способ регулирования выходного напряжения многоячейкового преобразователя частоты

Формула изобретения

Способ регулирования выходного переменного напряжения преобразователя, состоящего из нескольких инверторов и многоэлементного согласующего трансформатора, первичные обмотки которого соединены с соответствующими инверторами, а вторичные соединены последовательно и образуют контур суммирования напряжения, при котором путем фазового сдвига управляющих импульсов инверторы устанавливают либо в состояние «вольтодобавки», при котором напряжение вторичной обмотки соответствующего трансформатора прикладывается к нагрузке, либо в состояние «закоротки», при котором напряжение вторичной обмотки соответствующего трансформатора исключается из контура суммирования, отличающийся тем, что один из инверторов вводят в режим регулирования выходного напряжения посредством включенного на его входе преобразователя постоянного напряжения в диапазоне, определяемом нижним и верхним пороговыми уровнями; при достижении напряжением указанного регулируемого инвертора одного из указанных пороговых уровней дальнейшее регулирование осуществляют путем изменения указанных состояний «вольтодобавки» или «закоротки» остальных инверторов так, чтобы сумма весовых коэффициентов инверторов, находящихся в режиме «вольтодобавки», изменилась на единицу, при этом выходные напряжения соответствующих трансформаторов указанных остальных инверторов задают пропорциональными весовым коэффициентам двоичного кода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах индукционного нагрева с полупроводниковыми преобразователями частоты при создании систем управления.

Известен способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами (патент RU 2152683), который заключается в формировании и поочередной подаче импульсов управления на транзисторы, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, и изменении временного интервала подачи импульсов управления в функции длительности интервала проводящего состояния ключа и встречно-параллельного диода.

Недостатками способа являются: малый диапазон и низкая точность регулирования, что не удовлетворяет ряду технологических процессов, завышенная габаритная мощность ключей, вызванная большим амплитудным значением тока при малом действующем значении.

Другим способом управления преобразователем частоты является широтно-импульсное регулирование выходного напряжения инвертора (патент RU 2061292). Преобразователь содержит последовательно соединенные выпрямитель, емкостный фильтр и двухтактный мостовой транзисторный инвертор, каждый транзистор которого зашунтирован конденсатором и встречно-параллельным диодом. В процессе работы инвертора формируют и поочередно подают на транзисторы отпирающие и запирающие импульсы; длительность отпирающих импульсов устанавливают в диапазоне 0,15-0,3 периода выходного напряжения, контролируют напряжение на конденсаторах, и включение очередной пары транзисторов осуществляют в момент равенства напряжения на конденсаторе уровню менее 0,2 от максимального уровня напряжения.

Этот способ позволяет уменьшить коммутационные потери в транзисторах за счет обеспечения коммутации при нулевых значениях токов и напряжений, что повышает надежность работы преобразователя. Контроль напряжения на коммутирующем конденсаторе может осуществляться путем определения времени разряда коммутирующих конденсаторов по модели преобразователя либо путем измерения.

К недостаткам указанного способа регулирования можно отнести ограниченный диапазон регулирования ширины импульса - 0,15-0,3 периода выходного напряжения, кроме того, явно завышенный реактивный ток через транзисторы и низкий коэффициент мощности, обусловленный фазовым сдвигом основных гармоник тока и напряжения.

