СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ЧАСТОТЫ С ЯВНО ВЫРАЖЕННЫМ ЗВЕНОМ ПОСТОЯННОГО ТОКА
METHOD TO CONTROL FREQUENCY CONVERTER WITH PRONOUNCED DC LINK

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 преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока.
D
Известен способ управления преобразователем частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, работающим с выходной частотой f на нагрузочный контур параллельного вида, подключенный к выходным выводам преобразователя частоты через коммутирующий дроссель, содержащим выпрямитель, дроссель фильтра с индуктивностью L, управляемый вентиль и разделительный конденсатор, по которому формируют и подают сигнал управления на управляемый вентиль, снимают сигнал управления с управляемого вентиля в момент колебательного спада мгновенного тока через управляемый вентиль до нулевого уровня за счет естественного выключения управляемого вентиля при спаде тока (Тиристорные преобразователи частоты / А.К.Белкин, Т.П.Костюкова, Л.Э.Рогинская и др. - М.: Энергоатомиздат, 2000. - С.56-61).
Недостатком известного способа управления является низкая надежность работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на электротехнологическую нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами и высокой добротностью из-за возможных режимов прерывистого выходного тока выпрямителя (тока дросселя фильтра) при малых нагрузках. Режим прерывистого тока приводит к сбою в работе преобразователя частоты. Применение неуправляемого выпрямителя не позволяет обеспечить перевод его в режим инвертора, ведомого сетью при отключениях и авариях, что также снижает надежность работы устройства в целом.
D
Известен способ управления преобразователем частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, работающим с выходной частотой f на нагрузочный контур параллельного вида, подключенный к выходным выводам преобразователя частоты через коммутирующий дроссель, содержащим управляемый выпрямитель, дроссель фильтра с индуктивностью L, управляемый вентиль и разделительный конденсатор, по которому формируют и подают сигнал управления на управляемый вентиль, снимают сигнал управления с управляемого вентиля в момент колебательного спада мгновенного тока через управляемый вентиль до нулевого уровня за счет естественного выключения управляемого вентиля при спаде тока (Преобразователь частоты полупроводниковый. Серия ППЧ большой мощности. Техническое описание и инструкция по эксплуатации КУЗ.202.032 ТО. НПП «Курай», г.Уфа, 2008 г.).
Недостатком известного способа управления является низкая надежность работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на электротехнологическую нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами и высокой добротностью из-за возможных режимов прерывистого выходного тока выпрямителя (тока дросселя фильтра) при малых нагрузках и в переходных процессах. Режим прерывистого тока приводит к сбою в работе преобразователя частоты. Применение нерегулируемого выпрямителя не позволяет обеспечить перевод его в режим инвертора, ведомого сетью при отключениях и авариях, что также снижает надежность работы устройства в целом.
D
Известен способ управления преобразователем частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, работающим с выходной частотой f на нагрузочный контур параллельного вида, подключенный к выходным выводам преобразователя частоты через коммутирующий дроссель, содержащим управляемый выпрямитель с фазовым регулированием, дроссель фильтра с индуктивностью L, управляемый вентиль и разделительный конденсатор, по которому формируют и подают сигнал управления на управляемый вентиль, снимают сигнал управления с управляемого вентиля в момент колебательного спада мгновенного тока через управляемый вентиль до нулевого уровня (П. 0071834 РФ, МКИ Н02М 5/45. Преобразователь частоты / Е.М.Силкин // Б.И. - 2008. - №8).
Данный способ управления является наиболее близким по технической сущности к изобретению и используется в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является низкая надежность работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на электротехнологическую нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами и высокой добротностью из-за возможных режимов прерывистого выходного тока выпрямителя (тока дросселя фильтра) при малых нагрузках и в переходных процессах. Режим прерывистого тока приводит к сбою в работе преобразователя частоты.
Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока на электротехнологическую нагрузку с изменяющимися в широких пределах параметрами и высокой добротностью, что является целью изобретения.
