Способ управления непосредственным преобразователем частоты

)э Н 02 М 5/27 ТЕНИ ИЕ ИЗОБ С)ПИ Г 541 СП ВЕНН (57) И ватель управ еателе щение частот мпфир ления непосредями частоты, выю управляемых я полупроводниь постоянноготоГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯПРИ ГКНТ СССР АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Институт электродинамики АН УССР иСпециальное конструкторское технологическое бюро Института электродинамики АНУССР(56) 1. Патент США М 3493838,кл. Н 02 М 5/14, 1970.2. Чехет Э,М., Мордач В,П., Соболев В.ННепосредственные преобразователи частоты для злектропривода, - Киев: Науковдчмка, 1988,3, Патент Франции М 2451129,кл. Н 02 М 5/04. 1980,ОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НЕПОСРЕДСТЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ обретение относится к преобраэоной технике, а именно к способам ения непосредственным преобразом частоты, Цель изобретения - сокрапотерь энергии в преобразователе ы за счет уменьшения величины деующей емкости параллельного ВСОИзобретение тельной технике и при построении раэователей часто пример, для ч электроприводов электроснабжени ,Известен способ упра ственными преобразовате полненными на полност ключах на основе включени кового прибора в диагоналотносится к преобраэоваможет быть использовано непосредственных преобты, предназначенных, наастотно управляемыхили автономных систем я демпфера при одновременном уменьшении зарядного тока этой емкости. Способ реализуется в непосредственном преобразователе частоты, выполненном на основе ключей переменного тока, в которых полностью управляемый полупроводниковый элемент включен в диагональ постоянного тока диодного моста и содержит параллельный ВСО-демпфер. Предлагаемый способ управления учитывает время рассасывания полностью управляемого элемента в момент коммутации силовых ключей преобразователя, В этот момент измеряют ток полностью управляемого полупроводникового элемента ключа, который выключается. а задержку на включение следующего по алгоритму работы ключа вводят с момента достижения током выключаемого ключа нулевого значения. Дополнительно измеряют также величину фазного тока нагрузки и линейное напряжение между входами выключаемого и включаемого ключей, а величину указанной задержки устанавливают пропорционально отноаению величины упомянутого напряжения к величине тока нагрузки в момент коммутации, 1 з.п, ф-лы, 7 ил ка однофазного диодного моста, заключающийся в том, что формируют задержку импульсов управления на включение следующего по алгоритму работы ключа в каждой выходной фазе преобразователя, начиная с момента выключения предыдущего ключа этой фазы независимо от величины тока в нем 1Однако в непосредственных преобразователях частоты при введении паузы на включение силового ключа не обеспечивается как, например. в инверторах непрерыв 1707716ность выходного тока при работе на В -нагрузку для этой цели в инверторы вводятобратные диоды). Это, в свою очередь, приводит к появлению перенапряжений в схеме ключа и, как следствие, снижаетнадежность работы всей схемы преобразователя частоты,Известен способ управления непосредственным преобразователем частоты, заключающийся в том, что параллельносиловым ключам включают ВСО-демпфирующие цепочки, которые одновременно свведением индуктивностей в коллекторныецепи ключей формируют траекторию переключения ключей, обеспечивая работу полупроводниковых элементов ключей вбезопасной области 2,Однако введение демпфирующих цепочек неизбежно приводит к потерям энергиив них и, как следствие, к уменьшению общего КПД устройства. что вызывает необходимость решения ряда вопросов, связанных сограничением нагрузки транзисторов засчет перезаряда - и С-элементов схемыключа и отводом накопленной в них энергии,Возможно построение демпфирующихцепочек с малыми потерями. однако ониотличаются сложностью схемы и большимколичеством элементов, кроме того, сложно обеспечить необходимые границы их работы по частоте и скважности,Одной из важных задач при построениитаких схем является уменьшение величиныдемпфирующей емкости до минимальновозможного значения, определяемого параметрами полупроводникового прибора.Это позволяет уменьшить потери мощности и одновременно уменьшить величинузарядного тока данной емкости через силовой ключ преобразователя частоты.Наиболее близким к предлагаемому является способ управления непосредственным преобразователем частоты, прикотором формируют задержку импульсовуправления нв включение следующего поалгоритму работы ключа в каждой выходнойфазе преобразователя. начиная с моментавыключения предыдущего ключа независимо от величины тока в нем. Данный способуправления реализован в непосредственном преобразователе частоты на ключах переменного тока, выполненных на основевключения полностью управляемого полупроводникового прибора в диагональ постоянного тока диодного моста исодержащих последовательные В.