Блок управления тиристорным преобразователем частоты

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в оборудовании для термообработки деталей в машиностроении и плавления металлов в индукционных печах. Технический результат заключается в повышении надежности запуска и обеспечении устойчивости работы сильноточного преобразователя частоты для индукционных печей и закалочных устройств. Блок управления тиристорным преобразователем частоты содержит микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем, реализующим алгоритм работы тиристорного преобразователя частоты, трехфазный тиристорный выпрямитель, содержащий дроссель, тиристорный инвертор, пусковые тиристоры, LC-контур, узлы контроля напряжения на LC-контуре и тока инвертора, формирователь синхроимпульса. Бесконтактный датчик направления тока составлен из двух датчиков Холла, установленных в зазоре магнитопровода, охватывающего проводник LC-контура. Датчики Холла обеспечивают синхронизацию работы блока управления с частотой LC-контура и автоматическое поддержание постоянного значения мощности LC-контура, определяемой величиной потребляемого тока и текущим значением узла открывания тиристоров выпрямителя. 5 ил.

 

Устройство относится к оборудованию для термообработки деталей в машиностроении и плавления металлов в индукционных печах.

Известно устройство [1], задающее рабочую частоту тиристорного преобразователя частоты (ТПЧ) при помощи внутреннего генератора, близкой к резонансной частоте питаемого последовательного LC-контура.

Недостатком данного устройства является зависимость энергетических характеристик преобразователя от изменения резонансной частоты нагрузки и связанная с этим необходимость постоянной подстройки частоты внутреннего генератора.

Наиболее близким к заявляемому устройству является устройство [2]. В данном устройстве частота переключений инвертора ТПЧ задается при помощи обратной связи по напряжению на LC-контуре.

К недостаткам данного устройства можно отнести следующие:

- момент смены направления тока в контуре, являющийся началом отсчета интервала до выдачи сигнала на переключение инвертора, сдвинут относительно момента смены полярности напряжения на 90°, что затрудняет его своевременную выдачу при быстрой смене частоты питаемого LC-контура;

- использование напряжения на контуре для обратной связи затруднено ввиду влияния электрических помех от сильноточных цепей и связанных с этим трудностей при правильном определении момента смены полярности напряжения.

Задачей изобретения является повышение надежности запуска и обеспечение устойчивой работы сильноточного преобразователя частоты для индукционных печей и закалочных устройств.

Задача решается установкой в известном блоке управления на LC-контуре бесконтактного датчика направления тока с концентрирующим магнитный поток сердечником, охватывающим проводник LC-контура. В зазоре сердечника встречнонаправленно установлены два датчика Холла. При помощи бесконтактного датчика направления тока определяется момент смены направления тока в LC-контуре, от которого ведется отсчет времени до открывания тиристоров инвертора.

На фиг.1 приведена структурная схема заявляемого устройства, на фиг.2 приведена характеристика датчика Холла, применяемого в бесконтактном датчике направления тока, на фиг.3 приведен эскиз бесконтактного датчика направления тока, на фиг.4 представлена структурная схема ТПЧ со звеном постоянного тока, на фиг.5 представлены временные диаграммы, поясняющие принцип работы заявляемого устройства.

Устройство (фиг.1) содержит микроконтроллер 1 со встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), реализующий алгоритм работы ТПЧ, индикатор 3 текущего режима, органы управления 5 для задания режимов работы установки, защитные концевые выключатели 4, блок питания 6, источник опорного напряжения 26, транзисторные ключи 8, 10, 12 и 14, усиливающие сигналы управления от микроконтроллера, трансформаторные развязки 9, 11, 13 и 15, гальванически развязывающие управляющие сигналы для силовых тиристоров выпрямителя 35, инвертора 36 и системы запуска 34 (фиг.4). Бесконтактный датчик 16 направления тока служит для синхронизации работы блока управления с собственной частотой контура 37. Сигнальный трансформатор 20, выпрямитель 19, усилитель 18 и фильтр нижних частот 17 служат для контроля напряжения на питаемом LC-контуре. Усилитель 25 напряжения шунта, широтно-импульсный модулятор 24, оптическая развязка 23, усилитель 22 и фильтр 21 нижних частот служат для контроля величины тока, потребляемого инвертором. Формирователь 7 синхроимпульсов служит для синхронизации работы блока управления с частотой питающей сети.

