СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПАРАЛЛЕЛЬНЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ
METHOD FOR CONTROL OF PARALLEL VOLTAGE INVERTER

Изобретение относится к электротехнологии и может быть использовано в индукционных плавильных комплексах для плавки черных и цветных металлов и сплавов, при проектировании систем управления с вентильными преобразователями частоты для индукционных нагревателей и других электротехнологических нагрузок. Изобретение повышает надежность работы параллельного инвертора напряжения.
Известен способ управления инвертором, по которому формируют импульсные последовательности прямоугольных импульсов длительностью 0,5 Т, где Т - период выходного переменного сигнала инвертора, формируют и подают сигналы управления на соответствующие вентили и их включают, снимают сигналы управления и выключают вентили в моменты времени, задаваемые срезом прямоугольных импульсов импульсных последовательностей (П. 2159499 РФ, МКИ Н02 М5/44. Способ управления преобразователем частоты. / Е.М.Силкин // БИ - 2000. - № 32).
Недостатком способа управления является низкая надежность работы инвертора, выполненного в виде инвертора напряжения, на изменяющуюся электротехнологическую нагрузку высокой добротности, что обусловлено существенными перегрузками вентилей по току.
Известен способ управления инвертором, по которому формируют импульсные последовательности прямоугольных импульсов длительностью 0, 5 Г, где Т - период выходного переменного сигнала инвертора, формируют и подают сигналы управления на соответствующие вентили и их включают, снимают сигналы управления и выключают вентили в моменты времени, задаваемые срезом прямоугольных импульсов импульсных последовательностей (П. 2159500 РФ, МКИ Н02 М5/44. Способ управления преобразователем частоты. / Е.М.Силкин // БИ - 2000. - № 32).
Недостатком способа управления является низкая надежность работы инвертора, выполненного в виде инвертора напряжения, на изменяющуюся электротехнологическую нагрузку высокой добротности, что обусловлено перегрузками вентилей по току и относительной сложностью схемы компенсации реактивности нагрузки.
Известен способ управления инвертором напряжения, по которому формируют импульсные последовательности прямоугольных импульсов длительностью 0,5 Т, где Т - период выходного переменного сигнала инвертора, формируют и подают сигналы управления на соответствующие вентили и их включают, снимают сигналы управления и выключают вентили в моменты времени, задаваемые срезом прямоугольных импульсов импульсных последовательностей (П. 2159497 РФ, МКИ Н02 М5/44. Способ управления преобразователем частоты. / Е.М.Силкин // БИ - 2000. - № 32).
Данный способ управления является наиболее близким по технической сущности к изобретению и используется в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы инвертора напряжения на изменяющуюся электротехнологическую нагрузку высокой добротности, что обусловлено возможными токовыми перегрузками вентилей в рабочих режимах, высокими уровнями максимальных токов вентилей при выполнении инвертора напряжения на заданную мощность, высокими потерями энергии в вентилях из-за высоких амплитуд протекающих токов, возможными сбоями в системе управления инвертором напряжения из-за коммутационных перенапряжений и высоких амплитуд протекающих токов через вентили.
Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы параллельного инвертора напряжения, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что в способе управления параллельным инвертором напряжения, по которому измеряют мгновенные напряжения на вентилях, компенсирующем и фильтровых конденсаторах, формируют импульсные последовательности прямоугольных импульсов длительностью 0,5 Т, где Т - период выходного переменного сигнала инвертора, формируют разрешающий сигнал в момент равенства мгновенных напряжений на компенсирующем и фильтровых конденсаторах, при сформированном разрешающем сигнале формируют и подают сигналы управления на соответствующие вентили и их включают в момент равенства мгновенных напряжений на вентилях нулевому уровню, снимают разрешающий сигнал и сигналы управления и выключают вентили в моменты времени, задаваемые срезом прямоугольных импульсов импульсных последовательностей.
Повышение надежности работы инвертора напряжения является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе управления и порядком их осуществления, то есть отличительными признаками изобретения. При заявляемом способе управления инвертор напряжения приобретает свойства инвертора параллельного типа нового класса, отличительными особенностями которого являются питание от источника постоянного напряжения на входе, имеющего характеристику источника напряжения, и работа при параллельной компенсации реактивности нагрузки высокой добротности. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления параллельным инвертором напряжения являются существенными.