О- и параллельные ВСО-демпферы 3.Однако выбор величины демпфирующей емкости при известном способе не учи 55 101520 2530 35404550 тывает реальных особенностей полупроводниковых элементов ключа, которые характеризуются временем рассасывания, в свою очередь, от тока, протекающего через полупроводниковые элементы ключа в моментвыключения. Поэтому величина демпфиру. ющей емкости должна быть выбрана иэ условия заряда ее током нагрузки в течениемаксимального времени задержки включения следующего по алгоритму работы ключа, Это время определяется как сумма времени рассасывания и спада тока полупроводникового элемента ключа. Чем больше эта сумма, тем больше величинаемкости и, как следствие, больше потери энергии, связанные с перезарядом- и С- элементов силового ключа преобразова-теля.Цель изобретения - сокращение потерь энергии в преобразователе частоты путем уменьшения величины демпфирующей емкости параллельного ВСО-демпфера при одновременном уменьшении зарядного тока этой емкости,Поставленная цель достигается тем, что при сособе управления непосредственным преобразователем частоты, в,полненным по нулевой или мостовой схеме на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, содержащих последовательный ВСО- и параллельный ВСО-демпферы, а также устройство управления, обеспечивающее повторяющуюся последовательность импульсов управления полностью управляемыми ключами, причем полностью управляемый полупроводниковый элемент ключа включен к диагональ постоянного тока однофазного диодногомоста, при котором формируют задержкуимпульсов управления на включение следующего по алгоритму работы ключа в каждой выходной фазе преобразователя, начиная с момента выключения предыдущего ключа независимо от величины тока в нем, в момент выключения ключа измеряют ток полностью управляемого полупроводникового элемента ключа. а задержку на включениеследующего по алгоритму работы ключа вводят с момента достижения током выключаемого ключа нулевого значения. Кроме того, дополнительно измеряют величину тока нагрузки, напряжение между входами выключаемого и включаемого ключей, а величину указанной задержки устанавливают пропорционально отношению величины упомянутого напряжения к величине токанагрузки в момент коммутации.Ожидаемый от использования данноготехнического решения положительный эффект основан на уменьшении потерь в пре 1707716образователе частоты за счет уменьшения величины демпфирующей емкости параллельного ВСО-демпфера при одновременном увеличении зарядного тока этой емкости. При этом величина задержки на включение следующего по алгоритму работы ключа уменьшается до минимума.На фиг,1 дана общая схема непосредственного преобразователя частоты, включенного по нулевой схеме (а), и схема полностью управляемых ключей переменного тока на запираемом тиристоре (б) и транзисторе (в); на фиг. 2 - часть схемы двухфазно-однофаэного непосредственного преобразователя частоты при переключении тока нагрузки с фазы на фазу; на фиг.З - временные диаграммы сигналов управления и токов полностью управляемых ключей, а также напряжений и токов емкости демпфера ВСО; на фиг.4 - схема, реализующая данный способ управления; на фиг. 5 - диаграммы сигналов управления и токов преобразователя с учетом напряжения входной сети Оде; на фиг.6 - пример схемы, реализующей предложенный способ управления с использованием датчиков напряжения сети и тока нагрузки; на фиг,7 - диаграммы, поясняющие принцип работы схемы,Рассмотрим реализацию предложенного способа управления, используя схему непосредственного преобразователя частоты (фиг,1). Непосредственный преобразователь частоты содержит полностью управляемые ключи 1-9 переменного тока, датчики 10-12 напряжения сети, датчики 13-15 тока нагрузки 2 Ас, выводы А,. В, Сдля подключения питающей сети (фиг 1 а). Полностью управляемые ключи 1-9 выполнены по схеме включения полностью управляемого полупроводникового прибора (запираемого тиристора 16 или транзистора 17) в диагональ постоянного тока однофаэного диод- ного моста 18-21 (фиг. 16, в), причем полностью управляемый полупроводниковый прибор снабжен как последовательным 22-24 ВО-, так и параллельным 25 - 27 ВСО- демпферами, а также содержит датчик 28 анодного тока тиристора 16 или коллектор- ного тока транзистора 17 соответственно.Сущность предлагаемого способа состоит в том, что в момент выключения силового ключа 1-9 измеряют с помощью датчика 28 ток полностью управляемого полупроводникового элемента ключа. а задержку на включение следующего по алгоритму работы ключа данной выходной фазы преобразователя вводят с момента достижения этим током нулевого значения Кроме того.