Способ управления преобразователем частоты

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах индукционного нагрева с полупроводниковыми преобразователями частоты. Техническим результатом является обеспечение благоприятного переключения транзисторов, т.е. снижение суммарных коммутационных потерь, повышение коэффициента мощности преобразователя при обеспечении безопасного перезаряда демпфирующих конденсаторов во всем диапазоне регулирования преобразователя частоты. Указанный технический результат достигается тем, что в способе управления преобразователем частоты, содержащем последовательно соединенные выпрямитель, фильтр и двухтактный мостовой инвертор, каждый транзистор которого зашунтирован встречным диодом, а транзисторы регулируемой стойки инвертора снабжены параллельно включенными коммутирующими конденсаторами, при котором формируют и поочередно подают на транзисторы инвертора отпирающие и запирающие импульсы, при этом контролируют степень разряда коммутирующих конденсаторов до напряжения менее 0,2 от максимального уровня напряжения, на транзисторы вертикальной нерегулируемой стойки инвертора подают отпирающие импульсы с длительностью, обеспечивающей межкоммутационную паузу, а на транзисторы регулируемой стойки подают отпирающие импульсы с длительностью, определяющей величину выходного напряжения. При этом в момент выключения одного из транзисторов нерегулируемой пары контролируют напряжение на смежном с ним коммутирующем конденсаторе и, если измеренное напряжение превышает 0,2 от максимального уровня напряжения, уменьшают длительность отпирающих импульсов транзисторов регулируемой пары на следующем периоде частоты преобразования. Включение всех транзисторов производят по сигналу с датчика тока в момент перехода тока нагрузки через ноль, что достигается путем подстройки выходной частоты. 3 ил.

 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в системах индукционного нагрева с полупроводниковыми преобразователями частоты.

Известен способ управления преобразователем частоты, содержащим последовательно соединенные выпрямитель и транзисторный инвертор (патент US 5990465), заключающийся в фазовом сдвиге управляющих сигналов транзисторов одной вертикальной стойки инвертора относительно другой. Недостатком способа является неблагоприятное включение отстающих транзисторов, для чего устанавливаются дополнительные индуктивности, включенные последовательно с транзисторами отстающей стойки, что приводит к коммутационной перегрузке транзисторов по напряжению за счет накопленной в этих индуктивностях энергии.

Известен способ управления преобразователем частоты, содержащим последовательно соединенные выпрямитель и транзисторный инвертор (Satoshi Nagai, Hirokazu Nagura, Mutsuo Nakaoka. Newload-adaptive variable-frequency high-frequency series-resonant inverter with phase-shifted PWM control strategy for induction-heating power supply. Memoris of the faculty of engineering, Kobe University №39, 1992, pp.43-51), заключающийся в фазовом сдвиге управляющих сигналов транзисторов, образующих вертикальную стойку инвертора, и адаптивной подстройке частоты по условию включения транзистора отстающей стойки в нуле тока. Недостатком способа является возможность короткозамкнутого разряда не полностью разрядившегося демпфирующего конденсатора через открывшийся транзистор, что может привести к нарушению его работоспособности.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является способ управления преобразователем частоты (патент RU 2061292), работающим на индуктивную нагрузку, содержащим последовательно соединенные выпрямитель, емкостный фильтр и двухтактный мостовой транзисторный инвертор, каждый транзистор которого зашунтирован коммутирующим конденсатором и встречным диодом, который и рассматривается в качестве прототипа. Способ управления преобразователем частоты заключается в формировании и поочередной подаче на транзисторы инвертора отпирающих и запирающих импульсов, длительность отпирающих импульсов устанавливают в диапазоне 0,15...0,3 периода выходного напряжения и для исключения короткого замыкания заряженных коммутирующих конденсаторов контролируют их напряжение, что позволяет обеспечить включение очередной пары транзисторов в момент равенства напряжения на коммутирующем конденсаторе в диапазоне 0...0,2 от максимального уровня напряжения.

