RU2152683C1 - Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. Обеспечивает стабилизацию уровня выходного напряжения резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами (ДИ). Способ управления заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления (ИУ) на тиристоры (ТИ), формирующие прямую и обратную полуволны тока (ПТ) в нагрузке. При этом задают временной интервал (ВИ), измеряют напряжение на ТИ, формируют логический сигнал (ЛС), принимающий истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к ТИ, формирующим прямую и обратную ПТ в нагрузке. Разрешают отсчет ВИ при истинном значении ЛС. Очередной ИУ на ТИ подают по истечении заданного ВИ. Измеряют длительность интервала (ИН) проводящего состояния ТИ и ДИ. Изменяют ВИ в функции ИН, причем с увеличением ИН ВИ пропорционально увеличивают, а с уменьшением ИН ВИ пропорционально уменьшают. Техническим результатом является ужесточение внешней характеристики. 2 ил.

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, и изменении частоты подачи импульсов управления в функции регулируемого технологического параметра (Техническое описание ИЕЛВ.435423.011 ТО. Генератор среднечастотный СЧГ3-100/10.-Л.: ЛОЭЗ ВНИИТВЧ, 1985).

Недостатком способа управления является существенная зависимость уровня выходного напряжения инвертора от параметров нагрузки. Таким образом, внешняя характеристика инвертора является недостаточно жесткой.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, и изменении частоты подачи импульсов управления в функции сигнала, пропорционального фазовому сдвигу между напряжением и током нагрузки (Шапиро С. В, Зинин Ю.М., Иванов А.В. Системы управления с тиристорными преобразователями частоты для электротехнологии. - М.: Энергоатомиздат, 1989. - С.87).

Недостатком способа управления является существенная зависимость уровня выходного напряжения инвертора от параметров нагрузки. Таким образом, внешняя характеристика инвертора является недостаточно жесткой.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке (Vitins J., Schweizer A. Vereinfachter Einsatz von Leistungshalbleitern durch Vorwartsintegration//Brown Boveri Mitt. - 1984. - N 5. - S.219).

Недостатком способа управления является существенная зависимость уровня выходного напряжения инвертора от параметров нагрузки. Таким образом, внешняя характеристика инвертора является недостаточно жесткой.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами (патент 2117378, Россия, МКИ H 02 M 7/48. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами /Силкин Е.М. - Заявл. 17.01.97, Опубл. 10.08.98.- Бюл. N 22), который и рассматривается в качестве прототипа.

Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, измерении напряжения на тиристорах, формировании логического сигнала, принимающего истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, разрешении отсчета временного интервала при истинном значении логического сигнала, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала.

Недостатком прототипа является существенная зависимость уровня выходного напряжения инвертора от параметров нагрузки. Таким образом, внешняя характеристика инвертора является недостаточно жесткой.

Изобретение направлено на решение задачи стабилизации уровня выходного напряжения инвертора (ужесточения внешней характеристики) при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами, что является целью изобретения.

Стабилизация уровня выходного напряжения инвертора со встречно-параллельными диодами достигается тем, что в способе управления, заключающемся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, измерении напряжения на тиристорах, формировании логического сигнала, принимающего истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, разрешении отсчета временного интервала при истинном значении логического сигнала, подаче очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала, измеряют длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, заданный временной интервал изменяют в функции длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, причем с увеличением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально увеличивают, а с уменьшением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально уменьшают.

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является стабилизация уровня выходного напряжения при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами. За счет пропорционального изменения интервала паузы в работе инвертора при изменении длительности проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, связанной с изменением параметров нагрузки, уменьшаются пределы изменения относительного гармонического состава и стабилизируется уровень выходного напряжения инвертора.

Стабилизация уровня выходного напряжения инвертора со встречно-параллельными диодами является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе управления и порядком их осуществления, т.е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами являются существенными.

На фиг. 1 приведена схема устройства для реализации способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, на фиг. 2 - временные диаграммы, поясняющие принцип управления.

Способ управления резонансными инвертором со встречно-параллельными диодами реализуется следующими действиями. Задают временной интервал. Измеряют напряжение на тиристорах, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. Формируют логический сигнал, принимающий истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам. Разрешают отсчет временного интервала при истинном значении логического сигнала. Формируют и поочередно подают импульсы управления на тиристоры инвертора по истечении заданного временного интервала. Измеряют длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода. Изменяют заданный временной интервал в функции длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода. Причем с увеличением длительности указанного интервала заданный временной интервал пропорционально увеличивают, а с уменьшением - пропорционально уменьшают.

