Устройство для управления тиристорным инвертором

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИРЕСПУБЛИК 5 514 н 02 М ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ бра исСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИИ(21) 4024382)24-07 (22) 19.02.86 (46) 23,08,88. Бюл. У 31 (71) Уфимский авиационный институт им, Серго Орджоникидзе (72) А.В.Иванов, А,М.Уржумсков, В.Д.Богомолов н А.В.Шалагинов (53) 621.316.727(088.8) (56) Беркович Е,И. и др. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок Л.: Энергия. 1983, с.131-135.Авторское свидетельство СССР В 830628, кл. Н 02 М 71515, 1979. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТИРИС ТОРНЬЙ ИНВЕРТОРОМ (57) Изобретение относится к прео зовательной технике и может бытьГ пользовано при управлении ннверторами. Цель иэобретения - расширение функциональных воэможностей. Устройство содержит буферные запоминающие устройства 1 - 3, подключенные к реверсивным счетчикам 4 - 6, которые через элемент И 9 связаны с инвертором 10, Блок 13 сравнения, блок 14 задания мощности инвертора, цифровой блок 15 задания параметров технологического процесса и вычислительный блок 16 функционально объединены микроЭВМ 12. За счет введения трех буферных запоминающих устройств 1 3, трех реверсивных счетчиков 4 - 6, задающего генератора 7, КЯ-триггера а 8 элемента И 9 обеспечивается цифр ая обработка информации. 7 ил.Изобпетение относится к преобразовательной технике и может найтиприменение в системах управления по-,лупроводниковыми преобразователями5частоты.Цель изобретения - расширениефункциональных возможностей устройства,На фиг.1 показана функциональнаясхема устройства; на фиг.2 - временнь 1 е диаграммы работы устройства; нафиг.3 - основной алгоритм работы микроЭВМ; на фиг.4 - алгоритм подпрограммы частотного способа управления; на фиг.5 - алгоритм подпрограммы широтно-импульсного способа управления; на фиг.6 - алгоритм подпрограммы выключения инвертора, нафиг.7 - частотная характеристика нагруэки.Устройство содержит буферные запоминающие устройства 1 - 3 (ЗУ 1ЗУЗ), реверсивные счетчики 4 - 6, задающий генератор 7, КВ-триггер 8, 25элемент И 9, инвертор. 10, датчикмошности инвертора, а также блоки,функционально объединенные микроЭВМ12, блок 13 сравнения, блок 14 задания мощности инвертора, цифровой 30блок 15 задания параметров технологического процесса, вычислительныйблок 16, который содержит информационные входы 17 и 18, шину 19 данных и шину 20 разрешения записи,Устройство работает следующим об-,разом,Датчик 11 мощности вырабатываетзначение мощности инвертора 1 О в цифровом коде (например, при помощи аналого-цифрового преобразователя). Блок13 сравнения сравнивает цифровые коды энаЧений мощности инвертора созначением заданной мощности но технологической программе работы инвертора, которая задается блоком 14 задания мощности, Последний мо:-ет представлять собой, например, устройствопамяти, где записана технологическаяпрограмма работы ннвертора - зависи 50мость мощности от времени С Б=(Т),или пульт управления оператора с устройством ввода-вывода информации (например, алфавитно-цифровым дисплеем).В этом случае зависимос гь Б=Ч(т) задается оператором вручную,Цн:Ьровой код сигнала рассогласования с вьссода блока 13 сравнения поступает на первый инФормационный вход 17 вычислительного блока 16. В блоке 15 хранятся значения исходных параметров технологического процесса, которые поступают на второй информационный вход 18 вычислительного блока 16 по сигналу обращения, поступающему из вычислительного блока по шине 20 разрешения записи на адресный вход блока 15 и представляющему собой адрес (цифровой код) соответствующей ячейке блока 15, где хранится требуемый параметр.Вычислительщлй блок 16 по величине сигнала рассогласовывания на первом информационном входе 17, а также в зависимости от исходных параметров рассчитывает по заложенному в нем алгоритму три числа; Р, И и К, которые заносятся по шине 19 данных в ЗУ 1-ЗУЗ. Значения Р, 11 и К определяют способ управления инвертором.