Основным недостатком прототипа являются большие коммутационные потери, обусловленные неблагоприятным выключением при ненулевом токе всех четырех транзисторов, а также более существенное, чем в предыдущем аналоге, снижение коэффициента мощности в процессе регулирования (вследствие того, что рекуперации энергии в сеть в этом процессе не происходит). Еще один недостаток - существенная зависимость частоты преобразования от глубины регулирования выходного тока, что ограничивает диапазон регулирования, особенно на низкодобротных нагрузках.

В связи с тем, что в прототипе не контролируется ноль тока, условие перезаряда коммутирующих конденсаторов и, соответственно, включения транзисторов до нуля тока осуществляется путем фиксированного ограничения длительности отпирающих импульсов значением 0,3 от длительности периода. Учитывая, что время перезаряда зависит от тока нагрузки, это ведет к недоиспользованию диапазона регулирования при больших токах.

Целью изобретения является обеспечение благоприятного переключения транзисторов, т.е. снижение суммарных коммутационных потерь, повышение коэффициента мощности преобразователя при обеспечении безопасного перезаряда демпфирующих конденсаторов во всем диапазоне регулирования преобразователя частоты.

Указанная цель достигается тем, что в способе управления преобразователем частоты, содержащем последовательно соединенные выпрямитель, фильтр и двухтактный мостовой инвертор, каждый транзистор которого зашунтирован встречным диодом, а транзисторы регулируемой стойки инвертора снабжены параллельно включенными коммутирующими конденсаторами, при котором формируют и поочередно подают на транзисторы инвертора отпирающие и запирающие импульсы, при этом контролируют степень разряда коммутирующих конденсаторов до напряжения менее 0, 2 от максимального уровня напряжения, на транзисторы вертикальной нерегулируемой стойки инвертора подают отпирающие импульсы с длительностью, обеспечивающей межкоммутационную паузу, а на транзисторы регулируемой стойки подают отпирающие импульсы с длительностью, определяющей величину выходного напряжения. При этом в момент выключения одного из транзисторов нерегулируемой пары контролируют напряжение на смежном с ним коммутирующем конденсаторе и, если измеренное напряжение превышает 0,2 от максимального уровня напряжения, уменьшают длительность отпирающих импульсов транзисторов регулируемой пары на следующем периоде частоты преобразования. Включение всех транзисторов производят по сигналу с датчика тока в момент перехода тока нагрузки через ноль, что достигается путем подстройки выходной частоты.

Техническим результатом предлагаемого способа управления является мягкая коммутация (в нуле тока) транзисторов нерегулируемой стойки инвертора, что не требует подключения к ним коммутирующих конденсаторов, включение очередной диагонали транзисторов осуществляется при напряжении на соответствующих коммутирующих конденсаторах, близком к нулю.

Сущность способа поясняется ссылками на чертежи, на которых представлено: на фиг.1 - функциональная схема устройства для реализации предлагаемого способа управления; на фиг.2 и 3 - временные диаграммы токов и напряжений на элементах устройства, поясняющие характер электромагнитных процессов в преобразователе частоты.

Функциональная схема устройства для реализации способа регулирования выходного напряжения преобразователя частоты, представленная на фиг.1, содержит трехфазный выпрямитель с Г-образным фильтром 1, питающий мостовой инвертор 2 на транзисторах 3-6, зашунтированных встречными диодами 7-10, транзисторы 5 и 6 зашунтированы коммутирующими конденсаторами 11 и 12. Инвертор работает на нагрузку в виде колебательного контура 13 в диагонали переменного тока. Выходы устройства управления 14 соединены с управляющими электродами транзисторов. Контроль перезаряда коммутирующих конденсаторов осуществляется с помощью датчика напряжения 15, выходной сигнал которого поступает на компаратор 16. Контроль перехода тока нагрузки через ноль осуществляется с помощью датчика тока 17.

