СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ НЕСИММЕТРИЧНЫМ ОДНОКЛЮЧЕВЫМ СОГЛАСОВАННЫМ ИНВЕРТОРОМ С ЗАКРЫТЫМ ВХОДОМ И РЕЗОНАНСНОЙ КОММУТАЦИЕЙ
METHOD FOR CONTROL OF ASYMMETRIC SINGLE-KEY MATCHED INVERTER WITH CLOSED INPUT AND RESONANT SWITCHING

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 расширяет область применения несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией.
Известен способ управления несимметричным одноключевым согласованным инвертором с закрытым входом и резонансной коммутацией, работающим на нагрузочный контур, подключенный к выходным выводам инвертора через коммутирующий дроссель, содержащим дроссель фильтра, управляемый вентиль и разделительный конденсатор, заключающийся в том, что 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 при спаде мгновенного тока управляемого вентиля (Тиристорные преобразователи повышенной частоты для электротехнологических установок / Е.И.Беркович, Г.В.Ивенский, Ю.С.Иоффе и др. - Л.: Энергоатомиздат, 1983. - С.48-52).
Недостатком известного способа управления является узкая область применения несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией, что обусловлено технологическими ограничениями при использовании его для питания удаленных нагрузок с изменяющимися в широких пределах параметрами и высокой добротностью. Применение независимого возбуждения неэффективно при работе несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией на нагрузку с высокой добротностью. Питание удаленных нагрузок с известным способом управления и используемым принципом компенсации реактивности нагрузки является затруднительным или невозможным.
Известен способ управления несимметричным одноключевым согласованным инвертором с закрытым входом и резонансной коммутацией, работающим на нагрузочный контур параллельного вида, подключенный к выходным выводам инвертора через коммутирующий дроссель, содержащим дроссель фильтра, управляемый вентиль и разделительный конденсатор, заключающийся в том, что 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 при спаде мгновенного тока управляемого вентиля, изменяют частоту подачи импульсов управления на вентиль (Тиристорные преобразователи частоты/А.К. Белкин, Т.П.Костюкова, Л.Э.Рогинская и др. - М.: Энергоатомиздат, 2000 - С.56-61).
Недостатком способа управления является узкая область применения несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией, что обусловлено технологическими ограничениями по использованию его для питания удаленных нагрузок. Применение независимого возбуждения с подстройкой частоты неэффективно при работе несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией на нагрузочный контур параллельного типа. Использование инвертора для питания удаленных нагрузок с известным способом управления является затруднительным или невозможным. Дополнительное ограничение связано с относительной сложностью схемы компенсации реактивности нагрузки.
Известен способ управления несимметричным одноключевым согласованным инвертором с закрытым входом и резонансной коммутацией, работающим на нагрузочный контур параллельного вида, подключенный к выходным выводам инвертора через коммутирующий дроссель, содержащим дроссель фильтра, управляемый вентиль и разделительный конденсатор, заключающийся в том, что 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 // БИ - 2008. - №8).
Данный способ управления является наиболее близким по технической сущности к изобретению и используется в качестве прототипа.
Недостатком прототипа является узкая область применения несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией, что обусловлено технологическими ограничениями по использованию его для питания удаленных нагрузок. Распространенное применение независимого возбуждения с подстройкой частоты неэффективно при работе несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией на нагрузочный контур параллельного типа. Использование способа самовозбуждения с синхронизацией по сигналу выходного напряжения (напряжения на колебательном контуре) усложняет инвертор, так как требует передачи информационного сигнала синхронизации на значительное расстояние (от удаленной нагрузки к системе управления инвертором), что в большинстве случаев является затруднительным или невозможным.
Изобретение направлено на решение задачи расширения области применения несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией, что является целью изобретения.
