АВТОНОМНЫЙ СОГЛАСОВАННЫЙ ИНВЕРТОР С КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ АВТОНОМНЫМ СОГЛАСОВАННЫМ ИНВЕРТОРОМ С КВАЗИРЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ
AUTONOMOUS MATCHED INVERTER WITH QUASI-RESONANT COMMUTATION AND METHOD FOR CONTROL OF AUTONOMOUS MATCHED INVERTER WITH QUASI-RESONANT COMMUTATION

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано при проектировании источников питания для индукционных нагревателей и других высокочастотных электротехнологических нагрузок. Изобретение направлено на расширение области применения автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией и способа управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий соединенную с входными выводами инвертора через дроссели фильтра последовательную цепь, выполненную на двух управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированную конденсатором фильтра, выходные выводы инвертора подключены к общим точкам соединения управляемых вентилей и катода управляемого вентиля с дросселем фильтра через разделительный конденсатор (Патент 2117378 РФ, МКИ Н02М 7/48 Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл. 17.01.97., Опубл. 10.08.98., БИ № 22).
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 (Патент 2117378 РФ, МКИ Н02М 7/48. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл. 17.01 97., Опубл. 10.08.98., БИ № 22).
Недостатком автономного согласованного инвертора тока с резонансной коммутацией и способа управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией является узкая область применения. Это обусловлено невозможностью создания эффективных устройств электропитания большой мощности с высокими уровнями выходного напряжения, работающих на электротехнологические нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий соединенную с входными выводами инвертора через дроссели фильтра последовательную цепь, выполненную на двух управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированную конденсатором фильтра, выходные выводы инвертора подключены к общим точкам соединения управляемых вентилей и катода управляемого вентиля с дросселем фильтра через разделительный конденсатор (Патент 2152683 РФ, МКИ Н02М 7/48. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл. 19.04.99., Опубл. 10.07.00., БИ/ № 19).
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 (Патент 2152683 РФ, МКИ Н02М 7/48 Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл. 19 04 99., Опубл. 10 07.00., БИ № 19).
Недостатком автономного согласованного инвертора тока с резонансной коммутацией и способа управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией является узкая область применения. Это обусловлено невозможностью создания эффективных устройств электропитания большой мощности с высокими уровнями выходного напряжения, работающих на электротехнологические нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами.
Известен автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией, содержащий соединенную с входными выводами инвертора через дроссели фильтра последовательную цепь, выполненную на двух управляемых вентилях с встречно-параллельными диодами, зашунтированную конденсатором фильтра, выходные выводы инвертора подключены к общим точкам соединения управляемых вентилей и катода управляемого вентиля с дросселем фильтра через разделительный конденсатор (Патент 2341000 РФ, МКИ Н02М 7/48. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл. 14 03.07., Опубл. 10.12.08., БИ № 34).
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 (Патент 2341000 РФ, МКИ Н02М 7/48. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами / Силкин Е.М. - Заявл. 14 03 07., Опубл. 10.12.08., БИ № 34).
Данные известные автономный согласованный инвертор с резонансной коммутацией и способ управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией являются наиболее близкими к изобретению и рассматриваются в качестве прототипа.
Недостатком автономного согласованного инвертора тока с резонансной коммутацией и способа управления автономным согласованным инвертором с резонансной коммутацией, выбранных за прототип, является узкая область применения. Это обусловлено невозможностью создания эффективных устройств электропитания большой мощности с высокими уровнями выходного напряжения, работающих на электротехнологические нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами.
Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией и способа управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией содержит соединенную с входными выводами инвертора через включенные согласно магнитосвязанные дроссели фильтра последовательную цепь, выполненную на двух парах последовательно соединенных управляемых вентилей с встречно-параллельными диодами, зашунтированную второй последовательной цепью, выполненной на двух конденсаторах фильтра, общая точка соединения которых подключена к общей точке соединения пар управляемых вентилей, выходные выводы инвертора подключены к общим точкам соединения управляемых вентилей соответствующих пар через разделительные конденсаторы, управляемые вентили зашунтированы коммутирующими конденсаторами.
В способе управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией, заключающемся 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 временной интервал τ между началом протекания и моментом достижения мгновенным током через управляемые вентили максимального уровня тока, задают второй временной интервал δ, равный 0,3÷1,4 от длительности временного интервала τ, импульсы управления снимают и управляемые вентили выключают по истечении второго временного интервала δ, отсчитываемого от момента окончания временного интервала τ, задают третий временной интервал Δ, и импульсы управления на очередные управляемые вентили формируют и подают по истечении третьего временного интервала Δ, отсчитываемого от момента окончания второго временного интервала δ.