Схема устройства для реализации способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами включает резонансный инвертор, содержащий последовательную цепь из дросселя фильтра 1, первого 2 и второго 3 тиристоров, зашунтированных встречными диодами 4, 5 соответственно и второго дросселя фильтра 6, подключенную к входным выводам, конденсатор фильтра 7, шунтирующий цепь из тиристоров, последовательную цепь из коммутирующего дросселя 8, выходных выводов, к которым подключена нагрузка 9, и коммутирующего конденсатора 10 подключенную между точкой соединения тиристоров и точкой соединения второго тиристора с вторым дросселем фильтра, последовательную цепь из датчика напряжения 11 на первом тиристоре, подключенного к выводам первого тиристора, логической схемы И 12, генератора пилообразного напряжения 13, компаратора 14, формирователя 15 и распределителя импульсов 16, выходного каскада 17, подключенного к управляющему электроду первого тиристора, второй датчик напряжения 18, подключенный к выводам второго тиристора, выход которого соединен с вторым входом логической схемы И, второй выходной каскад 19, вход которого подключен к второму выходу распределителя импульсов, а выход - к управляющему электроду второго тиристора, источник задающих напряжений 20, последовательную цепь из порогового элемента 21, вход которого подключен к выходу датчика напряжения, логической схемы ИЛИ 22, второго генератора пилообразного напряжения 23, устройства выборки-хранения 24 и суммирующего устройства 25, второй вход которого подключен к первому выходу источника задающих напряжений, а выход соединен с вторым входом компаратора, второй пороговый элемент 26, вход которого соединен с выходом второго датчика напряжения, а выход - с вторым входом логической схемы ИЛИ, вторые входы пороговых элементов соединены с вторым и третьим выходами источника задающих напряжений, второй вход устройства выборки-хранения соединен с выходом логической схемы ИЛИ.

Устройство работает следующим образом. В исходном состоянии напряжение на конденсаторе фильтра 7 равно напряжению источника питания инвертора. Тиристоры 2, 3 выключены и напряжение на них положительно и равно половине напряжения источника питания. На выходе логической схемы И 12 присутствует разрешающий логический сигнал высокого уровня. Логический сигнал с выхода схемы И 12 запускает генератор пилообразоного напряжения 13. В момент сравнения с выхода генератора пилообразного напряжения 13 и сигнала с выхода суммирующего устройства 25 срабатывает компаратор 14, по фронту переключения которого формируется короткий импульс формирователем импульсов 15. Длительность сформированного импульса является достаточной для включения тиристоров 2, 3. Сигнал с выхода формирователя импульсов 15 поступает на вход распределителя импульсов 16. Сигнал с первого выхода распределителя импульсов 16 через выходной каскад 17 подается на управляющий электрод тиристора 2. Выходной каскад 17 обеспечивает усиление управляющего импульса до требуемого уровня и гальваническую развязку силовой и информационной частей устройства. При включении тиристора 2 происходит колебательный заряд коммутирующего конденсатора 10 через коммутирующий дроссель 8 и нагрузку 9 по цепи: 7-2-8-9-10-7. При работе тиристора 2 через нагрузку 9 протекает полуволна прямого тока. За счет колебательности процесса заряда конденсатор 10 заряжается до напряжения, превышающего напряжение на конденсаторе фильтра 7. После спада тока тиристора 2 до нуля включается встречный диод 4 и происходит частичный колебательный разряд коммутирующего конденсатора 10 на конденсатор фильтра 7 по цепи: 10-9-8-4-7-10. Разряд коммутирующего конденсатора 10 обеспечивает рекуперацию излишней реактивной энергии, накопленной в электромагнитном поле элементов контура коммутации, и стабилизации режима работы инвертора в условиях изменяющейся нагрузки. При работе тиристора 2 и встречного диода 4 логическая схема И 12 находится в состоянии, обеспечивающем нахождение генератора пилообразного напряжения 13 в выключенном состоянии (напряжение на выходе отсутствует) и возврат компаратора 14 в исходное состояние. После выключения диода 4 к тиристорам 2, 3 одновременно прикладывается прямое напряжение, равное половине напряжения на конденсаторе фильтра 7. Логическая схема И 12 при этом формирует разрешающий логический сигнал высокого уровня, запускающий генератор пилообразного напряжения 13. Далее при сравнении сигналов с выхода генератора пилообразного напряжения 13 и суммирующей схемы 25 и срабатывании компаратора 14 формируется и подается через второй выходной каскад 19 импульс управления на тиристор 3. Происходит колебательный разряд конденсатора 10 через коммутирующий дроссель 8 и нагрузку 9 по цепи: 10-9-8-3-10. Через нагрузку 9 при работе тиристора 3 протекает полуволна обратного тока. Коммутирующий конденсатор 10 перезаряжается до напряжения обратной полярности. После выключения тиристора 3 включается встречный диод 5 и происходит колебательный заряд конденсатора 10 по цепи: 10-5-8-9-10. При работе тиристора 3 и диода 5 логическая схема И 12 также находится в состоянии, обеспечивающем нахождение генератора пилообразного напряжения 13 в выключенном состоянии и возврат компаратора 14 в исходное состояние. После выключения встречного диода 5 электромагнитные процессы в работе инвертора повторяются. Заданный временной интервал паузы в работе инвертора определяется уровнем сигнала на выходе суммирующего устройства 25. Указанный сигнал представляет собой сумму напряжений с выхода источника задающих напряжений 20 и выхода устройства выборки-хранения 24. Сигнал с выхода устройства выборки-хранения 24 пропорционален длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода и формируется следующим образом. В интервале проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода напряжение на втором тиристоре максимально и равно напряжению на конденсаторе фильтра 7. При работе тиристора 2 и диода 4 на выходе второго порогового элемента 26, а при работе тиристора 3 и диода 5 - на выходе первого порогового элемента 21, присутствуют логические сигналы высокого уровня. Фронт указанных сигналов через логическую схему ИЛИ 22 запускает второй генератор пилообразного напряжения 23, а срез обеспечивает выборку сигнала, пропорционального интервалу проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, схемой выборки-хранения 24 с выхода второго генератора пилообразного напряжения 23.