На фиг.1 приведена функциональная схема реализации способа управления параллельным инвертором напряжения полумостового типа, на фиг.2 - временные диаграммы сигналов в схеме параллельного инвертора напряжения, поясняющие принцип управления инвертором с источником постоянного напряжения питания на входе, имеющим характеристику источника напряжения.
Способ управления параллельным инвертором напряжения с источником постоянного напряжения питания на входе, имеющим характеристику источника напряжения, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с высокой добротностью, реализуется следующими действиями. Измеряют мгновенные напряжения на вентилях, компенсирующем и фильтровых конденсаторах. Формируют импульсные последовательности прямоугольных импульсов длительностью 0,5 Т, где Т - период выходного переменного сигнала инвертора. Формируют разрешающий сигнал в момент равенства мгновенных напряжений на компенсирующем и фильтровых конденсаторах. При сформированном разрешающем сигнале формируют и подают сигналы управления на соответствующие вентили и их включают в момент равенства мгновенных напряжений на вентилях нулевому уровню. Снимают разрешающий сигнал и сигналы управления и выключают вентили в моменты времени, задаваемые срезом прямоугольных импульсов импульсных последовательностей.
Параллельные инверторы напряжения могут выполняться по нулевой, четвертьмостовой, полумостовой и мостовой схемам. При этом действия, осуществляемые при реализации заявляемого способа управления параллельным инвертором напряжения, аналогичны и не зависят от варианта реализации схемы.
Параллельный инвертор напряжения полумостового типа (фиг.1) содержит дроссель фильтра 1, конденсатор фильтра 2, нагрузочный параллельный колебательный контур, включающий индуктор (нагрузку) 3 и компенсирующий конденсатор 4, вентиль 5 с встречно-параллельным диодом 6, вентиль 7 с встречно-параллельным диодом 8, второй конденсатор фильтра 9, второй дроссель фильтра 10, конденсаторы фильтра и вентили соединены в схему однофазного моста, подключенного к входным выводам инвертора через дроссели фильтра, третий конденсатор фильтра 11, подключенный параллельно полумосту первого и второго фильтровых конденсаторов, нагрузочный параллельный колебательный контур подключен к выводам переменного тока моста через коммутирующие дроссели 12, 13, параллельно вентилям включены коммутирующие конденсаторы 14, 15, последовательную цепь, включающую датчик напряжения 16 на конденсаторе фильтра, компаратор 17, логическую схему ИЛИ 18, RS-триггер 19, логическую схему И 20, второй RS-триггер 21 и выходной каскад 22, соединенный с управляющим электродом вентиля, вторую последовательную цепь, включающую второй датчик напряжения 23 на втором конденсаторе фильтра и компаратор 24, выход которого соединен с вторым входом логической схемы ИЛИ, третью последовательную цепь, включающую вторую логическую схему И 25, третий RS-триггер 26 и второй выходной каскад 27, соединенный с управляющим электродом второго вентиля, третий датчик напряжения 28 на компенсирующем конденсаторе, выход которого соединен с вторыми входами компараторов первой и второй последовательных цепей, четвертую и пятую последовательные цепи, включающие соответственно четвертый и пятый датчики напряжения 29 на вентиле и 30 на втором вентиле, нуль-орган 31 и второй нуль-орган 32, выходы которых соединены с вторыми входами логических схем И первой и третьей последовательных цепей, шестую последовательную цепь, включающую задающий генератор 33, триггер со счетным входом 34, формирователь импульсов 35, вторую логическую схему ИЛИ 36, выход которой соединен с вторыми входами (R) сброса RS-триггеров первой и третьей последовательных цепей, выход RS-триггера первой последовательной цепи соединен с первым входом второй логической схемы И третьей последовательной цепи, второй формирователь импульсов 37, вход которого соединен с третьим входом второй логической схемы И третьей последовательной цепи и вторым выходом триггера со счетным входом шестой последовательной цепи, а выход подключен ко второму входу второй логической схемы ИЛИ шестой последовательной цепи, третий вход логической схемы И первой последовательной цепи соединен с первым выходом триггера со счетным входом шестой последовательной цепи.