При параллельной компенсации реактивности нагрузки, выполненной в виде параллельного колебательного контура, подключенной через коммутирующую индуктивность к выходным выводам автономного согласованного инвертора, временной интервал τ между началом протекания и моментом достижения током через управляемые вентили максимального уровня тока измеряют путем измерения временного интервала между началом протекания тока через управляемые вентили и моментом достижения мгновенным напряжением на нагрузке уровня мгновенного напряжения питания на входных выводах инвертора.
Существенным отличием, характеризующим изобретение, является расширение области применения автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией и способа управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией, что достигается возможностью использования изобретения при создании эффективных устройств электропитания большой мощности с высокими уровнями выходного напряжения, работающих на электротехнологические нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами.
Расширение области применения автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией и способа управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией является полученным техническим результатом, обусловленным новыми элементами в схеме инвертора, порядком их включения и новыми связями, новыми действиями в способе и порядком их осуществления, то есть отличительными признаками изобретения. Таким образом, отличительные признаки заявляемых автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией и способа управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией являются существенными.
Заявляемый автономный согласованный инвертор приобретает свойства инвертора нового класса - с квазирезонансной коммутацией. Заявляемый способ управления может быть применен в автономных согласованных инверторах с резонансной и квазирезонансной (парарезонансной) коммутацией.
На фиг.1 приведена схема нового автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией, на фиг.2 - функциональная схема системы управления инвертором, реализующей новый способ управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией, на фиг.3 - схема автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией и параллельной компенсацией реактивности электротехнологической (индукционной) нагрузки, на фиг.4 - временные диаграммы токов вентилей (нагрузки) и напряжения на параллельных разделительных конденсаторах, на фиг.5 - функциональная схема системы управления при параллельной компенсации реактивности нагрузки, выполненной в виде параллельного колебательного контура, подключенной через коммутирующую индуктивность к выходным выводам автономного согласованного инвертора, реализующая модификацию нового способа управления.
Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией (фиг.1) содержит соединенную с входными выводами инвертора через включенные согласно магнитосвязанные дроссели фильтра 1, 2 последовательную цепь, выполненную на двух парах последовательно соединенных управляемых вентилей 3, 4 и 5, 6 с встречно-параллельными диодами 7, 8 и 9. 10, зашунтированную второй последовательной цепью, выполненной на двух конденсаторах фильтра 11 12, общая точка соединения которых подключена к общей точке соединения пар управляемых вентилей, выходные выводы инвертора подключены к общим точкам соединения управляемых вентилей соответствующих пар через разделительные конденсаторы 13, 14, управляемые вентили зашунтированы коммутирующими конденсаторами 15, 16 и 17, 18, нагрузка 19 подключена к выходным выводам 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 переменного тока в нагрузке, и их поочередно включают. Измеряют временной интервал τ между началом протекания и моментом достижения мгновенным током через управляемые вентили максимального уровня тока. Задают второй временной интервал δ, равный 0,3-1,4 от длительности временного интервала τ, импульсы управления снимают и управляемые вентили выключают по истечении второго временного интервала δ, отсчитываемого от момента окончания временного интервала τ. Задают третий временной интервал Δ, и импульсы управления на очередные управляемые вентили формируют и подают по истечении третьего временного интервала Δ, отсчитываемого от момента окончания второго временного интервала δ.
Функциональная схема системы управления инвертором (фиг.2) содержит последовательную цепь, включающую задающий генератор (ЗГ) 20, логическую схему И 21, логическую схему ИЛИ 22, реверсивный счетчик (PC) 23, триггер со счетным входом (ТГ) 24, вторую логическую схему И 25, выходной каскад (ВК) 26, вторую последовательную цепь, включающую третью логическую схему И 27, подключенную к второму выходу триггера со счетным входом, и второй выходной каскад ВК 28, вторые входы второй и третьей логических схем И соединены с выходом реверсивного счетчика, третью последовательную цепь, включающую второй задающий генератор ЗГ 29 и четвертую логическую схему И 30, выход которой соединен с вторым входом логической схемы ИЛИ, четвертую последовательную цепь, включающую датчик тока (ДТ) 31, дифференциатор (ДФ) 32, нуль-орган (НО) 33 и второй триггер со счетным входом ТГ 34, выход которого соединен с входом установки направления счета реверсивного счетчика и вторым входом логической схемы И, а второй выход подключен к второму входу четвертой логической схемы И.
Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией (фиг.3) и параллельной компенсацией реактивности нагрузки содержит соединенный с входными выводами инвертора через включенные согласно магнитосвязанные дроссели фильтра 1, 2 однофазный мост, выполненный на двух парах последовательно соединенных управляемых вентилей 3, 4 и 5, 6 с встречно-параллельными диодами 7, 8 и 9, 10, зашунтированный последовательной цепью, выполненной на двух конденсаторах фильтра 11, 12, выходные выводы инвертора зашунтированы разделительными конденсаторами 13, 14, управляемые вентили моста зашунтированы коммутирующими конденсаторами 15, 16 и 17, 18, нагрузка 19 подключена к выходным выводам инвертора через коммутирующие дроссели 35, 36.
В способе управления инвертором при параллельной компенсации реактивности нагрузки, выполненной в виде параллельного колебательного контура, подключенной через коммутирующую индуктивность к выходным выводам автономного согласованного инвертора, временной интервал τ между началом протекания и моментом достижения током через управляемые вентили максимального уровня тока измеряют путем измерения временного интервала между началом протекания тока через управляемые вентили и моментом достижения мгновенным напряжением на нагрузке уровня мгновенного напряжения питания на входных выводах инвертора.
Функциональная схема модификации системы управления инвертором (фиг.5) содержит дополнительный элемент задержки (ЭЗ) 37, вход которого соединен с выходом реверсивного счетчика, отличающуюся четвертую последовательную цепь, включающую датчик мгновенного напряжения (ДН) на конденсаторах фильтра 38, компаратор (КО) 39 и триггер 40, выход которого соединен с входом установки направления счета реверсивного счетчика и вторым входом логической схемы И, а второй выход подключен к второму входу четвертой логической схемы И, выход элемента задержки соединен с вторым входом триггера, датчик мгновенного напряжения на нагрузке ДН 41, выход которого подключен к второму входу компаратора.
Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией (фиг.1) в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 3, 6 и 4, 5 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала инвертора. Значения индуктивностей дросселей фильтра 1, 2 выбраны достаточно большими для качественной фильтрации тока и напряжения на входе инвертора. Магнитная связь и согласное включение дросселей фильтра 1, 2 снижают электрические потери в них за счет меньшего требуемого суммарного числа витков при выполнении дросселей фильтра (1, 2) с необходимыми величинами индуктивностей. Снижение потерь уменьшает общую загрузку управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10 по мощности. Разделительные конденсаторы 13, 14 обеспечивают последовательную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (нагрузки) 19 и емкостную развязку цепей питания и нагрузки (19).
Полный цикл (период) T выходного сигнала автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией состоит из двух временных интервалов (полупериодов) T/2, соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10. Ток через индукционный нагреватель 19 имеет колебательный характер. В каждом полупериоде T/2, в общем случае, можно выделить два различных по характеру электромагнитных процессов временных интервала (одновременной работы двух управляемых вентилей последовательной цепи 3, 6 или 4, 5 и одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 7, 10 или 8, 9). Основной интервал соответствует интервалу одновременной проводимости двух управляемых вентилей последовательной цепи 3, 6 или 4, 5. При работе управляемых вентилей 4, 5 протекание тока в нагрузке 19 осуществляется за счет энергии, накопленной разделительными конденсаторами 13, 14 на предыдущем полупериоде T/2. Таким образом, автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией относится к классу однотактных схем. Второй временной интервал целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов 13, 14 и 19, что обеспечивает высокие энергетические показатели устройства. Конденсаторы фильтра 11, 12 имеют достаточную величину емкости для качественного сглаживания напряжения на входе последовательной цепи. Соединение общей точки конденсаторов фильтра 11, 12 с общей точкой соединения пар управляемых вентилей 3, 4 и 5, 6 последовательной цепи обеспечивает качественное деление напряжения питания между управляемыми вентилями 3-6 при их последовательном соединении, что позволяет повысить уровень выходного напряжения автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией. Дополнительное симметрирование напряжений осуществляется коммутирующими конденсаторами 15-18. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 7, 10 или 8, 9 к включающимся на очередном полупериоде T/2 управляемым вентилям 3, 6 или 4, 5 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующем встречно-параллельном диоде (7-10), и управляемые вентили (3- 6) могут включаться с минимальными коммутационными потерями (при использовании двухоперационных вентилей). Напряжение на коммутирующих конденсаторах 15-18 нарастает плавно, что обеспечивает низкий уровень потерь при выключении управляемых вентилей 3-6 (квазирезонансная коммутация при нулевом уровне напряжения на управляемых вентилях 3-6). Встречно-параллельные диоды 7-10 также включаются при нулевом уровне напряжения за счет работы с индуктивной расстройкой последовательного контура 13, 14, 19. В момент включения (начало полупериода T/2), например, управляемых вентилей 3, 6 напряжение на разделительных конденсаторах 13, 14 имеет условно отрицательную полярность (положительный потенциал на нижних по схеме обкладках разделительных конденсаторов 13, 14). Напряжение на разделительных конденсаторах 13, 14 и ток управляемых вентилей 3, 6 и нагрузке 19 изменяются по колебательному закону. Коммутирующие конденсаторы 16, 17 заражены до половины напряжения источника питания инвертора или до напряжения на конденсаторах фильтра 11, 12 (положительный потенциал на верхних по схеме обкладках коммутирующих конденсаторов 16, 17). Как видно, включение вентилей 3, 6 производится при нулевом уровне напряжения на них в интервале проводимости смежных встречно-параллельных диодов 7, 10, что обуславливает минимальные электрические потери при включении.