Указанная цель достигается тем, что в способе управления несимметричным одноключевым согласованным инвертором с закрытым входом и резонансной коммутацией, работающим на нагрузочный контур параллельного вида, подключенный к выходным выводам инвертора через коммутирующий дроссель, содержащим дроссель фильтра, управляемый вентиль и разделительный конденсатор, измеряют мгновенные напряжения на входных выводах инвертора, дросселе фильтра, коммутирующем дросселе и разделительном конденсаторе, мгновенный ток через управляемый вентиль, формируют и подают сигнал управления на управляемый вентиль в момент равенства мгновенного напряжения на входных выводах инвертора сумме мгновенных напряжений на дросселе фильтра, коммутирующем дросселе и разделительном конденсаторе, снимают сигнал управления с управляемого вентиля в момент колебательного спада мгновенного тока через управляемый вентиль до нулевого уровня.
Расширение области применения является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями в способе управления и порядком их осуществления, то есть отличительными признаками изобретения.
При заявляемом способе управления несимметричный одноключевой согласованный инвертор с закрытым входом и резонансной коммутацией приобретает положительные свойства согласованного инвертора параллельного типа нового класса, отличительными особенностями которого являются возможность эффективного питания удаленных электротехнологических нагрузок с изменяющимися в широких пределах параметрами и работа при параллельной компенсации реактивности нагрузки высокой добротности. Техническая реализация способа не требует формирования и передачи информационных сигналов на значительные расстояния с элементов нагрузочного контура. Все необходимые информационные сигналы получают с элементов инвертора. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа управления параллельным инвертором напряжения являются существенными.
На фиг.1 приведена принципиальная схема одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией, на фиг.2 - функциональная схема реализации системы управления инвертором по заявляемому способу управления, на фиг.3 - временные диаграммы сигналов в схеме инвертора, поясняющие принцип управления одноключевым согласованным инвертором с закрытым входом и резонансной коммутацией.
Способ управления несимметричным одноключевым согласованным инвертором с закрытым входом и резонансной коммутацией, работающим на нагрузочный контур параллельного вида, подключенный к выходным выводам инвертора через коммутирующий дроссель, содержащим дроссель фильтра, управляемый вентиль и разделительный конденсатор, реализуется следующими действиями. Измеряют мгновенные напряжения на входных выводах инвертора, дросселе фильтра, коммутирующем дросселе и разделительном конденсаторе и мгновенный ток через управляемый вентиль. Формируют и подают сигнал управления на управляемый вентиль в момент равенства мгновенного напряжения на входных выводах инвертора сумме мгновенных напряжений на дросселе фильтра, коммутирующем дросселе и разделительном конденсаторе. Снимают сигнал управления с управляемого вентиля в момент колебательного спада мгновенного тока через управляемый вентиль до нулевого уровня.
Несимметричный одноключевой согласованный инвертор с закрытым входом и резонансной коммутацией (фиг.1) содержит подключенную к входным выводам инвертора через дроссель фильтра 1 последовательную цепь, включающую нагрузочный колебательный контур параллельного вида, состоящий из компенсирующего конденсатора 2 и индуктора (нагрузки) 3, разделительный конденсатор 4 и коммутирующий дроссель 5, зашунтированную управляемым вентилем 6 с встречно-параллельным диодом 7.
Функциональная схема реализации системы управления инвертором по заявляемому способу управления (фиг.2) содержит вторую последовательную цепь, включающую датчик мгновенного напряжения 8 на входных выводах (+\-) инвертора, компаратор 9, формирователь импульсов 10, RS-триггер 11, выходной каскад 12, выходной вывод которого соединяется с управляющим электродом управляемого вентиля, третью последовательную цепь, включающую датчик мгновенного тока управляемого вентиля 13, нуль-орган 14 и второй формирователь импульсов 15, выход которого соединен с вторым входом сброса (R) RS-триггера, второй, третий и четвертый датчики мгновенного напряжения 16 на дросселе фильтра, 17 на коммутирующем дросселе и 18 на разделительном конденсаторе, выходы которых соединены с входами сумматора 19, выход сумматора соединен с вторым входом компаратора.
