Спосіб керування транзисторним перетворювачем на основі інвертора напруги для установок індукційного нагріву

Реферат: Спосіб належить до електротехніки, зокрема до перетворювальної техніки, і може бути використаний в перетворювачах для установок індукційного нагріву. Спосіб керування транзисторним перетворювачем на основі інвертора напруги для установок індукційного нагріву полягає в тому, що визначають сигнал похибки між заданим сигналом регульованого параметра та виміряним значенням регульованого параметра, а залежно від сигналу похибки визначають необхідну низькочастотну імпульсну модуляцію вихідної напруги інвертора, що використовують модульну структуру побудови перетворювача, залежно від визначеної низькочастотної імпульсної модуляції та кількості модулів транзисторного перетворювача реалізують зсув (несинфазність) сигналів керування модулями перетворювача на час протяжності періодів вихідної напруги інвертора, кількість яких визначають як найближче ціле UA 114216 C2 (12) UA 114216 C2 число від відношення кількості періодів вихідної напруги інвертора за період модуляції до кількості модулів перетворювача. Технічним результатом є зменшення розмаху коливань амплітуди струму, розширення діапазону регулювання та підвищення надійності транзисторного перетворювача. UA 114216 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Спосіб належить до електротехніки, зокрема до перетворювальної техніки, і може бути використаний в перетворювачах для установок індукційного нагріву. Відомий спосіб керування, який базується на основі низькочастотної імпульсної модуляції, транзисторним перетворювачем на основі інвертора напруги для установок індукційного нагріву [1]. Керування перетворювачем полягає в формуванні та почерговій подачі імпульсів керування на транзистори інвертора, які формують вихідну напругу. Система автопідстроювання забезпечує необхідний фазовий зсув між напругою та струмом на виході інвертора, тому транзистори інвертора перемикаються при струмі, близькому до нуля, за рахунок чого досягаються мінімальні динамічні втрати потужності. Регулювання вихідної потужності базується на низькочастотній імпульсній модуляції описаній в публікації [2]. Недоліком такого способу є значний розмах коливання амплітуди струму при широких межах регулювання струму та зміни параметрів навантаження, що характерно для установок індукційного нагріву. Коливання амплітуди струму призводить до збільшення максимального струму через транзистори інвертора та напруги на конденсаторі резонансного контуру, а при низькій добротності резонансного контуру може призвести до значного зменшення мінімальної амплітуди струму навантаження і як наслідок до неправильної роботи системи автопідстроювання частоти. Це, в свою чергу, обумовлює низьку надійність самого перетворювача. Найбільш близьким по технічній суті до способу, який заявляється, є розглянутий у [3] спосіб керування резонансним інвертором із зустрічно-паралельними діодами. Спосіб полягає в низькочастотній імпульсній модуляції із часовими інтервалами подачі енергії в навантаження, кратними півперіоду резонансної частоти. Коли виміряне значення поточного середнього за модулем значення струму навантаження перевищує заданий поріг, тоді вибираються та генеруються керуючі послідовності імпульсів, які забезпечують зменшення відношення інтервалу подачі енергії в навантаження до інтервалу замкнутого стану навантаження, а якщо виміряне значення поточного середнього за модулем струму навантаження менше від заданого порога, тоді вибираються та генеруються керуючі послідовності імпульсів, які забезпечують збільшення відношення інтервалу подачі енергії в навантаження до інтервалу замкнутого стану навантаження. Недоліком такого способу є значний розмах коливання амплітуди струму (хоча і менший у порівнянні із [1]) при широких межах регулювання струму та зміни параметрів навантаження, що характерно для установок індукційного нагріву. Коливання амплітуди струму призводить до збільшення максимального струму через транзистори інвертора та напруги на конденсаторі резонансного контуру, а при низькій добротності резонансного контуру може призвести до неправильної роботи системи автопідстроювання частоти. Задачею пропонованого винаходу є зменшення розмаху коливання амплітуди струму за рахунок удосконалення способу керування, який базується на основі низькочастотної імпульсної модуляції, транзисторним перетворювачем з модульною структурою побудови на основі інвертора напруги, за рахунок чого досягається технічний результат - розширення діапазону регулювання та підвищення надійності транзисторного перетворювача. Поставлена задача вирішується завдяки тому, що в способі керування транзисторним перетворювачем на основі інвертора напруги для установок індукційного, який полягає в тому, що визначають сигнал похибки між заданим сигналом регульованого параметра та виміряним значенням регульованого параметра, а залежно від сигналу похибки визначають необхідну низькочастотну імпульсну модуляцію вихідної напруги інвертора та на її основі формують сигнали керування