Мгновенный ток вентилей 3, 6 (4, 5) имеет квазисинусоидальную форму (режим согласованного инвертора). Фронт импульса τ короче его среза, что обусловлено характером электромагнитных процессов. Ток через последовательный нагрузочный контур, образованный индукционным нагревателем 19 и разделительными конденсаторами 13, 14, при включении вентилей 3, 6 начинает протекать от второй последовательной цепи конденсаторов фильтра 11, 12 автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией по цепи: 12-11-3-13-19-14-6-12. Конденсаторы фильтра 11, 12, как уже отмечено, имеет достаточно большую емкость, для качественного сглаживания напряжения на входе инвертора. Заряд конденсаторов фильтра 11, 12 осуществляется от источника питания автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией по цепи: «+» -1-11-12-2 - «-». Разделительные конденсаторы 13, 14 разряжается до нуля и далее будут колебательно перезаряжаться до напряжения условно отрицательной полярности (положительный потенциал на нижних по схеме обкладках конденсаторов 13, 14) при работе управляемых вентилей 4, 5.
Ток управляемых вентилей 3, 6 вначале возрастает (интервал τ), а затем спадает по квазиколебательному закону. В момент равенства тока управляемых вентилей 3, 6 некоторому минимальному уровню они выключаются (по истечении второго временного интервала δ). То есть выключение управляемых вентилей 3, 6 происходит с опережением на некоторый угол относительно моментов колебательного спада тока через них до нуля (индуктивная расстройка последовательного колебательного контура 13, 14, 19). Выключение управляемых вентилей 3, 6 осуществляется практически с нулевыми коммутационными потерями, так как уровень тока через них при выключении значительно ниже максимального уровня тока, а напряжение равно нулевому уровню (коммутирующие конденсаторы 15, 18 разряжены). В момент выключения управляемых вентилей 3, 6 заканчивается первый интервал полупериода T/2 одновременной проводимости управляемых вентилей (3, 6) однофазного моста. После выключения управляемых вентилей 3, 6 во втором интервале (паузы) за счет электромагнитной энергии, накопленной в электромагнитном поле индукционного нагревателя 19, ток в цепи переменного тока инвертора протекает в прежнем направлении и замыкается, вначале через коммутирующие конденсаторы 16, 18 по цепи: 19-14-17-16-13-19, а затем, после разряда коммутирующих конденсаторов 16, 17 до нуля, через встречно-параллельные диоды 8, 9 по цепи: 19-14-9-8-13-19. Происходит сравнительно быстрый спад тока диодов 8, 9 до нуля. Таким образом, имеем режим квазирезонансного переключения или коммутации вентилей. На втором интервале полупериода T/2, когда включаются встречно-параллельные диоды 8, 9, ток дальнейшего заряда разделительных конденсаторов 13, 14 происходит по цепи: 13-19-14-9-8-13. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 8, 9 к включающимся на следующем полупериоде T/2 управляемым вентилям 4, 5 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующих встречно-параллельных диодах 8, 9, и управляемые вентили 4, 5 могут включаться при малых коммутационных потерях. К моменту выключения встречно-параллельных диодов 8, 9 заканчивается второй интервал рассматриваемого полупериода T/2. Далее включаются управляемые вентили 4, 5. Разделительные конденсаторы 13, 14 в указанный момент времени заряжены с условно положительной полярностью напряжения (положительный потенциал на верхних по схеме обкладках разделительных конденсаторов 13, 14) и колебательно перезаряжается до напряжения противоположной полярности (отрицательный потенциал на верхних по схеме обкладках разделительных конденсаторов 13, 14). С момента включения управляемых вентилей 4, 5 заканчивается первый полупериод T/2 в работе автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией. Управляемые вентили 4, 5 могут включаться также с небольшой задержкой относительно момента выключения встречно-параллельных диодов 8, 9. Во втором полупериоде T/2, при работе управляемых вентилей 4, 5 и встречно-параллельных диодов 7, 10 электромагнитные процессы в автономном согласованном инверторе с квазирезонансной коммутацией протекают аналогично, но ток через последовательный нагрузочный контур (13, 14, 19) с индукционным нагревателем 19 на временных интервалах второго полупериода T/2 имеет противоположное направление.