Бесконтактный датчик 16 направления тока (фиг.3) содержит датчики Холла 29 и 30, установленные для получения симметричности выходного сигнала встречнонаправленно в разрезе магнитопровода 28 относительно направления магнитного потока в нем. Магнитопровод 28 и датчики Холла 29 и 30 закреплены на основании 31 таким образом, что магнитопровод охватывает проводник 27 LC-контура 37. Протекающий по проводнику 27 электрический ток создает вокруг него магнитное поле, индуцирующее в магнитопроводе 28 магнитный поток, регистрируемый датчиками Холла 29 и 30. Магнитопровод предназначен для увеличения магнитного потока, пронизывающего датчики Холла, что приближает момент их срабатывания к моменту смены направления тока в LC-контуре 37. Для усиления магнитного потока магнитопровод снабжен концентраторами 32 магнитного поля, фокусирующими магнитный поток в чувствительной области датчиков 29 и 30.

ТПЧ (управляемый объект), см. фиг.3, содержит: тиристорный выпрямитель 35, преобразующий трехфазное напряжение промышленной частоты в постоянное заданной величины. Звено 39 постоянного тока является нагрузкой выпрямителя и питает инвертор 36, преобразующий выпрямленное напряжение в переменное с частотой, согласованной с частотой питаемого LC-контура.

Устройство работает следующим образом: перед запуском микроконтроллер 1, синхронизируясь по сигналу формирователя 7 с частотой питающей сети, подачей управляющих импульсов через ключи 8 и трансформаторные развязки 9 открывает тиристоры выпрямителя 35 с некоторым углом запаздывания α, таким, что на выходе выпрямителя 35 появляется выпрямленное напряжение U_ВЫПР<U_MAX, после чего подачей импульса через ключи 10 и развязки 11 открывает диагональ тиристорного инвертора 36, и через дроссель 39, диагональ инвертора 36 и индуктивность LC-контура 37 начинает протекать нарастающий ток. Через некоторое время t_НАРАСТ, при достижении током величины I_ЗАП, достаточной для надежного запуска ТПЧ, контроллер через ключ 14 и развязку 15 подает импульс на пусковые тиристоры 34, коммутирующие пусковую емкость 33 параллельно LC-контуру 37, после чего через ключи 12 и развязку 13 подается сигнал на другую диагональ инвертора 36, что приводит к переключению тока I_ЗАП с одной диагонали на другую и восстановлению управляющих свойств тиристоров ранее открытой диагонали. В дальнейшем сигнал на открывание очередной диагонали подается с некоторой задержкой относительно прихода сигнала с бесконтактного датчика 16 направления тока. Величины запаздывания выдачи сигнала для открывания тиристоров очередной диагонали инвертора 36 относительно момента срабатывания бесконтактного датчика 16 направления тока и запаздывания выдачи сигнала на открывание тиристоров в выпрямителе 35 относительно прихода синхроимпульса с формирователя 7 (углы β и α соответственно) вычисляются микроконтроллером 1 и являются функцией от заданного оператором режима работы установки, а также величины тока, потребляемого инвертором 36, и напряжения на питаемом LC-контуре 37 и определяют энергетический режим работы установки. Ввиду того, что каждому значению времени запаздывания выдачи управляющего сигнала для выпрямителя относительно прихода синхросигнала (углу а) соответствует некоторое напряжение на выходе выпрямителя 35 и при условии постоянства напряжения питающей сети, т.е.

U_ВЫПР=f(α),

усредненная мощность Р, выдаваемая установкой в нагрузку 4, может быть приближенно оценена как функция от усредненного потребляемого инвертором 3 тока I_Выпр, т.е.

Таким образом, программой для микроконтроллера 1 посредством контроля величины потребляемого тока при помощи элементов 21..25 (фиг.1) может поддерживаться режим работы ТПЧ с автоматической регулировкой мощности, выдаваемой в нагрузку 37.

При смене по какой-либо причине собственной частоты LC-контура микроконтроллер 1 пересчитывает значения интервалов запаздывания выдачи сигнала для открывания тиристоров очередной диагонали инвертора 37 относительно срабатывания бесконтактного датчика 16 направления тока (углы β)

По включении прибора микроконтроллер 1 замеряет частоту прихода синхроимпульсов от формирователя 7 и автоматически перенастраивается на частоту питающей сети путем пересчета (масштабирования) времен запаздывания выдачи сигнала на открывание тиристоров в выпрямителе 35 относительно прихода синхроимпульса с формирователя 7, что позволяет использовать для питания установки электросеть с различной частотой (например, 60 Гц, 400 Гц).