транзисторами інвертора, використовують модульну структуру побудови перетворювача, залежно від визначеної низькочастотної імпульсної модуляції та кількості модулів транзисторного перетворювача реалізують зсув (несинфазність) сигналів керування модулями перетворювача на час протяжності періодів вихідної напруги інвертора, кількість яких визначають як найближче ціле число від відношення кількості періодів вихідної напруги інвертора за період модуляції до кількості модулів перетворювача. Порівняльний аналіз із найближчим аналогом показує, що спосіб керування, який базується на основі низькочастотної імпульсної модуляції, транзисторним перетворювачем з модульною структурою побудови, що заявляється, відрізняється наявністю нових ознак, а саме несинфазним керуванням модулями перетворювача. При низькочастотній імпульсній модуляції час модуляції T та час ввімкненого стану Ton , чи час вимкненого стану Tof f доцільно характеризувати цілими числами n , m , s , які кратні періоду вихідної напруги інвертора (фіг. 1). Де n - кількість періодів за час вимкненого стану 1 UA 114216 C2 5 Tof f ; m - кількість періодів вихідної напруги інвертора за час ввімкненого стану Ton , s кількість періодів вихідної напруги інвертора за час модуляції T . При регулюванні вихідного параметра (струму чи потужності), на основі низькочастотної імпульсної модуляції із дискретним кроком, що дорівнює півперіоду вихідної напруги, всі можливі комбінації ( n , m , s ) можна поділити на чотири випадки: 1) n , m - лише цілі числа, що кратні періоду вихідної напруги інвертора n  0 і    0 , де n i m - дрібна частина чисел m m і, n відповідно); 2) m , n - числа, дрібна частина яких дорівнює 0,5 ( n =0,5 і    0,5 ), 3) n m - число, дрібна частина якого дорівнює 0,5 ( n =0,5), m - ціле число (    0 ); 4) n - ціле число m n  0 ), 10 15 20 25 30 m - число, дрібна частина якого дорівнює 0,5 (    0,5 ). m При модульній структурі побудови транзисторного перетворювача використовується погоджувальний трансформатор для погодження рівня вихідної напруги інвертора із навантаженням, гальванічної розв'язки та з'єднання виходів модулів для складання напруги. У випаду, коли n =0,5 і    0,5 , вихідна напруга інвертора має постійну складову, що призведе m до намагнічування погоджувального трансформатора. Для випадку, коли n =0,5, m - ціле число, на погоджувальний трансформатор надходитимуть поспіль два імпульси напруги однієї полярності, тому трансформатор необхідно розраховувати на частоту, в два рази нижчу від робочої. Це призводить до збільшення маси та габариту погоджувального трансформатора. Тому недоцільно використовувати значення чисел n , коли n =0,5. Основним недоліком використання низькочастотної імпульсної модуляції для регулювання струму навантаження є коливання амплітуди струму. Він впливає на максимальний струм через транзистори інвертора, максимальну напругу на конденсаторі резонансного контуру, діапазон регулювання струму навантаження, габарит вхідного фільтра, втрати потужності в силових транзисторах інвертора, що обумовлено роботою системи автопідстроювання частоти при низькочастотній імпульсній модуляції, та, загалом, на можливість використання низькочастотної імпульсної модуляції при низькій добротності резонансного контуру. Зменшення розмаху коливань амплітуди струму навантаження досягається за рахунок запропонованого несинфазного способу керування, на основі низькочастотної імпульсної модуляції, транзисторним перетворювачем з модульною структурою побудови. Для N модулів мінімальний розмах коливань амплітуди струму навантаження спостерігаються при часовому зсуві T між вихідними напругами модулів. Час зсуву T визначається за виразом: S T  round To , N 35 де To - період вихідної напруги інвертора. Середній за модулем струм навантаження визначатиметься виразом: Iсер (m, s)  40 45 2NU m(1) RH , де   (m / s) коефіцієнт заповнення модульованої напруги інвертора, Um(1) - амплітуда першої гармоніки напруги інверторана вторинній обмотці трансформатора кожного модуля при   1. При регулюванні струму чи потужності навантаження на основі низькочастотної імпульсної модуляції для транзисторного перетворювача з двома модулями, на фіг. 1 зображено вихідну напругу першого модуля V1 , напругу другого модуля V2 , яка по формі співпадає із V1 , але зсунута на час T , сумарну напругу модулів Vo та струм навантаження Io . 50 На фіг. 1,а зображено випадок для m  1 , s  2 (   0,5 ). За рахунок часового зсуву T = To у струмі навантаження відсутні коливання амплітуди струму, чого неможливо досягти лише при одному модулі транзисторного перетворювача, чи при модульній структурі побудови транзисторного перетворювача з синфазним способом керування, при якому час зсуву рівний 0 (T  0) . 