По окончании второго полупериода T/2 снова включается управляемые вентили 3, 6. Далее электромагнитные процессы в инверторе (новый период T выходного сигнала) полностью повторяются.
Синхронизация электромагнитных процессов в инверторе с электромагнитными процессами в нагрузочном контуре 13, 14, 19 при изменении параметров индукционного нагревателя 19 в широких пределах осуществляется путем измерения фронта (интервала τ) импульса тока управляемых вентилей 3-6 (нагрузки 19). Управляемые вентили 3-6 остаются во включенном состоянии в течение интервала τ и заданного второго временного интервала δ, равного 0,3÷1,4 от длительности временного интервала τ, отсчитываемого от момента окончания интервала τ. В течение третьего интервала Δ происходит разряд коммутирующих конденсаторов 15, 18 или 16, 17 и ток проводят встречно-параллельные диоды 7, 10 или 8, 9. Как уже отмечено выше, интервал Δ может заканчиваться с небольшой задержкой относительно моментов выключения соответствующих встречно-параллельных диодов (7-10).
Таким образом, обеспечивается необходимая индуктивная расстройка последовательного нагрузочного колебательного контура (13, 14, 19) и синхронизация (автоподстройка) выходной частоты заявляемого автономного согласованного инвертора с собственной частотой нагрузочного контура (13, 14,19). Полупериод T/2 выходного сигнала равен сумме трех интервалов:
T/2=τ+δ+Δ.
Диапазон задания второго временного интервала δ от 0,3 до 1,4 длительности интервала τ обусловлен требуемыми уровнями выходного напряжения инвертора. При уменьшении временного интервала δ уровень выходного напряжения инвертора уменьшается. Заданием интервала δ можно обеспечить регулирование или стабилизацию уровня выходного напряжения автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией, что расширяет область его применения.
Система управления инвертора в соответствии с функциональной схемой (фиг.2) работает следующим образом. Выходные каскады ВК 26, 28 подключены к управляющим электродам вентилей 3, 6 и 4, 5. Они обеспечивают гальваническую развязку и необходимое усиление импульсов управления вентилей 3, 6 и 4, 5. Датчик тока ДТ 31 измеряет мгновенный ток индукционного нагревателя 19 и, следовательно, ток управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10. На выходе дифференциатора ДФ 32 сигнал равен нулевому уровню в точках максимума и нуля мгновенного тока индукционного нагревателя 19. В указанные моменты времени нуль-орган НО 33 формирует короткие импульсы синхронизации, которые переводят второй триггер со счетным входом ТГ 34 из состояния с высоким уровнем выходного сигнала в состояние с низким уровнем. Прямой и инверсный выходы ТГ 34 через логические схемы И 21, И 30 и ИЛИ 22 периодически подключают задающие генераторы ЗГ 20, 29 к счетному входу реверсивного счетчика PC 23. Задающие генераторы ЗГ 20, 29 в общем случае имеют различные выходные частоты. Элемент ТГ 34 также переводит PC 23 из состояния сложения в состояние вычитания (таймера). Код реверсивного счетчика PC 23 возрастает в течение интервала τ и уменьшается в течение интервала δ. При равенстве частот ЗГ 20, 29 интервалы τ и δ будут равны. Если частота ЗГ 20 выше частоты ЗГ 29, интервал τ соответственно меньше интервала δ и наоборот. Изменяя соотношение частот ЗГ 20 и ЗГ 29 регулируют интервал δ и уровень выходного напряжения инвертора. Сигнал переноса с выхода PC 23 (окончание интервала δ) периодически переключает триггер со счетным входом ТГ 24 из состояния с высоким уровнем выходного сигнала в состояние с низким уровнем. Импульсы управления на вентили 3, 6 и 4, 5 формируются на прямом и инверсном выходах ТГ 24. Во время действия сигнала переноса логические схемы И 25, 27 отключают выходные каскады ВК 26, 28 от выходов элемента ТГ 24, вследствие чего формируется (задается) третий временной интервал Δ (управляемые вентили 3-6 выключены). При очередном переводе PC 23 в состояние счета или сложения сигнал переноса снимается (по сигналу второго триггера со счетным входом ТГ 34). В результате производится включение очередных управляемых вентилей 3, 6 или 4, 5 непосредственно после выключения встречно-параллельных диодов 7,10 или 8, 9.