Устройство для реализации способа управления работает следующим образом. Переменное напряжение питающей сети преобразуется в постоянное напряжение выпрямителем 1. Выпрямленное напряжение поступает на вход последовательного резонансного инвертора 2, реализованного по мостовой схеме и имеющего нерегулируемую пару транзисторов 3, 4, образующих одну вертикальную стойку инвертора и регулируемую пару транзисторов 5, 6, образующих другую стойку инвертора. Транзисторы 3, 6 и 4, 5, образующие диагонали инвертора, включаются поочередно при поступлении на них управляющих импульсов Uупр.3, Uупр.6 и Uупр.4, Uупр.5 соответственно (см. фиг.2). В момент времени t0 открываются транзисторы одной из диагоналей, в данном случае 4, 5. В течение открытого состояния этих транзисторов ток в колебательном контуре I13 изменяется по гармоническому закону, при этом напряжение на коммутирующем конденсаторе 11 равно нулю (UС11=0), а на коммутирующем конденсаторе 12 равно напряжению питания инвертора (UС12=E). В момент времени t1, определяемый требуемой шириной импульса выходного напряжения, согласно опорному сигналу Uоп закрывается транзистор регулируемой пары 5 и происходит разряд конденсатора 12. Ток разряда I12 замыкается через оставшийся открытым транзистор 4 и нагрузку 13, одновременно происходит заряд конденсатора 11 по той же цепи. После окончания процесса перезаряда конденсаторов 11, 12 ток колебательного контура I13 замыкается через обратный диод 10 и транзистор 4 (фиг.1). При снижении тока I13 до значения, близкого к нулю, в момент t2, определяемый датчиком тока 17, выключается транзистор 4. По истечении межкоммутационной паузы включаются транзисторы следующей диагонали 3, 6, после чего ток через нагрузку I13 меняет свое направление на противоположное и электромагнитные процессы в инверторе повторяются.

В описанном интервале работы для благоприятного режима коммутации транзисторов необходимо, чтобы процесс перезаряда конденсаторов 11 и 12 закончился до момента включения транзистора 6, приводящего к закорачиванию конденсатора 12. Поэтому сразу после выключения нерегулируемого транзистора 4 осуществляют контроль напряжения смежного с ним конденсатора, в данном случае конденсатора 12, путем измерения напряжения на нагрузке U13 с помощью датчика напряжения 15. Выходной сигнал датчика напряжения 15 сравнивается с пороговым уровнем Uпор компаратором 16, полученный логический сигнал поступает на вход устройства управления 14. Устройство управления 14 разрешает изменение длительности отпирающих импульсов транзисторов инвертора на следующем периоде согласно опорному сигналу Uоп, если выходное напряжение компаратора U16 имеет низкий логический уровень, свидетельствующий, что напряжение на коммутирующем конденсаторе не превышает значения порогового уровня Uпор, равного 0,2 от максимального уровня напряжения. Диаграммы тока I5 и напряжения U5 показывают, что данный способ управления обеспечивает уменьшение динамических потерь транзисторов регулируемой стойки (фиг.2).

Случай включения транзисторов при неполном разряде коммутирующего конденсатора 12 представлен на фиг.3. В этом случае конденсатор 12 не успевает разрядиться током контура I13 и разряжается накоротко через открывающийся транзистор 6, что приводит к его перегрузке по току. Выходной сигнал с датчика напряжения U15 в момент выключения транзистора 4 (t2) превышает Uпор, поэтому в данном случае опрашиваемый сигнал U16 имеет высокий логический уровень и устройство управления 14 уменьшает длительность отпирающих импульсов транзисторов регулируемой пары инвертора Uупр.5, Uупр.6 на следующем периоде, игнорируя сигнал Uоп. Этот процесс происходит до тех пор, пока напряжение конденсатора 12 в момент выключения транзистора 4 не будет равно уровню менее 0,2 от максимального уровня напряжения и, соответственно, напряжение U16 не установится в низкий логический уровень.