D
D
D
D
v
D
D
D
D
v
Указанная цель достигается тем, что в способе управления преобразователем частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, работающим с выходной частотой f на нагрузочный контур параллельного вида, подключенный к выходным выводам преобразователя частоты через коммутирующий дроссель, содержащим управляемый выпрямитель с фазовым регулированием, дроссель фильтра с индуктивностью L, управляемый вентиль и разделительный конденсатор, по которому задают уровень минимального тока дросселя фильтра L, измеряют мгновенные значения токов дросселя фильтра i и управляемого вентиля и мгновенные напряжения на выходе выпрямителя u и на управляемом вентиле u, формируют и подают сигнал управления на управляемый вентиль в момент выполнения равенства u=fL(I-i)+u, снимают сигнал управления с управляемого вентиля в момент колебательного спада мгновенного тока через управляемый вентиль до нулевого уровня.
Повышение надежности работы преобразователя частоты является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе управления и порядком их осуществления, то есть отличительными признаками изобретения.
D
При заявляемом способе управления преобразователем частоты с явно выраженным звеном постоянного тока исключаются возможные режимы прерывистого тока дросселя фильтра. Реализуется новый эффективный алгоритм самовозбуждения. По заявляемому способу самовозбуждения текущее изменение выходного тока выпрямителя i на заданном периоде выходной частоты f преобразователя компенсируется на следующем периоде. То есть получаем быстродействующий регулятор (стабилизатор) минимального тока дросселя фильтра
D
D
I. Регулятор минимального тока I имеет, таким образом, предельное быстродействие, обеспечивая устойчивую и надежную работу преобразователя частоты при минимальной нагрузке и в переходных процессах на изменяющуюся электротехнологическую нагрузку с высокой добротностью. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления преобразователем частоты с явно выраженным звеном постоянного тока являются существенными.
На фиг.1 приведена принципиальная схема преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, на фиг.2 - функциональная схема реализации системы управления преобразователем частоты по заявляемому способу управления, на фиг.3 даны временные диаграммы сигналов в схеме преобразователя частоты, поясняющие принцип управления.
D
D.
D
D
v
D
D
D
D
v
Способ управления преобразователем частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, работающим с выходной частотой f на нагрузочный контур параллельного вида, подключенный к выходным выводам преобразователя частоты через коммутирующий дроссель, содержащим управляемый выпрямитель с фазовым регулированием, дроссель фильтра с индуктивностью L, управляемый вентиль и разделительный конденсатор реализуется следующими действиями. Задают уровень минимального тока дросселя фильтра LИзмеряют мгновенные значения токов дросселя фильтра i и управляемого вентиля и мгновенные напряжения на выходе выпрямителя u и на управляемом вентиле u. Формируют и подают сигнал управления на управляемый вентиль в момент выполнения равенства u=fL(I-i)+u. Снимают сигнал управления с управляемого вентиля в момент колебательного спада мгновенного тока через управляемый вентиль до нулевого уровня.
Преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока (фиг.1) содержит управляемый выпрямитель с фазовым регулированием на шести тиристорах 1…6 и подключенную к выходным выводам управляемого выпрямителя через дроссель фильтра 7 последовательную цепь, включающую нагрузочный контур параллельного вида, состоящий из компенсирующего конденсатора 8 и индуктора (нагрузки) 9, разделительный конденсатор 10 и коммутирующий дроссель 11, зашунтированную управляемым вентилем 12 с встречно-параллельным диодом 13.
Функциональная схема реализации системы управления преобразователем частоты по заявляемому способу управления (фиг.2) содержит вторую последовательную цепь, включающую датчик мгновенного тока дросселя фильтра 14, сумматор 15, второй сумматор 16, усилитель 17, компаратор 18, формирователь импульсов 19, RS-триггер 20, выходной каскад 21, выходной вывод которого соединяется с управляющим электродом управляемого вентиля, источник задания уровня минимального тока дросселя фильтра 22, выход которого подключен к второму входу сумматора, датчик мгновенного напряжения 23 на управляемом вентиле, выход которого соединен с вторым входом второго сумматора, датчик мгновенного напряжения 24 на выходе выпрямителя, выход которого подключен к второму входу компаратора, третью последовательную цепь, включающую датчик мгновенного тока управляемого вентиля 25, нуль-орган 26 и второй формирователь импульсов 27, выход которого соединен с вторым входом сброса (R) RS-триггера.
D
D
D
D
v.