Параллельный инвертор напряжения в установившемся режиме работает следующим образом. Вентили 5,7 включаются поочередно по сигналам выходных каскадов 22, 27 с частотой, равной частоте выходного сигнала инвертора напряжения. Значения индуктивности дросселей фильтра 1, 10 и емкостей фильтровых конденсаторов 2, 9, 11 выбраны достаточной величины для качественной фильтрации тока и напряжения на входе однофазного полумоста. Таким образом, имеем реализацию автономного инвертора напряжения с источниками постоянного напряжения питания на входе, имеющими характеристики источников напряжения. Компенсирующий конденсатор 4 обеспечивает параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (нагрузки) 3. Полный цикл (период) выходного сигнала параллельного инвертора напряжения состоит из двух равных временных интервалов (полупериодов - Т/2 (0,5 Т), где Т - период выходного напряжения), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 5, 7 и встречно-параллельных диодов 6, 8. Электромагнитные процессы в различных полупериодах протекают аналогично. При этом токи и напряжения на выходных выводах, компенсирующем конденсаторе 4 и нагрузке 3 в соответствующих полупериодах одного периода имеют противоположные (по знаку) значения.
1
0
6
5
10
11
5
4
10
9
4-
1
9
7
В каждом полупериоде (фиг.2) можно выделить три различных по характеру электромагнитных процессов временных интервала (проводимости управляемых вентилей t-t, t-t, t-t, проводимости встречно-параллельных диодов t-t, t-t, а также паузы tt, t-t в работе управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов). Основной интервал соответствует интервалу проводимости управляемых вентилей 5 или 7. Два других интервала целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов, что позволяет обеспечить высокие энергетические показатели устройства.
На интервалах проводимости встречно-параллельных диодов 6 и 8 к выключенным (непроводящим) управляемым вентилям 5 и 7 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующих встречно-параллельных диодах (6 и 8). Таким образом, переход в проводящее состояние управляемых вентилей (5 и 7) осуществляется при близком к нулевому уровню напряжения на них и, следовательно, при малой величине коммутационных потерь на включение вентилей.
Сигналы управления на вентили 5 и 7 формируются выходными каскадами 22, 27 в моменты равенства мгновенных напряжений на вентилях нулевому уровню при условии, если сформирован разрешающий сигнал в моменты равенства мгновенных напряжений на компенсирующем конденсаторе 4 и на фильтровых конденсаторах 2 и 9 соответственно. В момент равенства мгновенного напряжения на вентиле 5 (измеряется датчиком напряжения 29) на выходе нуль-органа 31 формируется сигнал, который через логическую схему И 20 (при сформированном RS-триггером 19 разрешающем сигнале) устанавливает второй RS-триггер 21 в заданное состояние, которое обеспечивает формирование выходным каскадом 22 импульса управления на вентиль 5. RS-триггер 19 формирует разрешающий сигнал при установке (S) логической схемой ИЛИ 18 по сигналам любого из компараторов 17, 24 (для вентиля 5 компаратора 17). Компараторы 17, 24 срабатывают при равенстве сигналов датчиков напряжения 16 или 23 сигналу третьего датчика напряжения 28 (момент равенства мгновенных напряжений на фильтровых 2, 9 и компенсирующем 4 конденсаторах). Полярности напряжений (+) для формирования разрешающего сигнала подачи импульса управления на вентиль 5 соответствуют приведенным на фиг 1. Сигнал управления на вентиль 7 формируется выходным каскадом 27 аналогично. При этом функционируют последовательные цепи, включающие второй датчик напряжения 23, пятый датчик напряжения 30, второй нуль-орган 32, вторую логическую схему И 25, третий RS-триггер 26 и второй выходной каскад 27, соединенный с управляющим электродом второго вентиля 7. Импульсные последовательности прямоугольных импульсов длительностью 0,5 Т формируются на выходах триггера со счетным входом 34. Срез импульса каждой импульсной последовательности формирует короткий сигнал (формирователи импульсов 35, 37), который через вторую схему ИЛИ 36 сбрасывает RS-триггеры 19, 21, 26 по входам сброса (R). Импульсы с выходов триггера со счетным входом 34 поступают также на соответствующие входы логических схем И 20, 25 для формирования сигналов установки RS-триггеров 21, 26. Циклическое изменение состояния выходов триггера со счетным входом 34 обеспечивается за счет сигнала задающего генератора 33, работающего с выходной частотой f=2/Т. Подача сигнала управления на очередной вентиль (5, 7) осуществляется с задержкой относительно моментов равенства мгновенных напряжений на компенсирующем 4 и фильтровых 2, 9 конденсаторах, что обеспечивает снижение напряжения на коммутирующих конденсаторах 14, 15 (а также на вентилях 5, 7) до нулевого уровня. Включение вентилей 5, 7 (переход в режим проводимости) осуществляется при нулевом токе и нулевом напряжении на них, а выключение - при нулевом напряжении.