Рассмотрим работу устройства на примере одного периода колебаний напряжения U_K на LC-контуре 37. Напряжение на LC-контуре 37 U_K возрастает и в некоторый момент времени t₁ (фиг.5) достигает своего максимального значения. Пренебрегая сдвигом фаз тока и напряжения в контуре 37, считаем, что в этот момент ток в контуре I_К меняет свое направление (полярность). Это приводит к смене направления (полярности) магнитного потока в магнитопроводе 28 (фиг.3), охватывающем проводник 27 LC-контура 37. Дальнейшее нарастание тока в контуре 37 приводит к увеличению магнитного потока в магнитопроводе 28. При достижении током I_к значения, соответствующего магнитному потоку с индукцией |В_СРАБ| и |В_ОТП| (фиг.2), происходит переключение датчиков Холла 29 и 30 соответственно, что соответствует моменту времени t₂ (фиг.5). В этот момент бесконтактный датчик 16 обратной связи выдает на микроконтроллер 1 сигнал о смене направления тока в LC-контуре 37. С момента времени t₂ микроконтроллер 1 ведет отсчет интервала до переключения инвертора 36 (угол β). По истечении указанного интервала микроконтроллер 1 выдает сигнал на переключение тиристоров инвертора 36, что соответствует моменту времени t₃ (фиг.5). Далее цикл повторяется со сменой полярностей тока и напряжения (моменты времени t₄, t₅, t₆ на фиг.5). Параллельно микроконтроллер 1, синхронизируясь по сигналу с формирователя 7, выдает управляющие сигналы на тиристоры выпрямителя 35, поддерживая на его выходе постоянное напряжение необходимой величины.

В случае срыва колебаний в LC-контуре по различным причинам (аварии) изменение сигнала бесконтактного датчика 16 направления тока прекращается. Отсутствие сигнала на протяжении заданного отрезка времени является признаком аварии. Микроконтроллер 1 прекращает выдачу управляющих сигналов на тиристорный выпрямитель 35 и таким образом обесточивает установку, предотвращая выход из строя силовых тиристоров в составе выпрямителя 35 и инвертора 36.

Литература

1. Патент РФ № 2020710 С1, кл. 5 Н 02 М 5/45. Преобразователь частоты со звеном постоянного тока. Силкин Е.М., Балабина С.А. Пригожин В.И., Самойлов B.C., Силкина В.Н. 30.09.94.

2. Тиристорные преобразователи частоты /А.К.Белкин, Т.П.Костюкова, Л.Э.Рогинская, А.А.Шуляк. - М. Энергоатомиздат, 2000 (прототип).

Блок управления тиристорным преобразователем частоты для плавильных печей и закалочных устройств с трехфазным тиристорным выпрямителем с регулируемым углом отпирания, преобразующим трехфазное напряжения промышленной частоты в постоянное напряжение, заданной величины, сглаживающим дросселем, являющимся нагрузкой трехфазного тиристорного выпрямителя и питающим тиристорный инвертор, преобразующий выпрямленное напряжение в переменное, пусковые тиристоры, LC-контур, узлы контроля напряжения на LC-контуре и тока, потребляемого инвертором, формирователь синхроимпульсов и микроконтроллер с аналого-цифровым преобразователем, реализующим алгоритм управления тиристорного преобразователя частоты, микроконтроллер, синхронизируясь по сигналу формирователя синхроимпульсов с частотой питающей сети, подает управляющие импульсы через соответствующие транзисторные ключи и трансформаторные развязки для управления тиристорами выпрямителя, тиристорами инвертора для протекания тока через сглаживающий дроссель, соответствующую диагональ тиристорного инвертора и LC-контур, и по достижении током величины, достаточной для надежного запуска тиристорного преобразователя частоты, микроконтроллер через транзисторный ключ и трансформаторную развязку подает импульсы на пусковые тиристоры, коммутирующие пусковую емкость параллельно LC-контуру, после чего подает сигнал через транзисторные ключи и трансформаторные развязки на тиристоры другой диагонали инвертора, при этом момент подачи управляющих импульсов на тиристоры инвертора синхронизирован с колебаниями LC-контура при помощи установленного на LC-контуре бесконтактного датчика направления тока, составленного из двух датчиков Холла, установленных встречно-направленно в зазоре магнитопровода, охватывающего проводник LC-контура, и предназначенных для фиксации момента смены направления тока в LC-контуре и выдачи сигнала о смене направления тока на микроконтроллер, обеспечивающий задержку подачи сигнала на открывание тиристоров очередной диагонали тиристорного инвертора относительно момента срабатывания бесконтактного датчика направления и задержку на открывание тиристоров трехфазного выпрямителя, при этом величины задержки указанных сигналов вычисляются микроконтроллерами и являются функциями от заданного режима работы, величины тока, потребляемого тиристорным инвертором, и напряжения на LC-контуре.