Временные диаграммы иллюстрируют работу устройства и принцип управления инвертором. На диаграмма приняты следующие обозначения: U₂ - мгновенное значение напряжения на тиристоре 2, U₃ - мгновенное значение напряжения на тиристоре 3, i₂ - ток тиристора 2, i₃ - ток тиристора 3, i₄ - ток диода 4, i₅ - ток диода 5, U₂₆ - сигнал на выходе второго порогового элемента 26, U₂₁ - сигнал на выходе порогового элемента 21, U₂₂ - сигнал на выходе логической схемы ИЛИ 22, U₂₃ - сигнал на выходе второго генератора пилообразного напряжения 23, U₂₄ - сигнал на выходе устройства выборки-хранения 24, U₂₅ - сигнал на выходе суммирующего устройства 25, U₁₃ - сигнал на выходе генератора пилообразного напряжения 13, i₁₇ - импульс управления тиристора 2, i₁₉ - импульс управления тиристора 3, t - текущее время.

На диаграммах интервалы t₁ - t₀, t₃ - t₂, t₅ - t₄ соответствуют заданному временному интервалу паузы в работе инвертора. С уменьшением длительности интервала проводящего состояния тиристоров и встречно-параллельных диодов заданный временной интервал уменьшается (t₁-t₀ > t₅-t₄).

Датчики напряжения 11, 18 реализованы на основе диодных оптоэлектронных ключей, пороговые элементы 21, 25 и суммирующие устройства 25 - на операционных усилителях. Выходные каскады 17, 19 выполнены с использованием импульсных трансформаторов. Остальные элементы устройства могут быть реализованы по любой из известных схем.

По сравнению с прототипом использование заявляемого способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами позволяет обеспечить более стабильное напряжение на выходе инвертора при питании электротехнологических нагрузок с изменяющимися параметрами. Внешняя характеристика инвертора становится более жесткой за счет уменьшения пределов изменения гармонического состава выходного напряжения при сохранении относительного значения интервала паузы в работе инвертора в условиях изменения параметров нагрузки в широких пределах. При работе инвертора, например, в составе системы управления плавильной установки при управлении по способу, выбранному за прототип, уровень установки при управлении по способу, выбранному за прототип, уровень выходного напряжения может изменяться более, чем в 2 раза. При управлении по заявляемому способу относительное изменение выходного напряжения инвертора в ходе технологического процесса не превышает 20-30%. Дополнительно улучшаются техникоэкономические показатели и повышается КПД установки за счет поддержания выходной мощности инвертора в процессе плавки на максимально возможном уровне, а также сокращения времени проведения технологического процесса.

Claims (1)

1. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на тиристоры, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, измерении напряжения на тиристорах, формировании логического сигнала, принимающего истинное значение при одновременном приложении прямого напряжения к тиристорам, формирующим прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, разрешении отсчета временного интервала при истинном значении логического сигнала, подачи очередного импульса управления на тиристоры по истечении заданного временного интервала, отличающийся тем, что измеряют длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, заданный временной интервал изменяют в функции длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, причем с увеличением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально увеличивают, а с уменьшением длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода заданный временной интервал пропорционально уменьшают.

Images