По сравнению с прототипом данный способ управления позволяет существенно снизить коммутационные потери в транзисторах, так как выключение транзисторов нерегулируемой пары 3 и 4 происходит при нулевом токе, что не требует установки демпфирующих конденсаторов. Кроме того, способ обладает более широким диапазоном регулирования выходного напряжения, исключает возможность короткозамкнутого перезаряда коммутирующих конденсаторов через открывающийся транзистор и обеспечивает включение транзисторов преобразователя при нулевом значении выходного тока.

Способ управления преобразователем частоты, содержащим последовательно соединенные выпрямитель, фильтр и двухтактный мостовой транзисторный инвертор, каждый транзистор которого зашунтирован встречным диодом, а транзисторы регулируемой стойки инвертора снабжены параллельно включенными коммутирующими конденсаторами, при котором формируют и поочередно подают на транзисторы инвертора отпирающие и запирающие импульсы, при этом контролируют степень разряда коммутирующих конденсаторов до напряжения менее 0,2 от максимального уровня напряжения, отличающийся тем, что на транзисторы нерегулируемой вертикальной стойки инвертора подают отпирающие импульсы с длительностью, обеспечивающей межкоммутационную паузу, а на транзисторы другой регулируемой стойки инвертора подают отпирающие импульсы с длительностью, определяющей величину выходного напряжения, при этом в момент выключения одного из транзисторов нерегулируемой стойки инвертора производят контроль напряжения на смежном с ним коммутирующем конденсаторе и, если измеренное напряжение коммутирующего конденсатора превышает значение 0,2 от максимального уровня напряжения, уменьшают длительность отпирающих импульсов транзисторов регулируемой пары на следующем периоде, при этом включение очередных транзисторов инвертора производят в момент перехода тока нагрузки через ноль, что достигается изменением рабочей частоты инвертора.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в сетевых инверторах, входящих в состав электроприводов постоянного и переменного тока, в электротехнических установках.

Изобретение относится к области полупроводниковой преобразовательной техники и может быть использовано в электроприводах постоянного и переменного тока и в электротехнических установках.

Изобретение относится к электронной технике и может быть использовано в преобразовательных устройствах, преобразующих постоянное напряжение в переменное, применяемых во многих отраслях промышленности, сельском хозяйстве, медицине, быту.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления автономными инверторами с широтно-импульсной модуляцией выходных напряжений в частотно-регулируемом асинхронном двигателе

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в индукционных плавильных комплексах для плавки черных и цветных металлов и сплавов

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в индукционных плавильных комплексах для плавки черных и цветных металлов и сплавов

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано к качестве источника питания для установок индукционного нагрева и формирования тока для нагрева

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электроприводе электроподвижного состава переменного тока