измеряют величину тока нагрузки 2 дс с 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 помощью датчиков 13-15 тока нагрузки и линейное напряжение между входами выключаемого и включаемого ключей с помощью датчиков 10 - 12 напряжения и величину указанной задержки устанавливают пропорционально отношению величины упомянутого напряжения к величине тока нагрузки в момент коммутации.Рассмотрим реализацию способа на примере переключения тока нагрузки в двухфазно-однофазном непосредственном преобразователе частоты (фиг,2). силовые ключи которого собраны на основе запираемых тиристоров,Пусть до момента времени 1 о ток нагрузки (к 1, фиг.З) проходит запираемый тири- стор 16 ключа 1(фиг.2). В момент то тиристор 16 выключается (Оупр,т). Так как выключение тиристора (или транзистора) происходит не мгновенно, то ток через него продолжает протекать в течение времени рассасывания до момента Ь(1 рес, = 13 1 о) и спадает до нуля в течение времени спада (1 С = т 4 - тз), Поэтому на интервале времени то. 1 з) в за",караемом тиристоре 16 ключа 1 ток не изменяется и спадает на интервале Ь, М, Начиная с момента времени м (фиг.З) с задержкой =15-14, т.е. в момент времени 15, импульс управления подается на тиристор 16 клс (Оупр. 2) и ток нагрузки переходит в ключ 2, На интервале времени тз, 15 ток нагрузки замыкается через демпфирующую емкость 27(фиг,2) ключа 1, заряжая ее током нагрузки до напряжения (предполагая, что ток в полупроводниковом элементе уменьшается линейно)1 К 1 тсОс = - ( - + 1 з)С 2(1)Поэтому минимально возможная величина демпфирующей емкости определяется из условия заряда ее максимально допустимым током нагрузки до максимального напряжения сети. Если ток нагрузки изменяется (соответственно 1 т и 1 на фиг.З), то и время рассасывания неосновных носителей в полупроводниковом элементе ключа также изменяется. В этом случает рас. 1 - 1 о,1 с 1 с ц - 1 тюФгде с рвс. - время рассасывания при токе Ь 1.1 с - время спада, которое практически не изменяется в зависимости от тока через полупроводниковый элемент ключа.В этом случае время 1 " 1 з - 1 г - тз на включение следующего ключа 2 отсчитывается с момента 12, а импульс управлечия на включение ключа 2 подается в момент ц (Оут 1 р,2, фиг.З), 1707716Если предположить, что во втором случае при токе 1 ц = 1/2 система управления не следит за током ключа 1, а время рассасывания также уменьшается пропорционально, то импульс управления на включение ключа 2 необходимо подавать в момент т 5 и, следовательно, время задержки в выражении (1) можно определить как 1=Ь - т 2, поэтому при той же емкости конденсатор заряжается до большего напряжения/Ос, что приводит к необходимости увеличения величины демпфирующей емкости и, следовательно, к увеличению потерь в демпфирующей цепи,На фиг,4 представлен пример схемы управления, позволяющей осуществить способ управления ключами 1 и 2 (фиг.2). Сигнал с датчика 28 тока полупроводникового элемента ключа 1 сравнивается с помощью компаратора 29 с нулевым уровнем и далее поступает на вход триггера 30, На второй вход этого триггера поступает сигнал с системы управления без задержки Оупр,1, Аналогичный процесс происходит в канале управления вторым ключом схемы.Сигналы управления Оупр,1 и Оупр.2, поступающие на вторые входы триггеров 30. устанавливают последние в нулевое состояние,.запрещая таким образом одновременное появление сигналов управления на обоих ключах, Как только на выходе компаратора 29 появляется отрицательный перепад (т.е. ток через полупроводниковый элемент падает до нуля), триггер 30 изменяет свое состоя ние на и роти воположное (высокий уровень), разрешая таким образом прохождение сигнала через логический элемент 31, Таким образом, на выходах логических элементов 31 схемы формируются сигналы управления Оупр.1 и Оупр 2 с переменной задержкой между ними. которая зависит от времени рассасывания носителей заряда полупроводниковых элементов ключей 1 и 2 при их выключении.Если эа . время задержки включения следующего по алгоритму работы ключа 2 конденсатор 27 (фиг.2 демпферной емкости ключа 1 зарядится до величины меньшей, чем напряжение Одв, то в момент включения ключа 2 он начинает заряжаться до величины напряжения Одв и,следовательно, через ключ 2 протекает зарядный ток по цепи диоды 18 и 19 силового ключа 1 - индуктивность 24 - демпферный диод 26- емкость 27 ключа 1 - диоды 20 или 21 - индуктивность 24 - тиристор 16 - диоды 18 и 19 силового ключа 2, величина которого в ключе 2 суммируется с током нагрузки. Поэтому, если величину5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 укаэанной задержки регулировать так, чтонапряжение демпферной емкости Ос " Одвв каждый момент коммутации, то ток дозаряда этой емкости практически равен нулю.