СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РЕЗОНАНСНЫМ ИНВЕРТОРОМ СО ВСТРЕЧНО-ПАРАЛЛЕЛЬНЫМИ ДИОДАМИ
METHOD TO CONTROL RESONANT INVERTER WITH ANTIPARALLEL DIODES

Изобретение относится к электротехнике, может быть использовано в системах управления полупроводниковыми преобразователями частоты для электротехнологии.
Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами [патент РФ №2341000, МКИ Н02М 7/48, 10.12.2008], заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на ключевые элементы инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задании временного интервала, измерении напряжения на тиристорах, задании минимального и максимального значений длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, минимального и максимального значений прямого напряжения на тиристорах и максимального значения тока тиристоров, формирующих прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, измерении тока тиристоров, запрещении подачи очередного импульса управления на тиристоры в случае, если длительность интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода меньше или превышает соответственно заданные минимальное и максимальное значения длительности интервала проводящего состояния тиристора и встречно-параллельного диода, прямое напряжение на тиристорах меньше или превышает соответственно заданные минимальное и максимальное значения прямого напряжения на тиристорах, а ток тиристоров превышает заданное максимальное значение тока тиристоров.
Недостатком способа управления является прерывание подачи очередного импульса управления, что недопустимо для технологических процессов, требующих непрерывной работы инвертора.
Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами [патент РФ №2289195, МКИ Н02М 7/5383, 10.12.2006], работающим на нагрузку в виде последовательного колебательного контура, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на ключевые элементы инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, измерении мгновенного значение тока нагрузки, определении моментов перехода мгновенного значения тока нагрузки через нулевое значение, вычислении текущего среднего значения тока нагрузки, в соответствии с которым выбирают и генерируют управляющие последовательности импульсов, определяющие комбинации переключения ключевых элементов инвертора, при этом переключение осуществляют в момент перехода мгновенного значения тока нагрузки через нулевое значение, а комбинации переключения ключевых элементов инвертора обеспечивают временные интервалы, равные числу N=1, 2…9 полупериодов резонансной частоты колебаний тока нагрузки с подачей энергии в нагрузку и замкнутого состояния нагрузки, причем если измеренное текущее среднее значение тока нагрузки превышает заданный порог, то выбирают и генерируют управляющие последовательности импульсов, обеспечивающие уменьшение отношения интервала подачи энергии в нагрузку к интервалу замкнутого состояния нагрузки, а если измеренное текущее среднее значение тока нагрузки меньше заданного порога, то выбирают и генерируют управляющие последовательности импульсов, обеспечивающие увеличение отношения интервала подачи энергии в нагрузку к интервалу замкнутого состояния нагрузки.
Недостатком способа управления является возможность выхода тиристоров из строя из-за снижения времени, предоставляемого для восстановления управляющих свойств.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ управления инвертором, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на ключевые элементы инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, измерении напряжения тиристора, формировании заданного интервала времени, вычитании реального времени запирания из заданного, если реальное время меньше заданного, уменьшают временной интервал управления тиристоров, если реальное время больше заданного, временной интервал управления увеличивают (Беркович Е.И. и др. Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1983, с.158-159).
Недостатками прототипа являются: 1) способ разработан для схем параллельных инверторов тока без встречно-параллельных диодов; 2) низкое быстродействие устройства при практической реализации.
Задача изобретения - повышение надежности работы тиристорного резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами за счет обеспечения времени, необходимого для восстановления управляющих свойств тиристора, а также снижение токовой загрузки тиристоров при сохранении номинальной мощности инвертора.
Поставленная задача решается тем, что в способе управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающемся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на ключевые элементы инвертора, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задают минимальное значение длительности интервала проводящего состояния встречно-параллельного диода, равное времени выключения тиристора, причем при сокращении длительности интервала проводящего состояния встречно-параллельного диода меньше заданного минимального значения выбирают и генерируют управляющие последовательности импульсов, обеспечивающие увеличение длительности интервала выключенного состояния тиристора.
Существо изобретения поясняется чертежами (фиг.1 и 2). На чертежах изображены схема устройства и временные диаграммы. На диаграммах приняты следующие обозначения (снизу - вверх): V(VS) - мгновенное значение напряжение на тиристоре, V(U5A), V(U6A) - сигналы с датчика и мультивибратора соответственно, V(U30A), V(U31A) - сигналы с выходов логической схемы, V(U9A), V(U10A) - сигналы с выходов триггера, V(C6:1, C6:2) - напряжение управления генератора частоты, V(U12A) - сигнал на входе формирователя импульсов, I(VS1:GATE) - мгновенное значение тока управления тиристора.
Устройство для реализации способа управления включает инвертор 1, состоящий из подключенной через входной дроссель 2 к источнику питания (выпрямителю) последовательной цепочки, образованной коммутирующим дросселем 3 и встречно-параллельно соединенными тиристором 4 и диодом 5. Указанная последовательная цепочка зашунтирована последовательно соединенными коммутирующим конденсатором 6 и нагрузкой 7, образованной параллельно включенными конденсатором 8 и индуктором, который, в свою очередь, состоит из последовательно включенной индуктивности 9 и резистора 10. Параллельно вентильной паре включен датчик напряжения 11, выход которого подключен к формирователю синхроимпульса 12 для запуска ждущего мультивибратора 13, источника сигнала заданной длительности. Выходы с датчика 11 и мультивибратора 13 присоединены к входам логической схемы 14, подключенной к триггеру 15, выходы которого соединены с двумя ключами 16 и 17, управляемыми напряжением. Ключи образуют две параллельные цепи с источниками напряжения 18 и 19 соответственно. Обе цепи соединены с входом генератора частоты 20, управляемого напряжением. Генератор частоты 20 подключен к формирователю импульсов 21 управления инвертором. Выход формирователя 21 соединен с входом выходного каскада 22, выход которого присоединен соответственно к управляющему электроду тиристора 4. Способ может быть реализован для различных схем тиристорных резонансных инверторов со встречно-параллельными диодами, наиболее распространенными из которых являются: мостовой инвертор с нагрузкой в диагонали, мостовой инвертор с нагрузкой в цепи фильтровой емкости и несимметричный одноячейковый инвертор. Генератор импульсов управления 20 выполнен на логических микросхемах, формирователь импульсов 21 собран на полевых транзисторах.
