ОДНОПОЛЯРНЫЙ НИЗКОЧАСТОТНЫЙ РЕЗОНАНСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ СО ЗВЕНОМ ПОВЫШЕННОЙ ЧАСТОТЫ И СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ НИЗКОЧАСТОТНОГО ВЫХОДНОГО ТОКА
UNIPOLAR LOW-FREQUENCY RESONANT CONVERTER WITH HIGHER FREQUENCY LINK AND METHOD TO GENERATE LOW-FREQUENCY OUTPUT CURRENT

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в качестве источника питания для установок индукционного нагрева.
Широко известны источники питания инверторного типа, содержащие в силовой части сетевой диодный выпрямитель со сглаживающим конденсатором на выходе и подключенный к этому выпрямителю транзисторный инвертор с обратными диодами, нагруженный на силовой трансформатор (см. (см. "Transpocket-1400" - производство Австрии, каталог 1995-96 гг., "Castolin GmbH" - Германия, Krafzwerq, 1994-96 гг., "ДС 200 A1" - Технотрон, Россия; InvertecV 130-S" - Lincoln, США). Высокая частота на выходе инвертора позволяет резко уменьшить габариты силового согласующего трансформатора.
Однако в ряде систем индукционного нагрева требуется воздействие электромагнитных полей низкой частоты, например для перемешивания металла в тигельной плавке или для сквозного нагрева деталей. Включение трансформатора существенно ухудшает энергетические характеристики преобразователя, например при частоте 50 Гц удельная масса трансформатора колеблется в пределах 7-20 кг/кВт. Поэтому для улучшения энергетических характеристик представляется целесообразным применение промежуточного звена повышенной частоты. Принцип работы звена повышенной частоты состоит в промежуточном высокочастотном преобразовании напряжения, за счет чего удается существенно уменьшить массогабаритные параметры согласующего трансформатора (А.В.Кобзев и др. Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием. - М.: Энергоатомиздат, 1986, стр.125).
Известен полупроводниковый преобразователь со звеном повышенной частоты, содержащий последовательно соединенные инвертор, трансформатор, выпрямитель, инвертор и фильтр, выход которого является выходом преобразователя со звеном повышенной частоты (см. книгу Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. - М.: Энергоиздат, 1987, стр.7, структура В2).
Известное устройство может быть использовано в качестве генератора в индукционных нагревательных установках, обеспечивающего питание индуктора.
Недостатком известного устройства является необходимость двойного преобразования из постоянного в переменное напряжение, что уменьшает КПД.
Для устранения этого недостатка может быть применен преобразователь со звеном повышенной частоты, состоящий из однофазного инвертора, трансформатора и реверсивного выпрямителя с нулевой точкой (патент РФ №2414802). Это изобретение является наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению, т.е. прототипом. Реверсивный выпрямитель (циклоконвертер) осуществляет непосредственное преобразование высокочастотного напряжения в напряжение более низкой частоты без промежуточного звена постоянного тока. Циклоконвертер снабжен четырьмя попарно включенными встречно-параллельно тиристорами, которые обеспечивают выпрямление напряжения в обеих полярностях в зависимости от открытой пары тиристоров. В составе преобразователя применяются две системы управления, первая формирует через инверторный мост высокочастотный сигнал переменного тока, а вторая через реверсивный выпрямитель, питание которого осуществляется от вторичной обмотки трансформатора, содержащего среднюю точку, обеспечивает стабилизированное выходное напряжение пониженной частоты.
В прототипе используется способ управления преобразователем, по которому формируют и поочередно подают импульсы управления на транзисторы, формирующие высокочастотный ток с помощью первой системы управления. Вторая система управления реверсивным выпрямителем при положительной полярности низкочастотного выходного напряжения отпирает положительную пару тиристоров реверсивного выпрямителя, и на выходе преобразователя формируется положительная полуволна, при отрицательной полярности схема управления отпирает другую пару тиристоров реверсивного выпрямителя, и на выходе преобразователя формируется отрицательная полуволна.
Главным недостатком прототипа является существенное завышение габаритной мощности тиристоров реверсивного выпрямителя при работе на последовательный резонансный контур. В момент межкоммутационной паузы к тиристорам прикладывается большое напряжение, равное сумме напряжения на компенсирующем конденсаторе резонансного контура и напряжения питания. Учитывая, что индукторные системы имеют большие поля рассеяния, добротность колебательного контура и напряжение на тиристорах достигает больших значений.
Целью изобретения является обеспечение работы трансформатора на высокой частоте при включении на низкочастотный резонансный контур и минимизация габаритных мощностей полупроводниковых элементов, находящихся во вторичной обмотке трансформатора.
Указанная цель достигается тем, что в преобразователе со звеном повышенной частоты, содержащем однофазный инверторный мост со встречно-параллельными диодами, подключенный к трансформатору, вторичные обмотки которого подключены к выпрямителю, и содержащем две системы управления, одна из которых управляет работой транзисторов инвертора, в отличие от прототипа выпрямитель выполнен диодным с нулевой точкой и нагружен на резонансный контур, состоящий из индуктора и последовательно соединенного с ним конденсатора, параллельно резонансному контуру включен тиристор, обеспечивающий протекание обратной полуволны тока индуктора и связанный со второй системой управления.
1
2
1
2
Кроме того, указанная цель достигается тем, что в способе формирования низкочастотного тока индуктора, заключающемся в поочередной подаче импульсов управления на транзисторы инвертора, в отличие от прототипа на такте управления инвертора, интервал t подачи импульсов управления транзисторами, на котором формируется положительная полуволна тока в нагрузке, чередуют с интервалом t нулевой паузы, во время которого с помощью первой системы управления закрывают все транзисторы инвертора, а с помощью второй системы управления отпирают тиристор, включенный параллельно резонансному контуру, обеспечивая режим двойной проводимости тока индуктора и формирование отрицательной полуволны тока нагрузки, при этом интервал подачи управляющих импульсов инвертора всегда меньше интервала нулевой паузы, на котором замыкается тиристор (t<t).
1
1
2
Амплитуду тока индуктора регулируют изменением количества импульсов, формируемых инвертором на интервале возбуждения t, при этом верхняя граница диапазона регулирования ограничена условием t<t.
1
2
В другом варианте осуществления изобретения амплитуду тока индуктора регулируют изменением соотношения количества периодов резонансной частоты, содержащих интервал возбуждения t и количества периодов, содержащих только интервал нулевой паузы t.
В предложенном однополярном резонансном преобразователе инвертор работает в режиме формирования пачек высокочастотных двухполярных импульсов, которые после выпрямления возбуждают в контуре низкочастотные колебания. На оставшейся части периода формируется интервал двойной проводимости: в положительном направлении ток контура замыкается через диоды выпрямителя VD5,VD6, а в отрицательном - через включенный параллельно контуру тиристор VS1.
Техническим результатом изобретений является уменьшение количества тиристоров и уменьшение напряжений на тиристорах и диодах до двойного выходного напряжения трансформатора за счет обеспечения непрерывности тока индуктора.
Далее сущность заявляемых изобретений поясняется рисунками, на которых представлено: на фиг.1 - функциональная схема низкочастотного резонансного преобразователя со звеном повышенной частоты; на фиг.2 - диаграммы, поясняющие реализацию предлагаемого способа формирования низкочастотного тока индуктора.
Р
Функциональная схема низкочастотного резонансного преобразователя частоты (фиг.1) включает инвертор 1, образованный транзисторами VT1, VT2, VT3 и VT4 и встречно параллельными диодами VD1, VD2, VD3 и VD4, выход которого нагружен на трансформатор TV1 с нулевой точкой. Вторичные обмотки трансформатора TV1 подключены к диодному выпрямителю с нулевой точкой 2, образованному диодами VD5, VD6, и питающему нагрузку в виде резонансного контура 3, состоящего из индуктора 4 и последовательно соединенного с ним конденсатора С, ток индуктора измеряется датчиком 5. Параллельно резонансному контуру включен тиристор VS1. Импульсы управления транзисторами инвертора 1 формируются схемой управления 6, которая формирует сигналы, задающие управление поочередного включения транзисторов инвертора. Вторая схема управления 7 формирует сигналы управления тиристором VS1 в зависимости от состояния инвертора 1.
Диаграммы работы заявляемого однополярного резонансного низкочастотного преобразователя представлены на Фиг.2, показаны выходное напряжение инвертора с током контура (а), выходное напряжение выпрямителя с током контура (б), выходной ток инвертора с током контура (в), ток тиристора с током контура (г), ток диода VD5 с током контура (д).
1
2
K
Устройство работает следующим образом: Постоянное напряжение поступает на инвертор 1, работающий в режиме генерации пачек двухполярных импульсов (фиг.2а), поступающих на высокочастотный трансформатор TV1. Вторичные обмотки трансформатора TV1 по схеме с нулевой точкой подключены к выпрямителю 2, который формирует пачку однополярных импульсов (фиг.2б), возбуждающую резонансный контур. Такт управления инвертором 1 состоит из интервала возбуждения контура пачкой высокочастотных импульсов t и интервала нулевой паузы t, в котором для тока резонансного контура I обеспечивается двухсторонняя проводимость, с одной стороны, через диоды выпрямителя VD5, VD6 и с другой стороны, через открытый тиристор VS1.
1
1
2
1
1
1
В режиме возбуждения (интервал t) отпирание транзисторов происходит по алгоритму VT1, VT4-VT2, VT3, обеспечивающему генерацию прямоугольного двухполярного напряжения U (фиг.2а), после выпрямления принимающего форму пачки однополярных импульсов U (фиг.2б), выходной высокочастотный ток инвертора I имеет синусную огибающую тока индуктора (фиг.2в). По окончании интервала t схема управления 6 закрывает все транзисторы инвертора VT1-VT4, а схема управления 7 отпирает тиристор VS1, и преобразователь переходит в режим двусторонней проводимости тока индуктора (интервал t). В этом режиме пока ток индуктора положительный, он протекает через диоды выпрямителя VD5, VD6 (фиг.2д), при смене полярности тока индуктора на отрицательную, ток индуктора протекает через тиристор VS1 (фиг.2г).
2
1
После смены полярности тока индуктора ток через тиристор VS1 прекращается, тиристор запирается, ток индуктора снова переходит в цепь диодов выпрямителя VD5, VD6 (фиг.2д). По истечении интервала t2 включается режим возбуждения контура путем работы инвертора по алгоритму VT1, VT4-VT2, VT3. Далее процессы повторяются. Таким образом, интервал нулевой паузы t обеспечивает непрерывность тока индуктора в моменты смены полярности, и естественно должен превышать длительность интервала возбуждения t на время, обеспечивающее гарантированную смену полярности тока индуктора при возможной нестабильности его фазы в переходных режимах.
Таким образом, на интервале возбуждения ток контура всегда положительный, что позволяет не обеспечивать на нем двустороннюю проводимость, т.е. экономить полупроводниковые элементы.
1
2
0
зап
упр
Определение длительностей интервалов t, t, определяющих режимы работы преобразователя может выполняться путем автоматической подстройки частоты следующим образом: на интервале двухсторонней проводимости с помощью датчика тока 5 определяются точки перехода тока индуктора через ноль t, и с помощью схемы управления 6 сравниваются два временных интервала: интервал запаздывания возбуждения t и интервал упреждения нуля тока t (фиг.2б).
1
зaп
упр
2
зап
упр
t+t+t=t-t-t
1
2
зап
упр
зап
упр
зап
упр
На основании результата сравнения интервалов схема управления 6 регулирует частоту работы инвертора при условии t<t. Если t>t - частота работы инвертора уменьшается, если t<t - частота работы инвертора увеличивается. Процесс происходит до выполнения условия t=t, что является признаком резонансного режима работы преобразователя и гарантией положительного значения тока индуктора на всем интервале возбуждения, а соответственно непрерывности тока индуктора.
1
1
2
Амплитуда тока индуктора в заявляемом устройстве может регулироваться дискретным изменением длительности интервала возбуждения t путем изменения количества импульсов формируемых инвертором на этом интервале. При этом верхняя граница диапазона регулирования ограничена условием t<t. В этом случае точность регулирования будет определяться соотношением частот звена повышенной частоты и выходной частоты преобразователя.
2
Другой способ регулирования основан на возможности однополярного преобразователя находиться весь период низкой резонансной частоты в режиме свободных колебаний, не возбуждая контур, в этом случае период колебаний целиком состоит из интервала нулевой паузы t, характеризующейся двусторонней проводимостью тока контура. Таким образом, путем произвольного сочетания периодов резонансной частоты, содержащих интервал возбуждения контура с периодами, состоящими только из интервала нулевой паузы, можно добиться регулирования тока индуктора. Учитывая большие значения добротности резонансных контуров в индукционном нагреве, регулировочная характеристика будет иметь практически линейный характер, значение тока контура по отношению к его максимальному значению будет определяться выражением
,
B
n
где N - количество периодов, содержащих интервал возбуждения, N - количество периодов, содержащих только интервал нулевой паузы.
В заявляемом изобретении тиристор имеет благоприятные условия переключения, т.е. включается при нулевом напряжении (при открытых диодах выпрямителя). Непрерывность тока индуктора позволяет исключить падение напряжения конденсатора на тиристоре и диодах и соответственно ограничить это напряжение двойным выходным напряжением трансформатора.
Следует отметить, что заявляемое устройство содержит меньше управляемых полупроводниковых элементов на вторичной стороне трансформатора, уменьшает их габаритную мощность, обеспечивает благоприятную коммутацию и, соответственно улучшает экономическую эффективность преобразователя.