимости1 и = 2 ЯНСсЕсли полученное значение С, отри-, цательно, то импульсы х подают с опережением относительно момейта перехода напряжения цм через нуль, а, если Сс положительно - с запаздыванием. Сдвиг импульсовотносительно момента прохождения напряжения Б через нуль осуществляют в блоке 9, реализуя задержку С формирования импульса управления, равную СаТн /2 + С, если С ( 0 или С аесли СсОеВремя, представляемое тиристором для восстановления их запирающих свойств С и (фиг.2), зависит от режимов работы инвертора. Время С Эап максимально и превышает период колебаний напряжения Ун, если на интервале С-С паузы токанапряжение Бс на конденсаторе 6 превышает сумму напряжений источника питания и нагрузкиБскБн + Ес 1. (1)Режим максимальной мощности в нагрузке обеспечивают при минимальной добротности колебательного контура 7. При этом резонансную частоту контура 7 обеспечивают равной выходной частоте инвертора, а период Т включения тиристоров - равным трем периодам Тц колебаний напряжения Ц . Напряжение и токи в инверторе в этом режиме максимальны, По их значениям осуществляют выбор номинальных параметров силового оборудования инвертора, Кроме того, выбор номинального значения индуктивности реактора 1 осуществляют из условия установления длительности Сд импульсов тока при которой обеспечивается максимальное использование тиристоров по току. В этом режиме обеспечивают максимальное значение С д, соблюдая условие (1) для максимальных значений напряжения Бд , на конденсаторе 6 и напряжения Ин,ракс на нагрузке (цск,иокс. ) Гс 1 + 11 Н идкс,) причем Бек,вакс незначительно (на 1020 В) превышает указанную сумму.С увеличением добротности контура 7 ток дщ уменьшается. При этом уменьшается напряжение иск и условие (1) нарушается. Угол эапирания тиристо- рОВ уМЕНЬШаЕтСя (уМЕНЬШаЕтСя С ,п ), однако устойчивость инвертирования снижается незначительно, так как с5 14 уменьшением тока тиристоров их время выключения уыеньшается. Скачкообразное уменьшение Са происходит, когда напряжение Б на запирающихся тиристорах в момент й включения тиристоров противоположной диагонали инвер" торного моста, становится равным нулю (П = О, фиг,2). для исключения такого режима формируют сигнал, процорциональный опорному напряжению, сравнивают с сигналом, пропорциональным напряжению 0 на запирающих тиристорах в мамент включения тиристоров противоположной диагонали, и, если,первый сигнал становится больша второго, период Ть увеличивают на два периода Т. При этом время заряда конденсатора 6 увеличивается, растет напряжение Ук, напряжение Пт отрицательной полярности на запирающихся тиристорах возрастает и скачкообразного уменьшенияза не просходит ф Управление по указанному алгоритму осуществляет блок 9 (фиг.1). При увеличении периода Т 6 включения тиристоров (переходе на следующую ступень умножения частоты) напряжение Бне превышает предельного значения Пс.вас . При увеличении периода Т по известному способу напряжение Ь достигает большего значения, чем пол предлагаемому способу Управления, так как в момент, предшествующий увеличейию периода, условие (1) выполняется,С уменьшением добротности контура 7 токрастет и напряжения Бс и Б увеличиваются. В момент, когда напряжение Бт достигает своего предельного значения Ут.вакспериод Тз уменьшаю на два периода Т. Для этого формируют сигнал, пропорционапьный напряжению П , сравнивают его с сигналом, пропорциональным мгновенному значению напряжения П, и, если второй сигнал достигает уровня первого, уменьшают период Т вклочения тиристоров. При этом уменьшается время заряда конденсатора б, что приводит к снижению напряжений Ос и П. Таким образом, при изменении добротности контура 7 нагрузки напряжения на коммутирующем конденсаторе 6 Бск и тиристорах 2-5 Пт инвертора не превышают предельных значений Бс.макс.П 1. ма кс ф.Способ реализуется блоком 9 управления. Задатчиком 10 формируют аналоговый сигнал, пропорциональный пре 67714 6 дельно допустимому значению напряжения на тиристорах, а задатчиком 11пропорциональный опорному напряжению.Задатчиком 12 устанавливают расчетнуюдлительность задержки формированияимпульсов у 1 РавленияЗапуск инвертора производится от одиночного импульса, формируемого узлом 13 в момент 1 О подачи сигнала на включение инвертора, и осуществляют при минимальном, периоде Т, который устанавливаютравным трем периодам Тн. Формированиепериода Т 5 осуществляют с помощью узла 18, который задает интервал С в . ймежду импульсами тока , выраженныйколичеством переходов напряжения Пнчерез нуль таким образом, что числопереходов через нуль в этом интервалесоответствует числу периодов Т в заданном периоде Ть, Цифровой сигналс выхода узла 18 поступает на входзадания счетчика 19.Определение моментов перехода на Ряжения Б через нуль осуществляютпри помощи компаратора 17 с нулевоймерой, на вход которого подают анало- говый сигнал с датчика напряжения нанагрузке, Импульсы с выхода компараЗ 0 тора 17.