При параллельной компенсации реактивности нагрузки способ управления может быть модифицирован. Автономный согласованный инвертор с квазирезонансной коммутацией (фиг.3) при параллельной компенсации реактивности нагрузки в установившемся режиме работает следующим образом. Импульсы управления на управляемые вентили 3, 6 и 4, 5 поступают поочередно с частотой, равной частоте выходного сигнала инвертора. Разделительные конденсаторы 13, 14 обеспечивают параллельную компенсацию реактивной мощности индукционного нагревателя (нагрузки) 19 и компенсацию реактивной мощности коммутирующих дросселей 35, 36. Коммутирующие дроссели 35,36 выполняются в виде самостоятельных узлов с магнитной связью или могут представлять собой полностью или в части индуктивность нагрузки (части нагрузки) и (или) соединительных отводящих шин (кабелей).
Полный цикл (период) Т выходного сигнала автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией состоит из двух одинаковых временных интервалов T/2 (полупериодов), соответствующих различным сочетаниям включенного и выключенного состояния управляемых вентилей 3-6 и встречно-параллельных диодов 7-10. В каждом полупериоде T/2, в общем случае, можно выделить два различных по характеру электромагнитных процессов временных интервала (одновременной работы двух управляемых вентилей однофазного моста и одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов). Основной интервал соответствует интервалу одновременной проводимости двух управляемых вентилей однофазного моста 3, 6 или 4, 5. Второй временной интервал целесообразно устанавливать малой длительности выбором параметров элементов 35, 36 и 13, 14, 19, что обеспечивает высокие энергетические показатели устройства. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 7, 10 или 8, 9 к включающимся управляемым вентилям 3, 6 или 4, 5 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующем встречно-параллельном диоде (7-10), и управляемые вентили (3-6) могут включаться с минимальными коммутационными потерями. В момент включения (начало полупериода T/2), например, управляемых вентилей 3, 6 напряжение на батарее разделительных конденсаторов 13, 14 имеет условно отрицательную полярность (положительный потенциал на верхних по схеме обкладках разделительных конденсаторов 13, 14). Напряжение на разделительных конденсаторах 13, 14 изменяется по колебательному закону.
Коммутирующие конденсаторы 15, 18 разряжены, а 17,18 заряжены до напряжения питания на конденсаторах фильтра 11, 12 (положительный потенциал на верхней по схеме обкладке коммутирующих конденсаторов 17, 18). Включение управляемых вентилей 3,6 осуществляется с опережением относительно моментов перехода мгновенного значения напряжения на батарее разделительных конденсаторов 13, 14 относительно нулевого уровня (емкостная расстройка параллельного нагрузочного контура 13, 14, 19) и мгновенного тока в диагонали переменного тока однофазного моста инвертора (индуктивная расстройка последовательного колебательного контура, образованного коммутирующими дросселями 35, 36 и эквивалентной емкостью параллельного нагрузочного контура 13, 14, 19). Как видно, включение вентилей 3, 6 производится при нулевом уровне напряжения на них в интервале проводимости смежных встречно-параллельных диодов 7, 10, что обуславливает минимальные электрические потери при включении. Мгновенный ток вентилей 3, 6 (или 4, 5) имеет квазисинусоидальную (фиг.4) форму (режим согласованного инвертора). Ток через параллельный нагрузочный контур, образованный индукционным нагревателем 19 и разделительными конденсаторами 13, 14, при включении вентилей 3, 6 начинает протекать от конденсаторов фильтра 11, 12 автономного согласованного инвертора с резонансной коммутацией по цепи: 12-11-3-36-(13, 14, 19)-35-6-12. Заряд конденсаторов фильтра 11, 12 осуществляется от источника питания автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией по цепи: «+»-1-11-12-2-«-». Схема работает как двухтактная. Разделительные конденсаторы 13, 14 разряжаются до нуля и далее колебательно перезаряжаются до напряжения условно положительной полярности (положительный потенциал на нижних по схеме обкладках). Параметры цепи: 12-11-3-36-(13, 14, 19)-35-6-12 и углы опережения выбираются такими, чтобы электромагнитные процессы в ней также имели колебательный характер. То есть указанная цепь представляет собой последовательный колебательный контур, образованный