Способ парарезонансного управления инвертором тока

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах управления для установок индукционного нагрева. Техническим результатом является повышение коэффициента полезного действия инвертора тока. Способ парарезонансного управления инвертором тока заключается в том, что формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили инвертора тока, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения, измеряют мгновенное значение напряжения на нагрузке, формируют короткий импульс синхронизации в моменты перехода напряжения на нагрузке через нулевое значение. Задают число k, удовлетворяющее выражению b=п (1-k), где b - угол опережения, п - число “пи”. Измеряют интервал времени между моментами перехода напряжения на нагрузке через ноль. Вычисляют второй интервал времени в интервале действия импульса синхронизации путем умножения измеренного интервала времени на заданное число k. Очередные импульсы управления на вентили подают по истечении второго интервала времени. Причем отсчет второго интервала времени начинают в интервале действия импульса синхронизации. Число k задают выражением , где I, E - соответственно входной ток и входное напряжение инвертора тока, q - безразмерный, постоянный нормирующий числовой коэффициент, принимающий значение в интервале (1,0-1,1). 2 ил.

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах управления для установок индукционного нагрева.

Известен способ управления инвертором тока, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура, содержащего индуктор и коммутирующий конденсатор с емкостью С, подключенного к выходным выводам инвертора тока через соединительную линию с индуктивностью L, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке (А.с. СССР 1624638, МКИ Н 02 М 7/523. Инвертор тока / Дздиев С.В., Силкин Е.М., Качан Ю.П. и др.// БИ - 1991. - № 4).

Недостатком способа управления является низкий коэффициент полезного действия инвертора тока, что обусловлено повышенными коммутационными потерями энергии в элементах схемы инвертора тока и работой с завышенной емкостной расстройкой параллельного колебательного контура (низким коэффициентом мощности нагрузки).

Известен способ управления инвертором тока, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура, содержащего индуктор и коммутирующий конденсатор с емкостью С, подключенного к выходным выводам инвертора тока через соединительную линию с индуктивностью L, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, при этом измеряют мгновенное значение напряжения на нагрузке, формируют короткий импульс синхронизации в моменты перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, подают очередные импульсы управления на вентили в момент перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение в интервале действия короткого импульса синхронизации (Патент РФ 2169984, МКИ H 02 М 7/521. Способ управления инвертором тока / Силкин Е.М.// БИ - 2001. - № 18).

Недостатком способа управления является низкий коэффициент полезного действия инвертора тока, что обусловлено повышенными коммутационными потерями энергии в элементах схемы инвертора тока.

Известен способ управления инвертором тока, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура, содержащего индуктор и коммутирующий конденсатор с емкостью С, подключенного к выходным выводам инвертора тока через соединительную линию с индуктивностью L, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, при этом измеряют мгновенное значение напряжения на нагрузке, формируют короткий импульс синхронизации в моменты перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, задают число k, удовлетворяющее выражению b=п(1-k), где b - угол опережения, п - число "пи", измеряют интервал времени между моментами перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, вычисляют второй интервал времени в интервале действия короткого импульса синхронизации путем умножения измеренного интервала времени на заданное число k, подают очередные импульсы управления на вентили по истечении второго интервала времени, причем отсчет второго интервала времени начинают в интервале действия короткого импульса синхронизации (Патент РФ 2199813, МКИ Н 02 М 7/515. Способ управления инвертором тока/ Силкин Е.М. //БИ - 2003. - № 6).

Данный способ управления инвертором тока выбирается в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкий коэффициент полезного действия инвертора тока, что обусловлено повышенными коммутационными потерями энергии в элементах схемы инвертора тока и работой с завышенной и неконтролируемой емкостной расстройкой параллельного колебательного контура (низким коэффициентом мощности при работе на изменяющуюся в широких пределах нагрузку).

Изобретение направлено на решение задачи повышения коэффициента полезного действия инвертора тока, работающего на нагрузку в виде параллельного колебательного контура с изменяющимися в широких пределах параметрами, что является целью изобретения.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления инвертором тока, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура, содержащего индуктор и коммутирующий конденсатор с емкостью С, подключенного к выходным выводам инвертора тока через соединительную линию с индуктивностью L, заключающемся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, при этом измеряют мгновенное значение напряжения на нагрузке, формируют короткий импульс синхронизации в моменты перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, задают число k, удовлетворяющее выражению b=п(1-k), где b - угол опережения, п - число "пи", измеряют интервал времени между моментами перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, вычисляют второй интервал времени в интервале действия короткого импульса синхронизации путем умножения измеренного интервала времени на заданное число k, подают очередные импульсы управления на вентили по истечении второго интервала времени, причем отсчет второго интервала времени начинают в интервале действия короткого импульса синхронизации, число k задают выражением, равнозначным приведенному , где I, E - соответственно входной ток и входное напряжение инвертора тока, q - безразмерный постоянный нормирующий числовой коэффициент, принимающий значение в интервале [1,0-1,1].

Существенным отличием, характеризующим изобретение, является повышение коэффициента полезного действия при работе инвертора тока на изменяющуюся в широких пределах нагрузку за счет снижения коммутационных потерь в элементах схемы инвертора тока при обеспечении коммутации вентилей за счет энергии коммутирующего конденсатора при минимальных уровнях напряжения и работе в режиме, близком к резонансу параллельного колебательного контура, с малой емкостной расстройкой и высоким коэффициентом мощности. Способ управления, обеспечивающий работу инвертора тока в режиме, близком к резонансу параллельного колебательного контура, может быть назван парарезонансным (para, греч. - возле, рядом). Способ парарезонансного управления применим для инверторов тока на полностью управляемых (двухоперационных) вентилях, однооперационных вентилях с искусственной коммутацией, а также на однооперационных вентилях высокого быстродействия с естественной коммутацией при сравнительно низких выходных частотах. Вентили могут быть с обратной блокирующей способностью или асимметричными.

Повышение коэффициента полезного действия при работе инвертора тока на изменяющуюся в широких пределах нагрузку является полученным техническим результатом, обусловленным новыми действиями и порядком их осуществления в способе управления, т.е. отличительными признаками. Таким образом, отличительные признаки заявляемого способа парарезонансного управления инвертором тока являются существенными.

На фиг.1 приведена схема устройства для реализации способа управления, на фиг.2 - временные диаграммы, поясняющие способ.

Способ парарезонансного управления инвертором тока, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура, содержащего индуктор и коммутирующий конденсатор с емкостью С, подключенного к выходным выводам инвертора тока через соединительную линию с индуктивностью L, реализуется следующими действиями. Формируют и поочередно подают импульсы управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке. Причем измеряют мгновенное значение напряжения на нагрузке. Формируют короткий импульс синхронизации в моменты перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, задают число k, удовлетворяющее выражению b=п(1-k), где b - угол опережения, п - число "пи". Измеряют интервал времени между моментами перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение. Вычисляют второй интервал времени в интервале действия короткого импульса синхронизации путем умножения измеренного интервала времени на заданное число k. Подают очередные импульсы управления на вентили по истечении второго интервала времени, причем отсчет второго интервала времени начинают в интервале действия короткого импульса синхронизации. Число k задают выражением, равнозначным приведенному , где I, E - соответственно входной ток и входное напряжение инвертора тока, q - безразмерный постоянный нормирующий числовой коэффициент, принимающий значение в интервале [1,0-1,1].

Устройство для реализации способа управления инвертором тока содержит подключенный к входным выводам через дроссель фильтра 1 однофазный мост на четырех двухоперационных вентилях 2-5 с нагрузкой в виде параллельного колебательного контура, образованного индуктором 6 и коммутирующим конденсатором 7 с емкостью С, подключенной через соединительную линию 8 с индуктивностью L, последовательную цепь, содержащую задающий генератор 9, счетчик 10, регистр 11, арифметическо-логическое устройство 12, таймер 13, распределитель импульсов управления 14 и выходной каскад 15, подключенный к управляющим электродам вентилей, формирующих прямую полуволну тока в нагрузке, второй выходной каскад 16, вход которого подключен к второму выходу распределителя импульсов управления, а выходы соединены с управляющими электродами вентилей, формирующих обратную полуволну напряжения в нагрузке, датчик мгновенного значения напряжения на нагрузке 17, нуль-орган 18, вход которого соединен с выходом датчика мгновенного значения напряжения на нагрузке, а выход подключен к входам синхронизации счетчика, регистра и таймера, второй регистр 19, выход которого соединен с вторым входом арифметическо-логического устройства, устройство задания (задатчик) числа 20, выход которого соединен с входом второго регистра.

Индуктор индукционной установки имеет высокую добротность, в результате чего форма напряжения на нагрузке незначительно отличается от синусоиды. Инвертор тока работает в режиме самовозбуждения. При анализе инвертора тока используют метод первой гармоники, обеспечивающий требуемую точность анализа в условиях хорошей фильтрации выходного параметра.

При управлении инвертором тока по заявляемому способу управления в соответствии с методом первой гармоники максимальное напряжение на вентилях инвертора тока и нагрузке равно

U=аЕ/сos(b),

где а - постоянный (схемный) коэффициент, Е - напряжение питания (входное напряжение) инвертора тока, b - угол опережения. Для схемы однофазного инвертора тока имеем

U=пЕ/2cos(b),

где п - число "пи".

Мгновенное значение напряжения на нагрузке в момент коммутации равно

u=пЕtg(b)/2.

Для угла опережения b можно записать

b/п=(Т-kТ)/Т;

b=п(1-k),

где Т - период повторяемости; k - заданное число.

При управлении инвертором тока по заявляемому способу управления угол опережения b не зависит от периода повторяемости Т (от собственной частоты колебательного контура).

Из последнего выражения получаем

k=1-b/п.

Число k выбирается из условия обеспечения потребления нагрузочным колебательным контуром минимальной реактивной мощности. При этом энергия, накопленная в электрическом поле компенсирующего конденсатора на предыдущем интервале работы, должна обеспечивать принудительную коммутацию вентилей, формирующих прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке. В интервале коммутации ток вновь включенных вентилей нарастает от нулевого значения до максимального I, ток ранее работающих вентилей спадает от максимального значения I до нулевого, а напряжение на коммутирующем конденсаторе спадает от уровня u до нулевого значения.

Принимая допущение, что ток индуктора на интервале коммутации не изменяется (форма тока индуктора - синусоидальная, максимальное значение тока соответствует во времени нулевому значению напряжения на коммутирующем конденсаторе), можно записать

4 L I² = C u²;

16 L I² = п² C E² tg(b) ².

Из последнего выражения находим

Следовательно

Введем безразмерный постоянный нормирующий числовой коэффициент q, который в общем случае принимает значения из интервала [1,0-1,1], для компенсации погрешности вычисления числа k, вызванной принятыми допущениями, идеализацией электромагнитных процессов в инверторе тока и свойств вентилей, а также обеспечения необходимого запаса энергии коммутирующего конденсатора для коммутации вентилей при выполнении инвертора тока на однооперационных вентилях.

Выражение для числа k в окончательном виде может быть записано следующим образом:

.

При задании числа k в соответствии с вышеприведенным выражением угол опережения b имеет минимально достаточное значение, обеспечивающее малое потребление реактивной энергии нагрузочным контуром и коммутацию вентилей с минимальными потерями.

Устройство для реализации способа управления работает следующим образом. В моменты перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение нуль-орган 18 по сигналу датчика мгновенного значения напряжения 17 формирует короткий импульс синхронизации. В интервале действия короткого импульса синхронизации последовательно производятся запись кода с выхода счетчика 10 в регистр 11, обнуление счетчика 10, умножение кода на выходе регистра 11 на код заданного числа k на выходе второго регистра 19 в арифметическо-логическом устройстве 12, выдача кода результата на выход арифметическо-логического устройства 12, запись результата в таймер 13. Результат на выходе арифметическо-логического устройства 12 соответствует второму интервалу времени. Таймер 13 работает на вычитание и запускается в интервале действия короткого импульса синхронизации. По истечении второго интервала времени на выходе таймера 13 формируется сигнал подачи очередного импульса управления на вентили 2, 5 или 3, 4. Импульс управления через распределитель импульсов управления 14 поступает на соответствующий выходной каскад 15 или 16. Выходные каскады 15, 16 служат для усиления импульсов управления вентилями 2-5 и гальванической развязки силовых и управляющих цепей. Интервал времени между моментами перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение измеряется по методу подсчета импульсов высокой частоты задающего генератора 9. Число подсчитанных счетчиком 10 импульсов задающего генератора 9 соответствует измеренному интервалу времени (периоду повторяемости Т). Код числа k поступает на вход регистра 19 от задатчика числа 20. Задатчик числа 20 может содержать значение ранее определенного (вычисленного) и уточненного по результатам физического или математического (имитационного) моделирования числа k или вычислять число k согласно приведенного выражения, а также путем выборки из таблицы.

На временных диаграммах: 1 - импульсы синхронизации на выходе нуль-органа 18; 2 - импульсы на выходах распределителя импульсов 14; 3 - условный сигнал на выходе счетчика 10; 4 - условный сигнал на выходе таймера 13.

По сравнению с прототипом при парарезонансном управлении повышается коэффициент полезного действия инвертора тока. Повышение коэффициента полезного действия обеспечивается работой инвертора тока с минимально возможной емкостной расстройкой нагрузочного контура и высоким коэффициентом мощности в условиях изменяющейся в широких пределах нагрузки, то есть работой в режиме, близком к резонансу параллельного колебательного контура, а также снижением коммутационных потерь в элементах схемы инвертора тока при осуществлении коммутации вентилей за счет энергии коммутирующего конденсатора при минимальных уровнях напряжения.

Способ парарезонансного управления позволяет дополнительно повысить надежность работы инвертора тока на изменяющуюся в широких пределах нагрузку за счет оптимизации режимов работы вентилей и других элементов схемы.

Формула изобретения

Способ парарезонансного управления инвертором тока, работающим на нагрузку в виде параллельного колебательного контура, содержащего индуктор и коммутирующий конденсатор с емкостью С, подключенного к выходным выводам инвертора тока через соединительную линию с индуктивностью L, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на вентили, формирующие прямую и обратную полуволны напряжения на нагрузке, при этом измеряют мгновенное значение напряжения на нагрузке, формируют короткий импульс синхронизации в моменты перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, задают число k, удовлетворяющее выражению b=п (1-k), где b - угол опережения, п - число “пи”, измеряют интервал времени между моментами перехода мгновенного значения напряжения на нагрузке через нулевое значение, вычисляют второй интервал времени в интервале действия короткого импульса синхронизации путем умножения измеренного интервала времени на заданное число k, подают очередные импульсы управления на вентили по истечении второго интервала времени, причем отсчет второго интервала времени начинают в интервале действия короткого импульса синхронизации, отличающийся тем, что число k задают выражением, равнозначным приведенному

,

где I, E - соответственно входной ток и входное напряжение инвертора тока;

q - безразмерный, постоянный нормирующий числовой коэффициент, принимающий значение в интервале [1,0-1,1].

РИСУНКИ