В ЗУ 1 записывается число Р, определяющее частоту импульсов управления инвертором. В ЗУ 2 записывается число В, определяющее длительность пачки (количество импульсов управления инвертором в пачке) при широтно- импульсном и частотно-импульсном способах управления. В ЗУ 3 записывается число К, которое определяет периодследования пачек,Запись этих числе в ЗУ 1-ЗУЗ осуществляется следующим образом. После расчета вычислительный блок 16 выдает на шину 20 разрешения записи адрес ЗУ 1, а затем на шину данных -число Р, После записи Р по указанному на шине 20 разрешения записи адресу, т.е. в ЗУ 1, число и адресснимаются с шин, и на шину 20 разрешения записи выдаются адрес ЗУЗ ичисло 11, затем аналогичным образом вЗУЗ записывается число К,По шине 20 разрешения записи такжепроисходит обращение к датчику 11мощности для .считывания цифрового кода значения мощности инвертора,который поступает на первый цифровой вход блока 13 сравнения, а также обращение к блоку 15 для считывания значений исходных параметров техпроцесса,Частота работы инвертора определяется иэ числа Р следующим образом. По сигналу синхронизации выхода реверсивного счетчика 4 число Р загружается в счетчик 4, Па вычитающийвход счетчика 4 постоянно поступаютимпульсы задающего генератора 7, работающего на постоянной частоте, С приходом каждого из этих импульсов числа Р в счетчике 4 уменьшается на единицу, После прихода Р импульсов задающего генератора 7 на выходе счетчика 4 появляется выходной импульс последовательности С 1 4 (фиг,2), который через элемент И 9 поступает О на инвертор 10. Таким образом, число Р определяет период следования импульсов управления инвертором 10 (т.е. частоту его работы). Кроме того, после отсчета Р импульсов ис точника 7 импульс Я 4 поступает на вход С счетчика 4, тем самым загру-. жая в него новое число Р.Количество импульсов в пачке при ШИМ- и ЧЯЧ-управлении определяется 20 из числа М следующим образом, По сигналу синхронизации С счетчика 5 число Х загружается в счетчик 5 из ЭУ 2. На вычитающий вход счетчика 5 поступают импульсы управления инвертором 25 с выхода счетчика 4, После отсчета Н импульсов 0 4 на выходе счетчика 5 появляется импульс 11 5, который устанавливает КБ-триггер 8 по входу Б в состояние логической единицы. На 30 инверсном выходе триггера 8 появляется сигнал низкого уровня Я 8, который поступает на второй вход элемента И 9, тем самым блокируя прохождение импульсов управления С 1 4 на инвертор, Так формируются окончание пачки импульсов и начало паузы. В счетчик 6 загружается число Киз ЗУД. На вычитающий вход счетчика 6 40также поступают импульсы управленияинвертором Я 4. При ЩИМ и ЧИМ должноыть К 7, 3, После отсчета К импульсовуправления инвертором на выходе счетчика 6 появляется импульс 0 6, который поступает на вход К-триггера 8,возвращая сигнал О 8 в единичное состояние, После этого импульсы управления 1) 4 вновь проходят на инвертор10 через элемент И 9, Так начинаетсяновая пачка импульсов. Синхронизациясчетчиков 5 и 6 производится импульсами Я 6,Таким образом, частотнй метод управления реализуется при Х 3 К и Р =аг (переменной величине), т.е. при отсутствии пауз и переменной частоте импульсов управления инвертором,111 иротно-импульсный метод реализуется при Б с К, И = сопзг, Х=чаг,Р=сопзг, т.е, при постоянном периодеследования пачек и переменной длительности пачки импульсов с постояннойчастотой.Частотно-импульсный метод реализуется при ЯК, К=чаг, Н=сопвг, Р=сопзГ, т.е. при постоянной длительности пачки и переменном периоде ихследования,МикроЭВМ 12 содержит блок 13 сравнения, блок 14 задания мощности, цифровой блок 15 задания параметров ивычислительный блок 16.Алгоритм работы микроЭВМ составлен для управления резонансным инвертором, работающим на нагрузку, представляющую собой параллельный ЕС-контур, используемый при индукционномнагреве, регулирование мощности в котором может осуществляться частотным,широтно-импульсным и частотно-импульсным способами,Частотная характеристика такойнагрузки показана на фиг.7, где Б -мощность, потребляемая нагрузкой; Йчастота работы инвертора.Программа состоит из основной программы (фиг.