2
D
D
D
D
D
D
D
D
D
D
v
D
Преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока в установившемся режиме работает следующим образом. Сигнал управления на управляемый вентиль 12 формируется в момент выполнения равенства u=fL(I-i)+u Указанный момент времени (t на диаграммах фиг.3) в общем случае при уменьшении тока i дросселя фильтра 7 наступает ранее момента перехода мгновенного напряжения на нагрузочном колебательном контуре (элементы 8, 9) через нуль в область (фиг.3 - диаграмма 8) условно отрицательных значений (+на нижней по схеме фиг.1 обкладке компенсирующего конденсатора 8). Таким образом, преобразователь частоты работает с углами опережения. Величина угла опережения возрастает с уменьшением мгновенного тока i дросселя фильтра 7, что приводит к росту реактивной составляющей тока нагрузочного контура (8, 9) и, следовательно, к возрастанию тока дросселя фильтра i в следующем периоде работы. Ток i дросселя фильтра 7 измеряется датчиком тока 14. В сумматоре 15 формируется сигнал, пропорциональный разности I-i. Минимальный уровень тока I дросселя фильтра 7 задается источником задания 22. Во втором сумматоре 16 формируется сигнал, пропорциональный выражению fL (I-i)+u, который масштабируется усилителем 17. Сравнение сигналов с выхода усилителя 17 и с выхода второго датчика 24 мгновенного напряжения u на выходе выпрямителя осуществляется в компараторе 18. Формирователем импульсов 19 в момент сравнения (момент времени
2
1
7
D
3
t) по сигналу компаратора 18 вырабатывается короткий импульс (диаграмма 19 фиг.3), переводящий RS-триггер 20 по входу установки S в заданное состояние. По сигналу RS-триггера 20 выходной каскад 21 формирует сигнал управления на управляемый вентиль 12. Выходной каскад 21 обеспечивает необходимую форму, усиление сигнала управления и необходимую гальваническую развязку системы управления преобразователя от силовой части схемы. Форма сигнала и временные соотношения (t…t) представлены на диаграмме 21 фиг.3. Сигнал управления с выхода выходного каскада 21 поступает на управляющий электрод управляемого вентиля 12. Управляемый вентиль 12 включается и начинает проводить ток по колебательному закону в цепи коммутации 10-(8, 9)-12-11-10, что обеспечивается выбором параметров элементов 8…11. Ток управляемого вентиля (ячейки) 12 измеряется датчиком тока 25 (фиг.2). Форма кривой мгновенного тока в цепи коммутации приведена на диаграмме 25 фиг.3. Дроссель фильтра 7 имеет индуктивное сопротивление на рабочей частоте инвертора f, превышающее эквивалентное сопротивление нагрузочного контура (8, 9) в несколько раз, что обеспечивает качественное сглаживание выходного тока выпрямителя i. Однако мгновенный ток выпрямителя не остается постоянным из-за изменения параметров нагрузки, фазового регулирования выпрямителя и в переходных процессах. После колебательного спада мгновенного тока управляемого вентиля 12 до нулевого уровня сигнал управления снимается (диаграмма 21 фиг.3). Это происходит следующим образом. При спаде тока управляемого вентиля 12 до нуля на выходе нуль-органа 26 формируется сигнал, который поступает на вход второго формирователя импульсов 27, формирующего короткий импульс (диаграмма 27 фиг.3) для сброса RS-триггера 20. Сброс (R) RS-триггера 20 приводит к снятию сигнала управления с выхода выходного каскада 21. Управляемый вентиль 12 выключается (момент времени t). Параметры элементов схемы 8…11, собственная частота нагрузочного контура параллельного вида (8, 9) и частота управления (самовозбуждения) f выбираются таким образом, чтобы процессы в коммутирующей цепи 10-(8, 9)-12-11-10 носили колебательный характер. В результате, после выключения управляемого вентиля 12 (момент времени
3
4
D
D
D
v
6
7
6
t) включается и проводит ток встречно-параллельный диод 13 (диаграмма 25 фиг.3). После колебательного спада тока встречно-параллельного диода 13 до нулевого уровня (момент времени t) в работе преобразователя частоты наступает пауза, которая продолжается до очередного выполнения равенства u=fL(Id-i)+u (момент времени t). Следующий временной интервал проводимости управляемого вентиля 12 равен t-t. Моменты перехода мгновенного напряжения на нагрузочном колебательном контуре (8, 9) через нуль в область условно положительных значений
1
5
D
D
D
D
D
(t, t) системой управления преобразователя частоты не обрабатываются. Преобразователь частоты с явно выраженным звеном постоянного тока, таким образом, работает в режиме самовозбуждающегося релаксатора первого вида. Реализуется режим стабилизации минимального тока i дросселя фильтра 7. С уменьшением тока i дросселя фильтра 7 (диаграммы 22, 14 фиг.3) угол опережения увеличивается, а с восстановлением величины тока i угол опережения уменьшается. Регулятор минимального тока I работает с максимально возможным быстродействием. Изменение тока i дросселя фильтра 7 на текущем периоде выходной частоты f полностью компенсируется на следующих периодах.