1
11
2
1
4
На фиг.2 моменты снятия разрешающего сигнала (19) и сигнала управления с вентилей 5 соответствуют моментам времени t, t. Вентили 5 выключаются по срезу импульсов импульсной последовательности с выхода триггера со счетным входом 34. С момента выключения вентиля 5 начинается интервал паузы. Напряжение на компенсирующем конденсаторе 4 в интервале паузы изменяется по колебательному закону, а ток нагрузки 3 вначале несколько возрастает (интервал t-t). Далее ток нагрузки 3 снижается по колебательному закону. Компенсирующий конденсатор 4 в интервале паузы перезаряжается до напряжения противоположной полярности. В момент (t) равенства мгновенного напряжения на компенсирующем конденсаторе 4 напряжению на фильтровом конденсаторе 9 включается встречно-параллельный диод 8, а выходным каскадом 27 формируется импульс управления на вентиль 7. Формирование импульса управления осуществляется переводом третьего RS-триггера 26 сигналом компаратора 24 в заданное состояние по входу установки (S). Напряжения измеряются датчиками 23, 28 и 30. Электромагнитные процессы при включении встречно-параллельного диода 8 протекают аналогично. Но при этом токи и напряжения на выходных выводах, компенсирующем конденсаторе 4 и нагрузке 3 имеют противоположные предыдущему полупериоду (по знаку) значения. Сброс третьего RS-триггера 26 в момент среза импульса импульсной последовательности осуществляется сигналом второй логической схемы ИЛИ 36.
Период в работе параллельного инвертора напряжения заканчивается в момент следующего перехода вентиля 5 в проводящее состояние.
Управляемые вентили 5 и 7 при реализации параллельного инвертора напряжения должны быть выполнены двухоперационными (симметричные или несимметричные запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи).
На диаграммах фиг.2 использованы следующие обозначения. Сигналы управления вентилей обозначены как 22 и 27, напряжение на нагрузке (компенсирующем конденсаторе) - 4, ток индуктора - 3, токи вентилей 5, 7 и встречно-параллельных диодов 6, 8, соответственно, 5, 7 и 6, 8, сигналы на выводах триггера со счетным входом - 34(1) и 34(2), сигналы на выходах формирователей импульсов 35, 37 - 35 и 37, разрешающий сигнал - 19, текущее время - 1.
Параллельный инвертор напряжения, таким образом, работает по принципу самовозбуждающегося инвертора. Нагрузка представляет собой колебательный контур параллельного типа. Инвертор питается от источников постоянного напряжения на входе и по характеру электромагнитных процессов относится к новому классу параллельных инверторов напряжения.
По сравнению с прототипом при управлении по заявляемому способу существенно повышается надежность работы параллельного инвертора напряжения на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку высокой добротности. Это достигается снижением амплитудных величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов за счет использования параллельной компенсации реактивности индукционного нагревателя (нагрузки), уровней перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, возникающих при их выключении, уровней коммутационных потерь и электромагнитных помех, возникающих при включении и выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора напряжения на корпус нагрузки за счет дросселя фильтра. Повышается устойчивость автономного параллельного инвертора напряжения при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель) за счет снижения вероятности сбоев в системе управления. За счет использования принципа самовозбуждения и паузы в работе исключается вероятность возникновения режимов перекрытия токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, а также сбоев в системе управления инвертора. Снижаются статические и динамические потери энергии в полупроводниковых структурах управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов.
Повышение надежности работы автономного параллельного инвертора напряжения оценивается по времени наработки на отказ. Согласно экспериментальным исследованиям и экспертным оценкам время наработки на отказ инвертора с управлением по заявляемому способу может быть увеличено на 40-45%.
По сравнению с прототипом, дополнительно, повышается коэффициент полезного действия параллельного инвертора напряжения за счет уменьшения коммутационных и статических потерь энергии в управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах (снижение уровней коммутационных перенапряжений, начальных скоростей нарастания и скоростей спада тока при включениях и выключениях управляемых вентилей).
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части инвертора напряжения за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой при выполнении инвертора (преобразователя частоты) на заданную мощность.