З) и четырех подпрограмм:частотного регулирования (фиг.4), широтно-импульсного регулирования(фиг,З) выдает на устройство вводавывода информации микроЭВМ (например,дисплей) запрос на ввод исходных данных, где Р д - число, записываемое в ЭУ 1, соответствующее минимальной частоте работы инвертора (Г ,ця,Фиг,7), при которой можно производитьего пуск 1 Р чцс число р соответствующее максимально допустимой частоте работы инвертора, при которойэнергетические и временные соотношения в схеме последнего находятся вдопустимых пределах. Частота Г,дсоответствующая Яцд , может бытьльще так и меньшеРез, Прработе на резонансную нагрузку обычно выбирают Ймюксрез8 двл минимально допустимая мощнос гь инвертора,при которой целесообразно частотноерегулирование мощности. При Б с 8 А,(Фиг.7) выходная мощность иивертораначинает слабо зависеть от частоты1 ь 18 40 5и значения мощности я с яА, оказы -мояваютс:я при частотном способе недостижимььми, Поэтому здесь лучше переходить к ШИ 1-(или ЧИМ)-управлению, подавая ца иннертор пачки импульсов, начастоте, соответствующей Бдпили менььпе. Изменяя длительность пачек иличастоту следонания, можно получитьбьзльшую глубину регулирования мощности (пунктирная линия, фиг.7). ПриЯтакже возможно выключение ин мььнвертора.Б- максимально допустимаямощность инвертора, выбираемая изэнергетических соображений. Можетбыть как больше, так и меньше Яили как больше, так и меньше мощности соответствующей Гкс1 ь 1- минимально допустимое число импульсов в пачке при ШИМ-регулировании, Критерии выбора Ямдотсутствуют (кроме О с 1 ь 1 с 3 ),И м- максимально допус тимо ечисло импульсов н пачке при 111 ИМ-регулировании оПределяется исходя изинерционности нагрузки,Программа построена таким образом,что максимальный период повторенияпачек импУльсов 1 К макс 1 Равен ИаксЗОпоэтому это число выбирают таким,чтобы при максимальном периоде повторения пачек импульсов управленияинвертором, контролируемый технологический параметр например температура в нагрузке, не успевала заметноуменьшиться за время паузы между пачками.ЛР используется в подпрограммевыключения инвертора. Представляетсобой интервалы уменьшения частотыработы инвертора для постепенногоснижения мощности ниже Б аьь, при которой производится выключение инвертора. Введение д Е обуславливаетсятем, что существуют нагрузки, не допускающие резкого снижения мощности(например, при варке оптическогостекла н вольфрамовых тиглях), Остынание нагренаемого тела в такой нагрузке должно вестись постепенно,при постепенном уменььпении частоты.Закон изменения заданной мощностиво времени Я д= 1(1) - программатехнологического процесса, Задаетсяисходя из конкретного применения итребоваций нагрузки в виде таблицы,так и аналитически, например н видемногоч;ьс ца (тогда необходимо ввести 87 Э 6сгп коэффициенты), Формула мцогочлеца в этом случае используется непосредственно н теле программы,Показатель инерционности нагруэки -н зависимости от его значения осуществляется переход к 111 ИМ- или ЧИМуправлению при Я с Я 4. Если нагрузка инерционная, т.е. эа максимальнььйпериод следования пачек импульсовтемпература в нагрузке (или другойтехнологический параметр) значительно не меняется, возможно ЧИ 1-управлецие. Если нагрузка слабоинерционна,целесообразно ШИ 1-управление, при котором период следования пачек импульсов фиксирован.Например, исходные данные в память микроЭВМ введены. После вводаисходных данных н ЗУ 1 загружаетсячисло Р, соответствующеен ЗУ 2 и ЗУЗ загружаются числа 1 ь 111 м; К = Яма, . При этом реализуется частотный способ управления,так как период следонания пачек К ранен длительности пачки 1 ь 1.Затем происходит пуск иннерторана частоте Г и расчет заданноймощности по аналитической зависимости С зд = 4) или выбор соответствующего значения мощности иэ введенной таблицы, То и другое называютрасчетом Я. Я ад сравнивается сБд, и, если Яс Я происходитпереход на импульсное регулирование(И 1 ИМ или ЧИМ) с формированием соответствующего признака и, если требуется, выдачей сообщенияли З с,дд ь род иход к подпрограмме частотного управления (фиг,4), работа которой начинается с опроса датчика мощности иввода считанного значения мощностиЭ, н память микроЭВМ. Вычисляется1рассогласование сЬ=Я-Б з д и при 1 ь=Оформируется признак выхода на режим,т.е. выходная мощность ицнертора В.