Управляемый вентиль 12 при реализации инвертора может быть выполнен
одно- или двухоперационным, то есть полностью управляемым, симметричным или несимметричным (обычные, запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированное ключи). Сумматоры 15, 16 могут быть выполнены на операционных усилителях. Датчики тока 14, 25 реализуется на основе элементов Холла. Выходной каскад 21 выполняется по любой из известных схем для соответствующего (принятого) типа вентиля.
На диаграммах фиг.3 использованы следующие обозначения. Сигнал управления вентилем обозначен как 21, напряжение на нагрузке (компенсирующем конденсаторе) - 8, ток вентильной ячейки (датчика тока 25) - 25, сигналы формирователей импульсов 19 и 27, сигнал источника задания уровня минимального тока дросселя фильтра - 22, ток дросселя фильтра (датчика тока 14) - 14, текущее время - t.
Нагрузка преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока представляет собой колебательный контур параллельного типа с изменяющимися в широких пределах параметрами и высокой добротностью. При этом напряжение на выходе выпрямителя (элементы 1…6) при фазовом регулировании является пульсирующим, что приводит к изменению величины его выходного тока.
По сравнению с прототипом при управлении по заявляемому способу может быть значительно повышена надежность работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока. При заявляемом способе управления преобразователем частоты исключаются возможные режимы прерывистого тока дросселя фильтра. По новому способу самовозбуждения текущее изменение выходного тока выпрямителя на заданном периоде выходной частоты устройства компенсируется на следующих периодах. То есть получаем быстродействующий стабилизатор минимального тока дросселя фильтра. Регулятор минимального тока обеспечивает устойчивую и надежную работу преобразователя частоты при минимальной нагрузке, фазовом регулировании выпрямителя и в переходных процессах при работе на изменяющуюся электротехнологическую нагрузку с высокой добротностью.
Также повышается надежность работы преобразователя частоты на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку высокой добротности за счет снижения амплитудных величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов при использовании режима ведомого сетью инвертора при отключениях и в аварийных процессах, уровней перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, возникающих при их выключении, уровней коммутационных потерь и электромагнитных помех, возникающих при коммутациях управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, обеспечения ограничения тока при аварийных замыканиях выходных выводов преобразователя на корпус за счет дросселя фильтра, фазового регулирования и сеточной защиты снятием импульсов управления тиристорами выпрямителя. Снижаются статические и динамические потери энергии в полупроводниковых структурах управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, что улучшает условия их работы. Повышается устойчивость преобразователя при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку за счет снижения вероятности сбоев в системе управления.
Повышение надежности работы позволяет использовать преобразователь частоты с новым способом управления для питания ответственных потребителей, что, в целом, дополнительно расширяет области его эффективного применения.
Повышение надежности работы преобразователя частоты с явно выраженным звеном постоянного тока оценивается по времени наработки на отказ. Согласно экспериментальным исследованиям и экспертным оценкам время наработки на отказ преобразователя частоты с управлением по заявляемому способу может быть увеличено на 50…60%.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия преобразователя частоты 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 и встречно-параллельных диодов, рекуперация части энергии перенапряжений в нагрузку и питающую сеть).
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть упрощена конструкция силовой части преобразователя частоты при выполнении устройства на заданную мощность и уменьшена ее стоимость за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой.