СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ СОГЛАСОВАННЫМ ИНВЕРТОРОМ С КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ
METHOD TO CONTROL AUTONOMOUS MATCHED INVERTER WITH QUASI-RESONANT SWITCHING

Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано в системах питания и управления с вентильными преобразователями частоты для электротехнологий и других электротехнических системах повышенной частоты. Изобретение обеспечивает повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией.
Известен способ управления автономным инвертором напряжения с квазирезонансной коммутацией, заключающийся в том, что формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного тока в нагрузке, и их поочередно включают (пат. РФ 2061292, МКИ Н02М 5/44. Способ управления преобразователем частоты / Е.М.Силкин. - Заявл. 22.09.92, опубл. 27.05.96, БИ №15).
Недостатком способа управления является низкая надежность работы автономного инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией при питании электротехнологических нагрузок с высокой добротностью, что обусловлено протеканием через вентили нескомпенсированных реактивных прямых токов с большими амплитудами и, следовательно, значительными электрическими потерями в вентилях.
Известен способ управления автономным инвертором напряжения с квазирезонансной коммутацией, заключающийся в том, что формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного тока в нагрузке, и их поочередно включают, измеряют мгновенное значение переменного тока в нагрузке, определяют моменты перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль, очередные импульсы управления формируют и подают и очередные вентили включают не ранее моментов перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль (пат. РФ 2159497, МКИ Н02М 5/44. Способ управления преобразователем частоты / Е.М.Силкин. - Заявл. 13.04.99, опубл. 20.11.00, БИ №8).
Недостатком способа управления является низкая надежность работы автономного инвертора напряжения с квазирезонансной коммутацией при питании электротехнологических нагрузок с высокой добротностью, что обусловлено протеканием через вентили нескомпенсированных реактивных прямых токов с большими амплитудами и, следовательно, значительными электрическими потерями в вентилях.
Известен способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией, заключающийся в том, что формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного тока в нагрузке, и их поочередно включают (а.с. СССР 1897231, МКИ Н02М 7/48. Способ управления последовательным резонансным инвертором / Е.М.Силкин, С.В.Дзлиев. - Заявл. 23.10.89, опубл. 08.08.91, БИ №45).
Данный способ является наиболее близким по технической сущности к изобретению и рассматривается в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы согласованного автономного инвертора с резонансной коммутацией при питании электротехнологических нагрузок с высокой добротностью, что обусловлено высокими уровнями напряжений на вентилях и токов через них и значительными электрическими потерями в вентилях при коммутациях.
Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией при питании электротехнологических нагрузок с высокой добротностью, в том числе на повышенных и высоких частотах, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что в способе управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией, по которому формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны переменного тока в нагрузке, и их поочередно включают, задают уровень напряжения на вентилях, измеряют мгновенные значения напряжения на вентилях и мгновенное значение переменного тока в нагрузке, определяют моменты перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль, формируют импульсы синхронизации длительностью δ, соответствующей интервалу [π/180, π/90], в моменты перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль, очередные импульсы управления формируют и подают и очередные вентили включают не ранее моментов перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль, импульсы управления с вентилей снимают и вентили выключают с опережением на угол γ в интервале [π/45, π/6] относительно моментов перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль, при этом сравнивают мгновенные значения напряжения на вентилях, которые подлежат очередному включению, в интервале δ действия импульсов синхронизации с заданным уровнем напряжения на вентилях и подачу очередных импульсов управления запрещают при превышении мгновенными значениями напряжения на очередных вентилях в интервале δ действия импульсов синхронизации заданного уровня напряжения на вентилях.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение надежности работы нового автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией. В инверторе могут быть эффективно использованы мощные высоковольтные транзисторы с полевым управлением и гарантирована безаварийная работа на электротехнологическую нагрузку с высокой добротностью на повышенных частотах. Существенно расширяется и диапазон рабочих частот. Заявляемый способ управления автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией обеспечивает надежную коммутацию вентилей с низкими электрическими потерями при нулевой и малыми величинами тока и нулевым напряжением на вентилях в моменты коммутаций.
Повышение надежности работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе управления и порядком их осуществления, то есть отличительными признаками настоящей заявки. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией являются существенными.
На фиг.1 приведены модификации электрических схем автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией, на фиг.2 - функциональная схема варианта системы управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией, поясняющая заявленный принцип управления, на фиг.3 - временные диаграммы сигналов в силовой и управляющей схемах инвертора.
На схемах фиг.1 автономные инверторы напряжения содержат подключенный к входным выводам «+», «-» выводами постоянного тока однофазный мост, выполненный на управляемых вентилях 1-4 со встречно-параллельными диодами, нагрузку 5, подключенную к выводам переменного тока однофазного моста через компенсирующий конденсатор 6, и коммутирующие конденсаторы 7, шунтирующие цепь нагрузки (5, 6) или управляемые вентили. Возможны варианты схем четвертьмостового, полумостового однофазного или мостового трехфазного согласованного инвертора, а также комбинированные схемы с коммутирующими конденсаторами 7, шунтирующими управляемыми вентилями 1- 4 и цепями нагрузки 5, 6 одновременно.
Схема системы управления фиг.2 содержит последовательную цепь, включающую датчик тока (ДТ) 8 нагрузки (5), нуль-орган (НО) 9, счетчик (СЧ) 10, таймер (ТА) 11, RS-триггер (ТГ) 12, первую логическую схему «И» (ЛС) 13 и выходной каскад (ВК) 14, нагруженный на управляющие электроды соответствующих вентилей (1, 4) первой диагонали однофазного моста автономного согласованного инвертора, вторую последовательную цепь, включающую триггер со счетным входом (СТ) 15, подключенный к выходу НО, вторую ЛС «И» 16 и второй ВК 17, нагруженный на управляющие электроды вентилей (2, 3) второй диагонали однофазного моста автономного согласованного инвертора, элемент задержки (ЭЗ) 18, подключенный к выходу НО, выход ЭЗ соединен с вторым входом ТГ, задающий генератор (ЗГ) 19, выходы которого соединены с вторыми входами СЧ и ТА через делители частоты (ДЧ) 20, 21, третью последовательную цепь, содержащую датчик напряжения (ДН) 22 на вентилях первой диагонали однофазного моста автономного согласованного инвертора, первую ключевую схему (КС) 23, компаратор (КО) 24, третью ЛС «И» 25 и второй ТГ 26, соединенный с вторыми входами первой и второй ЛС «И», четвертую последовательную цепь, включающую ДН 27 на вентилях второй диагонали однофазного моста автономного согласованного инвертора, вторую КС 28, второй КО 29, подключенный к второму входу третьей ЛС «И», источник задания уровня напряжения (ИЗ) 30 на вентилях, выход которого соединен с вторыми входами КО, второй выход СТ соединен с третьим входом первой ЛС «И», выход ТГ соединен с третьим входом второй ЛС «И», третий вход ТА и вторые входы КС соединены с выходом НО, третий вход первой КС соединен с вторым выходом СТ, а третий вход второй КС соединен с первым выходом СТ.
Входы датчиков напряжения ДН 22, 27 соединены с соответствующими управляемыми вентилями (1, 4 и 2, 3), а выходы выходных каскадов ВК 14, 17, как уже отмечено, подключены к управляющим электродам вентилей (1, 4 и 2, 3 соответственно) однофазного моста. Датчик тока ДТ 8 измеряет ток в нагрузке или, что равносильно для заявляемого способа, в диагонали переменного тока однофазного моста автономного согласованного инвертора.
Способ управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией реализуется следующими действиями. Формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, и их поочередно включают. При этом задают уровень напряжения на вентилях, измеряют мгновенные значения напряжения на вентилях и мгновенное значение переменного тока в нагрузке. Определяют моменты перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль. Формируют импульсы синхронизации длительностью δ, соответствующей интервалу [π/180, π/90], в моменты перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль. Очередные импульсы управления формируют и подают и очередные вентили включают не ранее моментов перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль, импульсы управления с вентилей снимают и вентили выключают с опережением на угол γ в интервале [π/45, π/6] относительно моментов перехода мгновенного значения переменного тока в нагрузке через нуль. Причем сравнивают мгновенные значения напряжения на вентилях, которые подлежат очередному включению, в интервале δ действия импульсов синхронизации с заданным уровнем напряжения на вентилях и подачу очередных импульсов управления запрещают при превышении мгновенными значениями напряжения на очередных вентилях в интервале δ действия импульсов синхронизации заданного уровня напряжения на вентилях.
Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией при управлении по заявляемому способу в установившемся режиме работает следующим образом. Полный цикл работы (период Т) состоит из двух полупериодов (Т/2), электромагнитные процессы в которых протекают аналогично. Отличия заключаются только в том, что ток проводят разные группы управляемых вентилей (1-4) и их встречно-параллельных диодов. Управляемые вентили (1-4) и их встречно-параллельные диоды на каждом полупериоде Т/2 включаются и проводят ток попарно. При этом в режимах граничного управления (для малых углов опережения γ) встречно-параллельные диоды могут не включаться. Напряжение и ток через нагрузку 5 в разных полупериодах Т/2 имеют противоположные знаки. Каждый полупериод Т/2 включает интервал паузы или свободного колебательного перезаряда соответствующих формирующих конденсаторов (7), интервал проводимости встречно-параллельных диодов и интервал проводимости управляемых вентилей (1-4). В интервале паузы управляемые вентили 1-4 и их встречно-параллельные диоды тока не проводят.
Интервал паузы начинается с момента выключения соответствующей пары управляемых вентилей 1, 4 или 2, 3. Для первой схемы (фиг.1) интервал паузы начинается, например, с момента выключения пары управляемых вентилей 2, 3. В этот момент коммутирующий конденсатор 7 заряжен до напряжения источника питания инвертора (условно отрицательной полярности). То есть выключение управляемых вентилей 2, 3 осуществляется при фактически нулевом напряжении на них в момент выключения (квазирезонансная коммутация). За счет электромагнитной энергии, накопленной в электрическом поле коммутирующего конденсатора 7 и нагрузки 5, коммутирующий конденсатор 7 перезаряжается по колебательному закону до напряжения противоположной (условно положительной) полярности, также равного напряжению источника питания инвертора. В этот момент времени напряжение на нагрузке 5 положительное (+ на левом по схеме выводе нагрузки 5), а ток через нагрузку 5 протекает справа налево. Компенсирующий конденсатор 6 обеспечивает последовательную компенсацию реактивной мощности нагрузки 5. При перезаряде коммутирующего конденсатора 7 до напряжения источника питания инвертора включаются встречно-параллельные диоды. Угол опережения γ выбирается из условия обеспечения минимального интервала проводимости встречно-параллельных диодов при минимально возможном токе через них. После выключения встречно-параллельных диодов включаются управляемые вентили 1, 4.
Ток управляемых вентилей 1-4 в интервалах их проводимости имеет квазисинусоидальную форму за счет действия компенсирующего конденсатора 6. Период Т управления инвертором устанавливается из условия обеспечения индуктивной расстройки последовательного контура, образованного нагрузкой 5 и компенсирующим конденсатором 6.
1,4
2,3
1,4
2,3
5
9
2
3
1
2
4
5
0
6
1
7
3
8
4
2
3
5
6
Временные диаграммы сигналов (импульсов) управления u вентилями 1, 4 и u вентилями 2, 3, токов i вентилей 1, 4 и i вентилей 2, 3, тока i в нагрузке 5, импульсов синхронизации u (НО 9) и мгновенного напряжения на вентилях (2, 3) u и u приведены на фиг.3. Интервалы паузы в работе инвертора на фиг.3 обозначены как: [t, t] и [t, t]. Управляемые вентили 1, 4 включаются в моменты времени t, t, выключаются в моменты времени t, t, а управляемые вентили 2, 3 включаются в моменты времени t, t, выключаются в моменты времени t. В интервалах [t, t] и [t, t] ток проводят встречно-параллельные диоды (соответственно диоды управляемых вентилей 2, 3 и 1, 4). Длительность импульса синхронизации δ соответствует относительно короткому интервалу [π/180, π/90].
Встречно-параллельные диоды включаются при максимальном токе через них. Однако коммутационные потери в диодах малы, так как сам уровень тока мал, а напряжение на диодах при включении равно нулю. Диоды выключаются при нулевом токе и нулевом напряжении. Управляемые вентили 1-4 включаются при нулевых значениях тока и напряжения, а выключаются при сравнительно малом уровне тока и нулевом напряжении. Компенсация реактивной мощности нагрузки конденсатором 6 обеспечивает снижение максимальных уровней токов напряжений на элементах в рассматриваемых инверторах нового класса. Таким образом, электрические потери в схемах автономных согласованных инверторов с квазирезонансной коммутацией имеют сравнительно малую величину, что повышает надежность их работы.
1,4
2,3
На фиг.2 импульсы управления u и u вентилями 1, 4 вырабатывают ВК 14, 17 по сигналам ЛС «И» 13, 16. На выходах СТ 15 присутствуют сигналы вида «меандр», сдвинутые на угол π. Элемент схемы управления ТГ 12 при переключении формирует угол опережения γ следующим образом. ДТ 8 измеряет мгновенный ток нагрузки 5. НО 9 формирует короткий импульс синхронизации δ в момент равенства мгновенного переменного тока нагрузки 5 нулю. Импульс синхронизации от НО 9 обнуляет и запускает на счет импульсов СЧ 10. СЧ 10 считает импульсы ЗГ 19, поступающие на его счетный вход через ДЧ 20. Останов счета СЧ 10 происходит по следующему импульсу от НО 9. Таким образом, код на выходе СЧ 10 в момент окончания счета пропорционален половине периода Т/2 выходного сигнала инвертора. В момент прихода очередного импульса синхронизации от НО 9 осуществляется запись кода с выхода СЧ 10 в ТА 11 и последний запускается на отсчет интервала по сигналу от ЗГ 19, поступающему через ДЧ 21. Обнуление СЧ 10 происходит после считывания кода и его записи в ТА 11. Элемент схемы ДЧ 21 имеет больший коэффициент деления, чем элемент ДЧ 20. Следовательно, интервал отсчета ТА 11 будет короче, чем половина периода T/2 выходного сигнала инвертора. Коэффициенты деления ДЧ 20 и ДЧ 21 выбираются таким образом, чтобы интервал отсчета с выхода ТА 11 был короче половины периода Т/2 выходного сигнала инвертора на величину угла опережения γ. По окончании интервала отсчета ТА 11 последним переключается элемент схемы ТГ 12. Сигнал с выхода ТГ 12 складывается с сигналами СТ 15 в ЛС «И» 13, ЛС «И» 16, что и обеспечивает отключение управляемых вентилей 1-4 в заданные моменты времени с углом опережения γ.
30
30
30
Обнуление ТГ 12 происходит с небольшой задержкой относительно момента перехода мгновенного переменного тока нагрузки 5 через нуль за счет работы ЭЗ 18. Если напряжение на очередных управляемых вентилях 1, 4 или 2, 3 (которые подлежат включению), измеряемое ДН 22, ДН 27, в интервале δ действия короткого импульса синхронизации больше заданного уровня напряжения u (фиг.3) с выхода ИЗ 30, то по сигналам соответствующих элементов КО 24, КО 29 через ЛС «И» 25 происходит переключение ТГ 26. Элемент схемы ТГ 26 при переключении вырабатывает сигнал запрета на подачу импульсов управления вентилями 1-4. Это происходит при превышении мгновенным напряжением на очередных вентилях, в интервале действия импульсов синхронизации, заданного уровня напряжения u. Если ТГ 26 не переключается (напряжения на вентилях не превышают заданного уровня u, по сигналу ЭЗ 18 обнуляется ТГ 12 и схема управления продолжает работать в нормальном режиме (штриховые линии на фиг.3).
Выбор сигнала мгновенного напряжения на очередных вентилях 1, 4 или 2, 3 осуществляется элементами КС 23, КС 28. Срабатывание КС 23, КС 28 в требуемый момент времени происходит по сигналу с выхода НО 9.
30
Уровень напряжения на вентилях u соответствует мгновенному напряжению на вентилях 1 - 4 в интервале действия импульса синхронизации δ, не превышающему половины напряжения источника питания инвертора.
Длительность импульса синхронизации δ, равная [π/180, π/90], выбрана исходя из условия простой технической реализации (1÷2 град. эл.). Интервал угла опережения γ, равный [π/45, π/6], соответствует режимам работы инвертора с высокой надежностью при приемлемых энергетических характеристиках. Для диапазона [π/45, π/6] углов опережения γ величины токов управляемых вентилей 1-4 в моменты выключения не превышают половины от возможного максимального значения токов, а напряжения на управляемых вентилях 1-4 в моменты включения не превышают половины напряжения источника питания инвертора, что обеспечивает низкие уровни коммутационных потерь. При этом режим работы инвертора соответствует согласованному, то есть режиму, близкому к резонансу в нагрузочной цепи (5, 6), что энергетически выгодно. Положительный эффект заявляемого способа управления, в целом, достигается и при расширении диапазонов γ и δ относительно приведенных в описании и формуле заявки.
По сравнению с прототипом использование изобретения обеспечивает надежную работу автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией. В нем могут быть эффективно использованы современные мощные высоковольтные транзисторы с полевым управлением и гарантирована безаварийная работа на высоких частотах. Существенно расширяется диапазон возможных рабочих частот за счет снижения уровней электрических потерь. Компенсация реактивной мощности нагрузки снижает максимальные уровни напряжений и токов элементов в автономном инверторе. В схеме инвертора обеспечивается мягкая (квазирезонансная) коммутация вентилей и эффективная защита от возможных нарушений режима работы.