Устройство для реализации заявленного способа управления работает следующим образом. В исходном состоянии тиристор 4 выключен и напряжение на нем положительно. На одном из выходов триггера 15 присутствует разрешающий логический сигнал высокого уровня, который активирует один из ключей (16, 17), управляемых напряжением. В результате на генератор частоты 20 подается напряжение, определяемое напряжением одного из источников 18 или 19. В результате на формирователь импульсов 21 подается сигнал с определенной частотой, по фронту которого формируется импульс достаточной длительности для включения тиристора 4. Сигнал управления через выходной каскад 22 подается на управляющий электрод тиристора 4. Выходной каскад 22 обеспечивает усиление управляющего импульса до требуемого уровня и гальваническую развязку силовой и информационной частей устройства. При включении тиристора 4 происходит колебательный разряд и перезаряд коммутирующего конденсатора 6 через коммутирующий дроссель 3 и нагрузку 7. После спада тока тиристора 4 до нуля включается встречный диод 5 и происходит разряд коммутирующего конденсатора 6 в обратном направлении. Разряд коммутирующего конденсатора 6 обеспечивает рекуперацию излишней реактивной энергии, накопленной в электромагнитном поле элементов контура коммутации, и стабилизацию режима работы инвертора в условиях изменяющейся нагрузки. При работе встречного диода 5 напряжение на тиристоре 4 принимает отрицательное значение, по фронтам которого формируется прямоугольный импульс, одновременно формирователь синхроимпульса 12 запускает ждущий мультивибратор 13, длительность сигнала которого задается согласно паспортному времени выключения применяемого тиристора 4. В логической схеме 14 сравниваются длительности двух сигналов и вырабатывается импульс рассогласования, который активирует триггер 15. Логическая схема 14 состоит из двух блоков на элементах НЕ и И, и реализует алгоритм согласно таблицам истинности (таблица 1, 2). При штатном режиме работы схемы длительность сигнала с датчика 11 превышает длительность сигнала с мультивибратора 13, что соответствует появлению разрешающего положительного импульса на выходе второго блока логической схемы 14 (таблица 2). На второй вход триггера 15 подается управляющий импульс, что приводит к появлению сигнала высокого уровня на первом выходе триггера 15, в результате открывается ключ 17, и на генератор частоты 20 подается напряжение источника 19. Напряжение источника 19 подобрано таким образом, чтобы генератор частоты 20 выдавал импульсы с резонансной частотой работы применяемой схемы тиристорного инвертора 1.
Таблица 1Таблица истинности 1-го блока ЛС
Таблица 2Таблица истинности 2-го блока ЛС
U<sub>VD</sub>
U<sub>ОП</sub>
U<sub>ВЫХ</sub>
U<sub>VD</sub>
U<sub>ОП</sub>
U<sub>ВЫХ</sub>
0
0
0
0
0
0
0
1
1
0
1
0
1
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
При «аварийном» режиме работы схемы, когда время, необходимое тиристору для восстановления запирающих свойств, становится меньше заданного, длительность сигнала с датчика 11 становится меньше длительности сигнала с мультивибратора 13, что соответствует появлению разрешающего положительного импульса на выходе первого блока логической схемы 14 (таблица 1). Соответственно, на первый вход триггера 15 подается управляющий импульс, что приводит к появлению сигнала высокого уровня на втором выходе триггера 15, в результате открывается ключ 16, и на генератор частоты 20 подается напряжение источника 18. Напряжение источника 18 подобрано таким образом, чтобы генератор частоты 20 выдавал импульсы с частотой, меньшей резонансной частоты на приращение Δf, которое выбирается в зависимости от параметров и схемы тиристорного инвертора 1.
Пример конкретной реализации способа
Предлагаемый способ реализован на имитационной модели в среде OrCAD. Для реализации была выбрана схема несимметричного одноячейкового резонансного инвертора со встречно-параллельным диодом с удвоением частоты мощностью в нагрузке 25 кВт и частотой в нагрузке 22 кГц. В качестве моделей полупроводниковых элементов использовались модель тиристора ТБ143-630-14 и модель диода ДЧ143-800-20 [Болотовский Ю.И., Таназлы Г.И. OrCAD. Моделирование. «Поваренная» книга. - М.: СОЛОН-Пресс, 2005. - с.142-154]. Параметры ждущего мультивибратора 13 рассчитаны на длительность заданного сигнала, равную 18,5 мкс. Значения источников напряжения 18 и 19 выбраны таким образом, чтобы частота управления соответствовала 10,7 кГц и 11 кГц. «Аварийный» режим создавался изменением частоты при частотном регулировании мощности. При достижении значения частоты управления уровня, приводящего к снижению времени выключения тиристора ниже заданного, система срабатывала и не допускала срыва инвертирования по причине недостаточного времени для восстановления запирающих свойств тиристора. При изменении частоты в сторону увеличения времени, необходимого для восстановления запирающих свойств тиристора, система прекращала работать.
Итак, заявляемое изобретение позволяет повысить надежность работы тиристорного резонансного инвертора со встречно-параллельными диодами при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами за счет обеспечения времени, необходимого для восстановления управляющих свойств тиристора.