соответствует заданной Взад и осуществляется выход из подпрограммы, При4 О вычисляется новое значение ГьЭто вычисление лучше всего производи гь по закоцу пропорционально-интегрально-дифь 1 ьерецциального (ПИД) регулирования как наиболее универсальКььзь 1 ьЪициенты уравнения П 1 П-закона могут задаваться ври вводе исхолцых да ььььь ьх. Вь ьчцсле нное зцачеиие Е. проверке ген ь:ь Голтве ь Гтвьье, кс, 11 рььтора,Поскольку система цифрового управления мощностью рт микро-ЭВМ являет 45ся синхронной, все действия в ней выполняются последовательно.Эта последовательность может быть,а например, следующей.50МикроЭВМ 12 выдает адрес датчика11 мощности на лину 20 адресов и считывает данные с его выхода через шину 19 данных. Работа датчика мощности может быть при этом как синхрон 55 фной так и асинхронной - измерениямогут производиться как по командемикроЭВМ, так и непрерывно, отслеживая изменения мощности в инверторе.МикроЭВМ 12 производит сравнение счипревышении Р,Р формируется признак возможности достижения Б,при заданных параметрах и осуществляется выход из подпрограммы. Здесь осуществляется проверка Б, ( Б, в случае превышения рассчитанной мощности Бд над введенной Бтакже производится выход из подпрограммы. В случае нахождения Р, и Бв установленных пределах производится запись Р, в ЗУ 1. Затем производится проверка на достижение резонанса, Если вычисленное значение Р, больше преды 1. дущего Р;, , т,е. частота увеличивается, а Б, ( Б; , т,е. мощность падает, это значит, что превышена резонансная частота нагрузки, Работа резонансного инвертора в таком режиме нежелательна и, кроме того, Б дальнейшим увеличением частоты достичь не удается, поэтому при выполнении условий Р, ( Р , и Б ( Б формируется признак достижения резонанса при Б; ( Бз и осуществляется выход из подпрограммы, Если ББ. , это означает, что при возфрастании частоты возрастает мощность, т.е. частота работы инвертора меньше Гз, происходит переход на считывание с датчика нового значения Б,.Рассмотрим работу основной программы (фиг.З) в случае, когда Б д меньше, чем Б При этом целесообразен переход к импульсному регулированию. При невыполнении условия Б д ) Бформируется признак перехода на импульсное регулирование, Если нагрузка инерционная, осу.цествляется переход к подпрограмме ЧИМ- регулирования (фиг.5) .После входа в подпрограмму осуществляются считывание значения мощности Б. с датчика и запись его в память микроЭВМ, Затем вычисляется значение М,-числа импульсов в пачке. Если=О, формируется признак выход на режим и производится выход из под программы. При дФ О после расчета происходит сравнение И. с введенным значением Х , - минимально допустимым числом импульсов в пачке. При НИ происходит переход на наминчало подпрограмми (так как Беще не достигнуто), в противном случае формируется признак невозможности до .тижения Б з и осуцествляется выход из подпрограммы. Поскольку вход в подпрограмму осуществляется при снижении частоты инвертора до значения,соответствующего Б, и Р, в подпрограмме НП 1 М не меняется, то частотаимпульсов в пачке равна частоте, соответствующей Бд, при частотном управлении, В зависимости от Биз меняется длительность пачки Й,Подпрограмма ЧИМ-управления анало, гична подпрограмме ШИМ с тем отличием, что вместо И, в ней вычисляется1К т.е, в зависимости от Б изменяется период следования пачек К,Рассмотрим работу основной программы в зависимости от формированияразличных признаков.20При формировании признака достижения резонанса при Б.(Б, происходитпереход на подпрограмму выключения,поскольку дальнейшая работа инверторабесполезна. При этом признак формируется только при частотном способеуправления, поскольку при ЧИМ и ШИМуправлении работа ведется на частоте,заведомо меньшей Г з, То же самоепроисходит при формировании признаканевозможности достижения Б при заданных параметрах, это означает, чтоисходные данные выбраны неверно.При формировании признака выходана режим, т.е. при достижении мощностью в нагрузке заданного значения, 35происходит переход на вычисление нового значения Б д .В подпрограмме выключения (фиг,б)происходит постепенное снижение частоты работы ступенями до тех пор, пока мощность не станет равной Б,после чего происходит останов инвер 141 Я 87 Зтанного значения мощности с программно-заданным и, исходя иэ величинырассогласования и рассмотренного алгоритма, определяет числа Р, М и К.