Выходная мощность преобразователей описанных способов управления ограничена предельными энергетическими характеристиками используемых транзисторов.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является способ регулирования выходного напряжения преобразователя, состоящего из нескольких инверторов и многоэлементного согласующего трансформатора, описанный в SU 754635. Первичные обмотки трансформатора соединены с соответствующими инверторами, выполненными по мостовой схеме, а вторичные - соединены последовательно и образуют контур суммирования напряжения. Преобразователь также включает блок управления, формирующий импульсы с регулируемыми углами задержки и опережения, поступающие на управляющие входы инверторов. При работе всех инверторов в режиме «вольтодобавки», заключающемся в поочередном замыкания транзисторов, образующих диагонали инвертора, выходные напряжения всех трансформаторов включаются в контур суммирования, и на нагрузке формируется максимальное напряжение, равное сумме напряжений вторичных обмоток. Для регулирования выходного напряжения преобразователя какой-либо из инверторов вводится в режим фазового регулирования, в процессе которого производится фазовый сдвиг управляющих импульсов одной пары транзисторов инвертора относительно другой. В результате на части полупериода происходит синфазное включение смежных транзисторов, что приводит к «закорачиванию» на этих интервалах первичной обмотки трансформатора. Дальнейшее увеличение фазового сдвига приводит к росту длительности «закороченного» состояния обмотки трансформатора, за счет чего и осуществляется регулирование выходного напряжения преобразователя. В некоторый момент времени интервал «закоротки» первичной обмотки занимает весь полупериод, т.е. инвертор находится в состоянии «закоротки», и ток нагрузки через трансформатор замыкается открытыми смежными транзисторами и обратными диодами. Дальнейшее увеличение фазового сдвига приводит к противофазному включению регулируемого инвертора по отношению к остальным на части периода. При недостаточности диапазона регулирования, который может обеспечить фазовое регулирование одного инвертора, в режим фазового регулирования вводится следующий инвертор. Таким образом, все инверторы преобразователя могут вводиться в режим фазового регулирования.

Основным недостатком прототипа является неблагоприятный режим коммутации транзисторов всех инверторов при работе в резонансном режиме, которые в случаях как опережения, так и запаздывания переключения коммутируют ненулевой ток, что приводит к появлению значительных динамических потерь и ухудшает эксплутационные и энергетические характеристики. Кроме того, фазовый сдвиг основных гармоник выходного напряжения и тока приводит к снижению коэффициента мощности системы.

Целью изобретения является повышение энергетических показателей преобразования, обеспечение благоприятных режимов коммутации транзисторов преобразователя, повышение коэффициента мощности преобразователя.

Эта цель достигается тем, что, в отличие от прототипа, в способе регулирования выходного напряжения преобразователя, содержащего несколько инверторов, а также многоэлементный согласующий трансформатор, первичные обмотки которого соединены с соответствующими инверторами, а вторичные обмотки соединены последовательно и образуют контур суммирования напряжения, выходное напряжение одного из инверторов регулируют с помощью преобразователя постоянного напряжения, включенного на входе этого инвертора, в диапазоне, определяемом нижним и верхним пороговыми уровнями. При этом остальные нерегулируемые инверторы, включенные параллельно и питаемые от выпрямителя, вводятся в одно из двух состояний: «вольтодобавки» или «закоротки». Выходные напряжения нерегулируемых инверторов устанавливают пропорциональными весовым коэффициентам двоичного кода (1, 2, 4, 8, 16,...). Различные сочетания состояний нерегулируемых инверторов образуют несколько уровней выходного напряжения, формирующих, в свою очередь, несколько поддиапазонов (зон) регулирования выходного напряжения, внутри которых регулирование осуществляется регулируемым инвертором. Поэтому, если выходное напряжение регулируемого инвертора достигает границ собственного диапазона регулирования, изменяют состояния нерегулируемых инверторов таким образом, чтобы сумма весовых коэффициентов нерегулируемых инверторов, находящихся в режиме «вольтодобавки», изменилась на единицу. Это приводит к смещению диапазона регулирования регулируемого инвертора на величину напряжения младшего весового коэффициента.

Техническим результатом изобретения является отсутствие необходимости фазового регулирования в инверторах преобразователя, что существенно снижает динамические потери при переключении силовых коммутирующих приборов, это является существенным при данном способе регулирования, особенно при высоких частотах преобразования, и обеспечивает высокие энергетические и технико-эксплуатационные показатели. Кроме того, устранение необходимости фазового регулирования приводит к повышению коэффициента мощности системы.

Сущность способа поясняется ссылками на чертежи, на которых представлено: на Фиг.1 - функциональная схема преобразователя, реализующего данный способ; на Фиг.2 - временные диаграммы работы преобразователя, реализующего способ.