2
2
1
7
3
4
6
7
6
1
5
Несимметричный одноключевой согласованный инвертор с закрытым входом и резонансной коммутацией в установившемся режиме работает следующим образом. Сигнал управления на управляемый вентиль 6 формируется в момент перехода мгновенного напряжения на нагрузочном колебательном контуре (2, 3) через нуль (момент времени t на диаграммах фиг.3) в область (фиг.3 - диаграмма 2) условно отрицательных значений (+ на нижней по схеме фиг.1 обкладке компенсирующего конденсатора 2). Напряжение на нагрузочном колебательном контуре (2, 3) равно нулевому значению. Следовательно, мгновенное напряжение на входных выводах (+\-) инвертора равно сумме мгновенных напряжений на дросселе фильтра 1, коммутирующем дросселе 5 и разделительном конденсаторе 4. Мгновенные напряжения на входных выводах (+\-) инвертора, на дросселе фильтра 1, на коммутирующем дросселе 5 и на разделительном конденсаторе 4 измеряются датчиками напряжения 8, 16…18 (фиг.2). Сигналы, пропорциональные мгновенным напряжениям на дросселе фильтра 1, на коммутирующем дросселе 5 и на разделительном конденсаторе 4, складываются в сумматоре 19. Результирующий сигнал сумматора 19 сравнивается с сигналом, пропорциональным мгновенному напряжению на входных выводах (+\-) инвертора, в компараторе 9. Формирователем импульсов 10 в момент сравнения (момент времени t) по сигналу компаратора 9 вырабатывается короткий импульс, переводящий RS-триггер 11 по входу S в заданное состояние. По сигналу RS-триггера 11 выходной каскад 12 формирует сигнал управления на управляемый вентиль 6. Выходной каскад 12 обеспечивает необходимую форму, усиление сигнала управления и необходимую гальваническую развязку системы управления инвертора от силовой части схемы. Форма сигнала и временные соотношения (t…t) представлены на диаграмме 12 фиг.3. Сигнал управления с выхода выходного каскада 12 поступает на управляющий электрод управляемого вентиля 6. Управляемый вентиль 6 включается и начинает проводить ток по колебательному закону в цепи коммутации 4-(2,3)-6-5-4, что обеспечивается выбором параметров элементов 2…5. Ток управляемого вентиля (ячейки) измеряется датчиком тока 13 (фиг.2). Форма кривой мгновенного тока в цепи коммутации приведена на диаграмме 13 фиг.3. Дроссель фильтра 1 имеет индуктивное сопротивление на рабочей частоте инвертора, превышающее эквивалентное сопротивление нагрузочного контура (2, 3) в несколько раз, что обеспечивает качественное сглаживание входного тока устройства. После колебательного спада мгновенного тока управляемого вентиля 6 до нулевого уровня сигнал управления снимается (диаграмма 12 фиг.3). Это происходит следующим образом. При спаде тока управляемого вентиля 6 до нуля на выходе нуль-органа 14 формируется сигнал, который поступает на вход второго формирователя импульсов 15, формирующего короткий импульс (диаграмма 15 фиг.3) для сброса RS-триггера 11. Сброс (R) RS-триггера приводит к снятию сигнала управления с выхода выходного каскада 12. Управляемый вентиль 6 выключается (момент времени k). Параметры элементов схемы 2.5, собственная частота нагрузочного контура параллельного вида (2, 3) и частота управления (самовозбуждения) выбираются таким образом, чтобы процессы в коммутирующей цепи 4-(2,3)-6-5-4 носили колебательный характер. В результате после выключения управляемого вентиля 6 (момент времени t) включается и проводит ток встречно-параллельный диод 7 (диаграмма 13 фиг.3). После колебательного спада тока встречно-параллельного диода 7 до нулевого уровня (момент времени t) в работе инвертора наступает пауза, которая продолжается до очередного перехода мгновенного напряжения на нагрузочном колебательном контуре (2, 3) через нуль (момент времени t на диаграммах фиг.3) в область (фиг.3 - диаграмма 2) условно отрицательных значений (+ на нижней по схеме фиг.1 обкладке компенсирующего конденсатора 2). Следующий временной интервал проводимости управляемого вентиля 6 равен t-t. Моменты перехода мгновенного напряжения на нагрузочном колебательном контуре (2, 3) через нуль в область условно положительных значений (t, t) системой управления инвертора не обрабатываются. Несимметричный одноключевой согласованный инвертор с закрытым входом и резонансной коммутацией, таким образом, работает в режиме самовозбуждающегося релаксатора первого вида.