Устройство может быть использовано в системах частотно-токового электропривода в качестве управляемого источника тока, обладающего свойством задавать фазу тока статорных обмоток двигателя изменением угла управления вентилями. Предлагаемая схема выполняется на силовых транзисторных ключах с односторонней проводимостью с подключенным параллельно статорным обмоткам двигателя демпфирующим устройством. Основу устройства составляет полярный конденсатор, участвующий с помощью двух коммутирующих транзисторов в двухэтапном проведении коммутаций фазных токов. Способ коммутации вентилей осуществляют в два этапа, из которых первый начинают подключением с помощью коммутирующих транзисторов демпфирующего конденсатора в параллель к цепи, содержащей силовой транзистор выходящей из работы фазной обмотки асинхронного двигателя, а второй этап продолжают с момента выключения коммутирующих и указанного силового транзисторов, в результате чего получают технический результат - плавное изменение статорных токов при ограниченном уровне коммутационных перенапряжений без необходимости рассеивания избыточной энергии коммутации в разрядном резисторе. 2 н.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано на электроподвижном составе, получающем питание от однофазной сети переменного тока. Техническим результатом является максимально эффективное использование электромагнитной энергии, накопленной в цепи выпрямленного тока, для питания тяговых электродвигателей. При зонно-фазовом управлении выпрямительно-инверторным преобразователем, силовая схема которого основана на использовании IGBT транзисторов (модулей) в качестве управляемых силовых ключей, плечи, обеспечивающие работу нерегулируемой обмотки тягового трансформатора, включаются каждый полупериод напряжения в момент ωt=0 эл. град. Их выключение производится в момент, когда ωt=140-150 эл. град., что совпадает со временем выключения регулируемой обмотки тягового трансформатора. За счет такого управления обеспечивается максимальная компенсация индуктивной нагрузки и максимально потребляется активная мощность из сети и полностью используется электромагнитная энергия, накопленная в цепи выпрямленного тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в частотно-регулируемом электроприводе переменного тока, в частности в грузоподъемных механизмах, и предназначено для рекуперации электрической энергии в питающую сеть в режиме генераторного торможения при спуске тяжелого груза. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет рекуперации электрической энергии в сеть независимо от напряжения на конденсаторе звена постоянного напряжения в режиме генераторного торможения двигателя. Электропривод, позволяющий рекуперировать электрическую энергию в питающую сеть в режиме генераторного торможения, содержит управляемый трехфазный мостовой выпрямитель, состоящий из полностью управляемого полупроводникового моста, на IGBT-транзисторах с обратными диодами; звено постоянного напряжения с конденсатором; инвертор напряжения; асинхронный двигатель; систему управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем. В каждое плечо управляемого трехфазного мостового выпрямителя введены IGBT-транзисторы с обратными диодами, соединенные встречно вентилям катодной группы управляемого трехфазного мостового выпрямителя. В цепь постоянного напряжения введены датчик тока и датчик напряжения. Для управления током рекуперации в режиме генераторного торможения введен блок управления током в систему управления управляемым трехфазным мостовым выпрямителем, в котором для предотвращения сквозных токов в режиме генераторного торможения предусматриваются логические элементы. 5 ил.

Изобретение относится к области преобразовательной техники. Система для генерирования электроэнергии трехфазного переменного тока содержит коммутирующие элементы, трехфазный генератор, включающий ротор, окруженный статором, содержащим трехфазные обмотки, которые выполнены с возможностью обеспечения совместно с соответствующими им коммутирующими элементами модулирования параметров электроэнергии трехфазного переменного тока, суммирующие трехфазные трансформаторы для подключения нагрузки. Одни выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим выводам А, В, С входных трехфазных обмоток суммирующих трехфазных трансформаторов, а другие выводы фазных обмоток трехфазных обмоток статора подключены к соответствующим трехфазным обмоткам статора коммутирующим элементам. Одноименные фазные обмотки выходных трехфазных обмоток суммирующих трехфазных трансформаторов соединены последовательно в три ветви, которые объединены в схему звезда и образуют трехфазный выход. В варианте выполнения статор имеет три одинаково выполненных части, которые расположены последовательно вдоль ротора. Каждая из частей включает две трехфазные обмотки. В каждой из частей статора начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки и концы фазных обмоток другой трехфазной обмотки подключены к соответствующим выводам А, В и С. Фазные обмотки трехфазных обмоток одной из частей статора последовательно подключены соответственно к выводам А, В, С, а фазные обмотки трехфазных обмоток двух других частей статора последовательно подключены соответственно к выводам В, С, А и С, А, В. В другом варианте статор имеет две одинаково выполненных части, которые расположены последовательно вдоль ротора. Каждая из частей включает три трехфазные обмотки. В одной из частей статора начальные выводы фазных обмоток одной трехфазной обмотки подключены последовательно соответственно к выводам А, В и С, а начальные выводы фазных обмоток двух других трехфазных обмоток подключены последовательно соответственно к выводам В, С, А и С, А, В. В другой из частей статора концы фазных обмоток одной трехфазной обмотки подключены последовательно соответственно к выводам А, В и С, а концы фазных обмоток двух других трехфазных обмоток подключены последовательно соответственно к выводам В, С, А и С, А, В. Технический результат - повышение эффективности процесса преобразования механической энергии в электрическую, расширение функциональных возможностей и области использования, а также повышение коэффициента полезного действия и надежности. 8 з.п. ф-лы, 6 ил.
Наверх