МикроЭВМ 12 выдает последовательно адре 5са ЗУ 1 - ЗУЭ на шину адресов и осуществляет запись чисел Р, М и К в соответствующие ЗУ,Счетчик 4 начинает отсчет Р импульсов задающего генератора 7, асчетчики 5 и б - отсчет Н и К импульсов соответственно счетчика 4,По окончании счета К импульсов последовательности Я 4 производитсяследующее считывание значения мощности инвертора. 10 с выхода датчика11 мощности, по которому микроЭВМ 121определяет новые значения чисел Р,Ни К, 20Для обеспечения достаточного быстродействия системы необходимо, чтобы операции по измерению мощности инвертора и определению чисел Р, Н иК производились за время, не превышающее период повторения импульсовЦ 4, что при частоте работы инвертора до 20 кГц легко осуществимо,Укаэанный алгоритм является однимиз примеров реализации различных способов управления инвертором, которыеможет осуществлять предлагаемое устройство. Например, при жестких требованиях к КПД инвертора и надежности его работы в устройстве возможенспособ регулирования выходной мощности инвертора, когда инвертор работаетв течение пачки на частоте Грз, авключение после паузы и вьпслючениепроизводятся на частоте Г. Такой 40метод применим лищь для инерционныхнагрузок, поскольку нарастание частоты от Г,цдо 1 гэв начале пачкии спад ее от Г рэ до Г,занимаютнекоторое время, а время работы на 45должно хотя бы на порядок превышать суммарное время включения ивыключения для того, чтобы проявилось преимущество высокого КПД наЕэ . ПоэтомУ такой метод РегУлиРования удобно реализовать ц виде подпрограммы основного алгоритма пофиг.2 вместо подпрограммы ЧИМ. формула изобретения 55Устройство для управления тиристорным инвер тором, содержащее эадающий генератор, элемент И, выход которого предназначен для подключенияк управляющему входу инвертора, датчик мощности инвертора, выход которого подключен к первому входу блокасравнения, к второму входу которогоподключен выход блока задания мощности инвертора, о т л и ч а ю щ е -е с я тем, что, с целью расширенияфункциональных воэможностей, оноснабжено тремя буферными запоминающими устройствами, тремя двоично-десятичными реверсивными счетчиками,КБ-триггерами, цифровым блоком задания параметров технологическогопроцесса и вычислительным блоком сшиной данных и шиной разрешения записи данных, который функционирует согласно программам, причем цифровойвыход датчика мощности инвертора подключен к первому цифровому входу блока сравнения, к второму цифровомувходу которого подключен цифровойвыход блока задания мощности инвертора, цифровой выход блока сравненияподключен к первому информационномувходу вычислительного блока, к второму информационному блоку которого подключен выход цифрового блока заданияпараметров технологического процесса,шина данных вычислительного блокаподключена к информационным входам спервого по третий буферных эапомина"ющих устройств, шина разрешения записи подключена к адресньк входам первого, второго и третьего буферных запоминающих устройств, датчика мощности и блока памяти, цифровые выходы спервого по третий буферных запоминающих устройств подключены соответственно к входам начальной установки спервого по третий реверсивньпс счетчиков, выход задающего генератора подключен к вычитающему входу первогосчетчика, младший выходной разряд которого подключен к первому входу элемента И, входу синхронизации первогосчетчика и вычитающим входам второгои третьего счетчиков, младший выходной разряд второго счетчика подключенк Я-входу триггера, младший выходнойразряд третьего счетчика подключен квхоцам гинхрониэации второго и третьего сче;ял ов и Е-входу триггера, инверсний вихоч которого подключен квторому ях рггу элемента И.1 1887 3 Фиг Рнии, /наем, Юйп, дна амон изнлнлним Лмд омазамае инорционно ЯУ/ Э Ю дугнооргл Фцаниро анис прионама порио на инпулегнос рафулирооаниаоома5 мае,/ l наюрузя йа норчионмая едрофраннавн Ррощгнна юил/порноеораж Фена 6 рора ннаЫмлюионил аланоЮг иноорпчр ЮйР исИЯ. неа Ьеееа КГни НеРна нгн но 4 ьрнираоеонигприонамаАглоРа маролеин ФанироФаниоприонаиа Жпеумил рГеонанпри 55 д у Лънеен, ЛгУй)й 7 фи маер форниро 8 ани аризнама нооон мосгаза йапиеегил яеаае%се.7 Составитель В,БунаковРедактор А,Козориз Техред М.Хода.нич Романенко орректо Тираж 665 ВНИИПИ Государственно по делам изобретен 13035, Москва, Ж, Ра