Поясним это на примере диаграмм, приведенных на фиг.5, Пусть рассмотреннаявыше задержка вводится с момента времени Ь, К моменту времени включения ключа2 напряжение на демпфирующей емкостидостигает уровня напряжения Одв. В следующий момент коммутации при том же токенагрузки и большем напряжении сети Одвдля того, чтобы конденсатор 27 ключа 2(фиг.2) зарядился до этого напряжения, величина задержки на включение ключа 1 должна быть увеличена Ьт - с 2, что больше,чем Ь. В противном случае конденсатор 27ключа 2 дозаряжается до напряжения Одвот питающей сети, что вызывает увеличениетока через ключ 1 (ток 1 с 2, фиг,5),Таким образом, если величину задержки Ь регулировать в зависимости от напряжения питающей сети и тока, протекающегов нагрузке, то можно уменьшить ток зарядадемпфирующей емкости от питающей сетидо минимальной величины. Это подтверждается формулой (1), иэ которой следует (безучета заряда Ос во время спада 1 к)Ос = -ьФь =СС 1 ь(2)Иэ выражения (2) следует, что 1 з необходимо устанавливать пропорционально отношению величины напряжения сети квеличине тока нагрузки в момент коммутации. При этом напряжение на демпфирующем конденсаторе к моменту включенияследующего по алгоритму работы ключавсегда будет равно линейному напряжениюпитающей сети, что исключает протеканиезарядного тока от питающей сети.Практически данное предложение, определяемое выражением (2), может быть реализовано схемой, приведенной на фиг,4,путем введения в нее между точками а и бустройства 32 задержки, которое регулирует эту задержку в зависимости от тока нагрузки и напряжения сети в моменткоммутации. Возможный вариант реализации такого устройства приведен на фиг,б.Сигнал с выхода компаратора 29 запускает своим задним фронтом ждущий генератор ЗЗ пилообразного напряжения,сигнал с выхода которого сравнивается ссуммой сигналов датчика 11 напряжения идатчика 13 тока нагрузки (фиг,2), приведенных в соответствие масштабирующими усилителями 34 и 35, соответственнопосредством компаратора 36. Сигнал с выхода компаратора 36(фиг,б) поступает далеена вход триггера 30 (фиг,4), в также срывает генерацию ждущего генератора 33 пилообразного напряжения. Таким образом, задержка заднего фронта с выхода компаратора 36 в момент коммутации пропорциональна отношению величины напряжения к величине тока нагрузки, что позволяет исключить броски зарядного тока демпфирующеЯ емкости выключвемого ключа.Предлагаемый способ позволяет уменьшить потери энергии в демпфирующей емкости ключа ээ счет уменьшения ев величины до минимальной, а также устранить ток доэаряда емкости демпфера от пи- тающеЯ сети, что позволяет уменьшить установленную мощность силовых ключей, преобразователя частоты и повысить надежность устройства в целом,Формула изобретения 1. Способ управлен.непосредственным преобразователем частоты, выполненным по нулевой или мостовой схеме на полностью управляемых ключах с двусторонней проводимостью, содержащих последовательный Я.О- и параллельный 8 СО-демпферы, а также устройство управления, обеспечивающее повторяющуюся последовательност, ,.1 пульсов управления полностьк управляемыми ключами, причем полностью управляемый полупроводниковый элемент ключа включен в диагональ постоянного тока однофазного диодного моста, заключающийся в том, что формиру ют задержку импульсов управления нввключение следующего по алгоритму работы ключа в каждоЯ выходной фазе преобразователя, начиная с моментв выключения предыдущего ключа, о т л и ч в ю щ и й с я 10 тем, что, с целью сокращения потерь энергии в преобразователе частоты путем уменьшения величины демпфирующей емкости параллельного йСО-демпфера при одновременном уменьшении зарядного тока этой 15 емкости, в момент выключения ключа измеряют ток полностью управляемого полупроводникового элемента ключа, э задержку нэ включение следующего по алгоритму работы ключа вводят с момента достижения то ком выключаемого ключа нулевогозначения.2, Способ по п 1, отл и ч а ю щи йс ятем, что дополнительно измеряют величину фазного тока нагрузки и линейное напряже ние между входами выключаемого и включаемого ключей, а величину указанной задержки устанавливают пропорционально отношению величины упомянутого напряжения к величине тока нагрузки в момент 30 коммутации.1707716 Составитель С, Полищукедактор И, Шмакова Техред М,Моргентал Корректор М. Дем И Госу КНТ С Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина,каз 27 ВНИ Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям п113035,Москва,Ж, Раушская наб 4/5