коммутирующими дросселями 35, 36 и нескомпенсированной частью емкости разделительных конденсаторов 13, 14. Ток управляемых вентилей 3, 6 вначале возрастает (интервал τ), а затем спадает по квазиколебательному закону. В момент равенства тока управляемых вентилей 3, 6 некоторому минимальному уровню (окончание интервала δ) они выключаются. То есть выключение управляемых вентилей 3, 6 также происходит с опережением на некоторый угол относительно моментов колебательного спада тока через них до нуля (индуктивная расстройка эквивалентного последовательного колебательного контура). Выключение управляемых вентилей 3, 6 осуществляется практически с нулевыми коммутационными потерями, так как уровень тока через них при выключении значительно ниже максимального уровня тока, а напряжение равно нулю (коммутирующие конденсаторы 15, 18 разряжены) В момент выключения управляемых вентилей 3, 6 заканчивается первый интервал полупериода T/2 одновременной проводимости управляемых вентилей (3, 6) однофазного моста. После выключения управляемых вентилей 3, 6 во втором интервале (паузы) за счет электромагнитной энергии, накопленной в электромагнитном поле коммутирующих дросселей 35, 36, ток в диагонали переменного тока протекает в прежнем направлении и замыкается (интервал Δ) вначале через коммутирующие конденсаторы по цепи: 36-(13, 14, 19)-35-17-11-12-16-36, а затем через встречно-параллельные диоды 8, 9 по цепи: 36-(13, 14, 19)-35-9-11-12-8-36. Происходит сравнительно быстрый спад тока диодов 8, 9 до нуля. Таким образом, имеем режим квазирезонансного переключения или коммутации вентилей. На втором интервале полупериода T/2, когда включаются встречно-параллельные диоды 8, 9, ток дальнейшего разряда разделительных конденсаторов 13, 14 происходит по цепи 13, 14-35-9-11-12-8-36-13, 14. Одновременно разделительные конденсаторы 13, 14 продолжают перезаряжаться через нагрузку 19 по цепи: 13, 14 - 19 - 13, 14. На интервале одновременной проводимости двух смежных встречно-параллельных диодов 8, 9 к включающимся на следующем полупериоде T/2 управляемым вентилям 4, 5 прикладывается небольшое обратное (отрицательное) напряжение, равное падению напряжения на соответствующем встречно-параллельном диоде 8, 9, и управляемые вентили 4, 5 могут включаться при малых коммутационных потерях. К моменту выключения встречно-параллельных диодов 8, 9 заканчивается второй интервал рассматриваемого полупериода T/2. Далее (после заданного интервала Δ) включаются управляемые вентили 4, 5. Разделительные конденсаторы 13, 14 в указанный момент времени еще заряжены с условно положительной полярностью напряжения и колебательно перезаряжается до напряжения противоположной полярности (положительный потенциал на верхних по схеме обкладках).
С момента включения управляемых вентилей 4, 5 заканчивается первый полупериод T/2 в работе автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией. Во втором полупериоде T/2, при работе управляемых вентилей 4, 5 и встречно-параллельных диодов 7, 10 электромагнитные процессы в автономном согласованном инверторе с квазирезонансной коммутацией протекают аналогично, но токи через параллельный нагрузочный контур (13, 14, 19) с индукционным нагревателем 19 на временных интервалах второго полупериода T/2 имеют противоположное направление.
По окончании второго полупериода T/2 снова включаются управляемые вентили 3, 6. Далее электромагнитные процессы в инверторе (новый период Т выходного сигнала) полностью повторяются.
Полупериод T/2 выходного сигнала также равен сумме трех интервалов:
T/2=τ+δ+Δ.
Временные диаграммы тока i управляемых вентилей 3-6 (нагрузки 13, 14, 19) и напряжения u на разделительных конденсаторах 13, 14 для двух режимов работы с различным временным интервалом 8 приведены на фиг.4. С уменьшением второго временного интервала δ возрастают токи вентилей 3-6, активная и реактивная мощность инвертора и уровень выходного напряжения.
Управляемые вентили 3-6 при реализации автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией по схемам фиг.1, 3 могут быть выполнены как однооперационными симметричными или не имеющими обратной блокирующей способности (тиристоры различных типов, реверсивно-включаемые динисторы, газоразрядные вентили) с искусственной коммутацией, так и двухоперационными, то есть полностью управляемыми симметричными или несимметричными (запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи).