2 UA 114216 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 На фіг. 1,b зображено випадок для m  2,5 , s  3,5 (   5 / 7) . За рахунок часового зсуву T = 2To напруга Vo не має інтервалів часу, коли вона рівна 0, за рахунок чого досягається менший розмах коливань амплітуди струму навантаження, на відміну від транзисторного перетворювача з одним модулем, чи з модулями, коли час зсуву рівний 0 (T  0) . За рахунок несинфазного керування транзисторами інвертора на основі низькочастотної імпульсної модуляції при модульній структурі побудови транзисторного перетворювача досягається значно менший розмах коливань амплітуди струму навантаження. На фіг. 1 зображено часові діаграми напруги на виході модулів транзисторного перетворювача, сумарної напруги модулів та струму навантаження, при несинфазному керуванні транзисторами інвертора та модульній структурі побудови транзисторного перетворювача. На фіг. 2 зображено основні частини структурної схеми транзисторного перетворювача з модульною структурою побудови для установок індукційного нагріву. До складу основної частини структурної схеми транзисторного перетворювача з модульною структурою побудови для установок індукційного нагріву входять: некерований випрямляч 1; N модулів 2, до складу кожного входить інвертор 3 та погоджувальний трансформатора 4; послідовний резонансний ланцюг 5 та система керування 6. Навантаження індукційної установки представлено як послідовно з'єднанні індуктивність L н та активний опір Rн . Пропонований спосіб реалізується наступним чином. Перетворювач під'єднаний до фаз А, В, С мережі живлення, напруга мережі живлення після дроселя Lф випрямляється некерованим випрямлячем 1 та надходить та модулі транзисторного перетворювача 2, в модулях транзисторного перетворювача вхідна напруга фільтрується конденсатором Сф та надходить до інвертора 3, інвертор 3 перетворює вхідну напругу в змінну, частота якої визначається резонансною частотою послідовного резонансного контуру 5. Вихідна напруга інвертора через прохідний конденсатор С п надходить на погоджувальний трансформатор 4, який служить для погодження рівня вихідної напруги інвертора із навантаженням, гальванічної розв'язки та з'єднання виходів модулів для складання напруги. Виходи модулів транзисторного перетворювача з'єднуються послідовно між собою та послідовним резонансним ланцюгом, який складається із резонансного конденсатора С та навантаження. За рахунок послідовного з'єднання, через вторинні обмотки трансформаторів протікає спільний струм, таким чином забезпечується однаковий струм через інвертори кожного модуля. Погодження вихідної частоти інвертора із частотою послідовного резонансного контуру забезпечується системою автопідстроювання частоти, яка входить до системи керування 6. За рахунок автопідстроювання частоти забезпечується комутація ключових елементів інвертора при близькому до нуля струмі та досягаються мінімальні динамічні втрати потужності. Для регулювання вихідного параметра система керування постійно вимірює його значення та порівнює із заданим, визначається сигнал похибки між заданим сигналом та виміряним. Залежно від сигналу похибки система керування визначає необхідну низькочастотну імпульсну модуляцію вихідної напруги модуля та на її основі формує сигнали керування модулями перетворювача, які залежно від визначеної низькочастотної імпульсної модуляції та кількості модулів транзисторного перетворювача зсунуті між собою на час протяжності деякої кількості періодів вихідної напруги інвертора, кількість яких визначається як найближче ціле число від відношення кількості періодів вихідної напруги інвертора за період модуляції до кількості модулів. Таким чином, у порівнянні із найближчим аналогом [3], використання несинфазного керування транзисторами інвертора, який базується на основі низькочастотної імпульсної модуляції, при модульній структурі побудови транзисторного перетворювача, дозволяє зменшити розмах коливань амплітуди струму, за рахунок чого досягається розширення діапазону регулювання та підвищення надійності транзисторного перетворювача. Джерела інформації: 1. Патент ЕР2148421А1 27.01.2010 р. 2. Н. Fujita, Η. Akagi "Pulse-density-modulated power control of a 4 kW, 450 kHz voltage-source inverter for induction melting applications" // IEEE Trans. Industry Application, vol. IA-32, no. 2, pp. 279-286, 1996. 3. Патент RU2289195C1 10.12.2006 р. 3 UA 114216 C2 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 5 10 Спосіб керування транзисторним перетворювачем на основі інвертора напруги для установок індукційного нагріву, який полягає в тому, що визначають сигнал похибки між заданим сигналом регульованого параметра та виміряним значенням регульованого параметра, а залежно від сигналу похибки визначають необхідну низькочастотну імпульсну модуляцію вихідної напруги інвертора та на її основі формують сигнали керування транзисторами інвертора, який відрізняється тим, що перетворювач будують на основі модульної структури, залежно від визначеної низькочастотної імпульсної модуляції та кількості модулів транзисторного перетворювача реалізують зсув сигналів керування модулями перетворювача на час протяжності періодів вихідної напруги інвертора, кількість яких визначають як найближче ціле число від відношення кількості періодів вихідної напруги інвертора за період модуляції до кількості модулів перетворювача. 4 UA 114216 C2 Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5