поступают на счетный входсчетчика 19, который производит подсчет количества импульсов, что соответствует количеству переходов напряжения Б через нуль, и при достиже- ЗБнии их чнсла равного числу заданноУ 9му узлом 18, на выходе счетчик 19формирует импульс. Этот импульс черезузел 20 с задержкой, устанавливаемой,задатчиком 12, поступает на вход уз ла 1 3 у который формирует импульс Управления и распределяет на тиристорыинверторного моста, При формированииуправляющего импульса узел 13 подаетсигнал на обнуление счетчика 19,после чего процесс повторяется.ФОдновременно с процессом формирования импульсов управления непрерывноизмеряют мгновенные значения напряжения О на тиристорах 2, 5 противоположных диагоналей инверторного моста. Аналоговые сигналы, пропорциональные этим напряжениям, подают навходы узла 14 и один из них на входкомпаратора 15. В компараторе 15 55сравнивают сигнал с сигналом аналогового задатчика 10. В момент их Равенства на выходе компаратора 15 фор.мируется импульс, который поступаетна первый вход узла 18. По этому имформула изобретения25 1. Способ управления тиристорным последовательно-параллельным,резонансным мостовым инвертором с параллельным колебательным контуром нагрузки, имеющим резонансную частоту, равную или близкую к выходной частоте инвертора в режиме питания его импульсами тока заданной длительности, заключающийся в том, что задают период включения тиристоров равным нечетному числу периодов, не менее трех колебаний напряжения на нагрузке, формируют импульсы управления и момент подачи их на тиристоры производят с эадерж" кой относительно момента прохождения напряжения на нагрузке через нуль, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью улучшения массогабаритных показателей путем снижения установленной мощности силового оборудования мостового инвертора, длительность импульсов тока задают равной интервалу, при котором обеспечивается максимальное использование тиристоров по току, интервал между моментом подачи импульса управления на тиристоры и моментом прохождения напряжения на нагрузке через нуль задают равным интервалу сдвига гармонической составпульсу узел 18 уменьшает величинувыходного цифрового сигнала на два,т.е, уменьшает величину заданиясчетчика 19 на два, что соответствуетуменьшению периода Те на два периода. Т . В момент формирования импульса управления узел 13 подает сигнална вход управления узла 14. При этомна время действия сигнала на выходузла 14 передается один из сигналов,поступающих на его входы, имеющий от-.рицательную полярность, который затемпоступает на вход компаратора 16. Вкомпараторе 16 сравнивают этот сигнал с аналоговым сигналом эадатчика11. В момент их равенства на выходекомпаратора 16 формируется импульс,который поступает .на второй вход узла 18. По этому импульсу узел 18 уве личивает величину задания счетчика19 на два. ляющей тока нагрузки с частотой, равной входной частоте мостового инвертора относительно начала импульсатока, измеряют мгновенные значениянапряжений на тиристорах мостовогоинвертора, формируют сигнал, пропорциональный опорному напряжению, сравнивают его с сигналом, пропорциональным мгновенному значению напряженияна запирающихся тиристорах в моментвключения тиристоров противоположнойдиагонали инвертора, и, если сигнал,пропорциональный опорному напряжению,больше сигнала, пропорционального/мгновенному значению напряжения, период включения тиристоров увеличиваютна два периода колебаний напряженияна нагрузке, формируют сигнал, пропорциональный предельно допустимомузначению напряжения на тиристорах,сравнивают его с сигналом, пропорциональным мгновенному значению напряженич на тиристорах, и, если сигнал,пропорциональный мгновенному значениюна тиристорах, достигает уровня сигнала, пропорционального предельнодопустимому значению напряжения натиристорах, период включения тиристоров уменьшают на два периода колебаний напряжения на нагрузке,2. Способ по п.1, о т л и ч а ю - щ и й с я тем, что задают длительность задержки формирования импульсов управления, равной сумме длительности полупериода колебаний напряжения на нагрузке и интервала сдвига и-гармонической составляющей относительно момента включения тиристора в случае, если интервал сдвига и-гармонической составляющей меньше нуля, и равнойинтервалу сдвига и-гармонической составляющей в случае, если интервалсдвига и-гармонической составляющейбольше нуля, измеряют количествопереходов напряжения на нагрузке через нуль с момента очередного включения тиристоров, сравниваютего с числом периодов колебаний напряжения на нагрузке в заданном периоде включения тиристоров и в момент их равенства формируют импульс управления с заданной длительностью задержки.1467714 70 Ю 7 Ю РЮ Я,грод Фиг, Х 60 О Составитель И.Амельчен Техред Л.Сердюкова К Редактор Л.Зайцев тор И.Пожо открытиям пр д. 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул. Гагарина,Заказ,1209/53 Тираж 645 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и и ГКНТ СС113035, Москва, Ж, Раушская наб