Элементы 1, 4…7 схемы входят в состав конструкции инвертора. Элементы 2, 3 образуют нагрузочный контур и, как правило, находятся на значительном расстоянии от инвертора, например в технологическом цехе.
Управляемый вентиль 6 при реализации инвертора может быть выполнен одно- или двухоперационным, то есть полностью управляемым, симметричным или несимметричным (обычные, запираемые тиристоры, транзисторы различных типов, комбинированные ключи). Сумматор 19 может быть выполнен на операционном усилителе. Датчик тока 13 реализуется на основе элемента Холла. Выходной каскад 12 выполняется по любой из известных схем для соответствующего типа вентиля.
На диаграммах фиг.3 использованы следующие обозначения. Сигнал управления вентилем обозначен как 12, напряжение на нагрузке (компенсирующем конденсаторе) - 2, ток вентильной ячейки (датчика тока) - 13, сигналы формирователей импульсов 10 и 15, текущее время - t.
Нагрузка автономного несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией представляет собой колебательный контур параллельного типа. При этом инвертор питается от источника знакопостоянного регулируемого напряжения на входе, например, управляемого выпрямителя.
По сравнению с прототипом при управлении по заявляемому способу может быть расширена область применения несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией. При заявляемом способе управления несимметричный одноключевой согласованный инвертор с закрытым входом и резонансной коммутацией приобретает положительные свойства согласованного инвертора параллельного типа нового класса, отличительными особенностями которого являются возможность эффективного питания удаленных электротехнологических нагрузок с изменяющимися в широких пределах параметрами и работа при параллельной компенсации реактивности нагрузки высокой добротности. Техническая реализация способа не требует формирования и передачи информационных сигналов на значительные расстояния с удаленных, например, по технологическим требованиям элементов нагрузочного контура. Все необходимые информационные сигналы для системы управления, а также для качественного регулирования режимов получают с доступных элементов, входящих в состав инвертора (дроссель фильтра, коммутирующий дроссель, разделительный конденсатор).
Дополнительно повышается надежность работы согласованного инвертора на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку высокой добротности. Это достигается снижением амплитудных величин токов управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов за счет использования параллельной компенсации реактивности нагрузки, уровней перенапряжений на управляемых вентилях и встречно-параллельных диодах, возникающих при их выключении, уровней коммутационных потерь и электромагнитных помех, возникающих при включении и выключении управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, обеспечением ограничения тока источника питания инвертора при аварийных замыканиях выходных выводов инвертора напряжения на корпус нагрузки за счет дросселя фильтра. Повышается устойчивость автономного инвертора при работе на изменяющуюся в широких пределах электротехнологическую нагрузку (например, на индукционный нагреватель) за счет снижения вероятности сбоев в системе управления. За счет использования заявляемого принципа самовозбуждения практически исключаются сбои в системе управления. Снижаются также статические и динамические потери энергии в полупроводниковых структурах управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов, что улучшает условия их работы. Повышение надежности работы позволяет использовать инвертор для ответственных потребителей, что в целом также расширяет область его эффективного применения. Повышение надежности работы согласованного инвертора оценивается по времени наработки на отказ. Согласно экспериментальным исследованиям и экспертным оценкам время наработки на отказ инвертора с управлением по заявляемому способу может быть увеличено на 25-30%.
По сравнению с прототипом дополнительно повышается коэффициент полезного действия инвертора 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).
Дополнительно (по сравнению с прототипом) может быть упрощена конструкция силовой части несимметричного одноключевого согласованного инвертора с закрытым входом и резонансной коммутацией за счет обеспечения возможности использования управляемых вентилей и встречно-параллельных диодов со сниженными требованиями к их параметрам и более низкой ценой при выполнении устройства (инвертора, преобразователя частоты) на заданную мощность.