В автономном согласованном инверторе с квазирезонансной коммутацией и параллельной компенсацией реактивности нагрузки возможна реализация двухчастотного (многочастотного) режима работы. В двухчастотном режиме периодическое переключение пар вентилей 3, 6 и 4, 5 производится на низкой выходной частоте. Нагрузочный параллельный колебательный контур (13, 14, 19) настраивается на высокую выходную частоту. В каждом полупериоде T/2 в двухчастотном режиме пары вентилей 3, 6 и 4, 5 включаются многократно и проводят ток в течение интервалов, близких к половине периода высокой выходной частоты. Двухчастотный режим работы требуется для некоторых технологических процессов, таких как индукционная поверхностная закалка или плавка сверхчистых металлов.
Система управления в соответствии с функциональной схемой фиг.5 работает следующим образом. Интервал τ между началом протекания и моментом достижения током i через управляемые вентили (3-6) максимального уровня тока соответствует временному интервалу между началом протекания тока через управляемые вентили (3-6) и моментом достижения мгновенным напряжением u на нагрузке (19) уровня мгновенного напряжения питания на входных выводах инвертора (на конденсаторах фильтра 11, 12). Напряжение на конденсаторах фильтра 11, 12 и нагрузке 19 хорошо отфильтрованы. Использование указанных сигналов в системе управления расширяет область применения способа управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией, так как обеспечивает высокую надежность работы в условиях повышенных электромагнитных помех при высоких уровнях выходного напряжения инвертора. Мгновенные напряжения на конденсаторах фильтра 11, 12 и нагрузке 19 измеряются датчиками напряжения ДН 38, 41 и сравниваются компаратором КО 39. Элемент КО 39 переключает триггер ТГ 40. Сигнал с выхода ТГ 40 переводит PC 23 в режим таймера для отсчета интервала δ. Переключение ТГ 40 в исходное состояние осуществляется по сигналу элемента задержки ЭЗ 37, который задает интервал Δ. Остальные элементы функциональной схемы фиг.5 работают аналогично элементам функциональной схемы, приведенной на фиг.2.
По сравнению с прототипом расширяется область применения автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией и способа управления автономным согласованным инвертором с квазирезонансной коммутацией за счет возможности создания эффективных высокочастотных источников электропитания с повышенным выходным напряжением для электротехнологических нагрузок, характеризующихся изменяющимися в широких пределах параметрами.
В заявляемом инверторе обеспечивается качественное и надежное деление напряжений на последовательно соединенных вентилях, что необходимо при реализации устройств с высоким выходным напряжением.
Реализация способа управления позволяет регулировать или стабилизировать уровень выходного напряжения высоковольтного инвертора при его работе на изменяющуюся в широких пределах нагрузку. Осуществляется также автоподстройка выходной частоты согласованного инвертора к собственной частоте нагрузочного контура последовательного или параллельного типа. Используемые в системе управления сигналы обеспечивают высокую помехоустойчивость устройства при работе в составе высоковольтной электротехнологической установки.
Расширяется область применения за счет обеспечения надежного электропитания ответственных потребителей.
По сравнению с прототипом дополнительно существенно повышается надежность работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией. Это достигается комплексным снижением величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, уровней перенапряжений на управляемых вентилях, возникающих при их выключении, уровней электромагнитных помех, возникающих при выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, коммутационных электрических потерь в элементах схемы за счет «мягкой» коммутации управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов и действия коммутирующих конденсаторов, обеспечением симметричного ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора на корпус нагрузки за счет магнитосвязанных дросселей фильтра, электрических потерь в дросселях фильтра и других элементах инвертора. Повышается устойчивость и, следовательно, надежность работы автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией и уменьшается вероятность срывов инвертирования при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (индукционный нагреватель, плазмохимическая или осветительная установка), а также сбоев в системе управления инвертора. Повышение надежности автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией оценивается по времени наработки устройства на отказ. Согласно данным экспериментальных исследований и экспертных оценок время наработки на отказ заявляемого инвертора при управлении по заявляемому способу может быть увеличено на 30-40%. Повышение надежности расширяет область применения инвертора и способа управления инвертором в системах с ответственными потребителями.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия (на 3-4%) автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией за счет уменьшения коммутационных 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 и встречно-параллельных диодов, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку, эффективной компенсации реактивности нагрузки), электрических потерь в дросселях фильтра и возможности передачи энергии на высоком уровне напряжения.
По сравнению с прототипом дополнительно может быть существенно упрощена конструкция энергетической (силовой) части автономного согласованного инвертора с квазирезонансной коммутацией за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.
По сравнению с прототипом дополнительно могут быть снижены весогабаритные показатели (до 50%) автономного инвертора за счет выполнения дросселей фильтра и коммутирующих дросселей с магнитной связью и общего снижения электрических потерь.