Функциональная схема устройства для реализации способа управления резонансным преобразователем на Фиг.1 включает выпрямитель с Г-образным фильтром 1, питающий преобразователь постоянного напряжения 2 и несколько резонансных инверторов 3, 4, 5, n, нерегулируемые инверторы 4, 5, n включены параллельно по входу, регулируемый инвертор 3 запитан от преобразователя постоянного напряжения 2. Выходы инверторов нагружены на трансформаторы 6, вторичные обмотки которых включены последовательно и образуют контур суммирования напряжения, прикладываемого к нагрузке, в виде последовательного резонансного контура, состоящего из резонансного конденсатора и индуктора с нагреваемой деталью. Импульсы управления транзисторами формируются схемой управления 7, на которую поступают сигналы о смене комбинации нерегулируемых инверторов, в сторону увеличения суммы весовых коэффициентов сигнал поступает с компаратора 8, в сторону уменьшения - с компаратора 9, компараторы сравнивают сигнал с датчика напряжения регулируемого инвертора 10 с пороговыми уровнями Uп+ и Uп-.

На фиг.2: Uрег - напряжение на выходе регулируемого инвертора; U₂ - выходное напряжение нерегулируемого инвертора с весовым коэффициентом 2; U₁ - выходное напряжение нерегулируемого инвертора с весовым коэффициентом 1; Uвых - суммарное напряжение на выходе преобразователя, Uдн - выход датчика напряжения, Uп- и Uп+ - соответственно верхний и нижний пороговые уровни.

Способ осуществляется следующим образом. Инвертор 3 подключен к выходу преобразователя постоянного напряжения 2 и регулируется с помощью этого преобразователя в диапазоне, определяемом верхним и нижним пороговыми уровнями Uп+ и Uп-. На входы остальных нерегулируемых инверторов 4, 5, n от выпрямителя поступает постоянное напряжение, эти инверторы работают синхронно с регулируемым и могут находиться в одном из двух стационарных состояний: «вольтодобавки», при котором на выходе соответствующего трансформатора формируется прямоугольное напряжение, или «закоротки», при котором выходное напряжение трансформатора равно нулю (Фиг.2). Различные сочетания состояний нерегулируемых инверторов образуют несколько дискретных уровней выходного напряжения, между этими уровнями осуществляется непрерывное регулирование с помощью регулируемого инвертора. Иными словами, на выходе преобразователя формируются несколько поддиапазонов (зон) регулирования. Условием перехода из зоны в зону (из одного поддиапазона в другой) является достижение регулируемым инвертором 3 (а значит питающим его преобразователем постоянного напряжения 2) предельных значений собственного диапазона регулирования напряжения. Для этого выходное напряжение регулируемого инвертора 3 Uрег измеряют с помощью датчика 10 и подают измеренное напряжение на компараторы 8, 9, непрерывно сравнивающие сигнал датчика Uдн с двумя пороговыми уровнями Uп+ и Uп-, определяющими допустимый диапазон регулирования. Один из компараторов определяет верхнюю границу диапазона, т.е. формирует сигнал на добавление зоны регулирования, другой определяет нижнюю границу, т.е. формирует сигнал на вычитание зоны регулирования.

Рассмотрим, например, процесс увеличения выходного напряжения преобразователя. В этом случае по мере роста выходного напряжения регулируемого инвертора 3 Uрег в некоторый момент времени tп сигнал датчика выходного напряжения Uдн превышает верхний пороговый уровень Uп+, эти сигналы сравниваются компаратором 8, который формирует сигнал перехода в следующую зону, поступающий на схему управления 7. По этому сигналу для дальнейшего увеличения выходного напряжения преобразователя схема управления производит смену состояний нерегулируемых инверторов. Допустим, что исходная комбинация состояний нерегулируемых инверторов, находящихся в режиме «вольтодобавки», включала только 2-ой весовой коэффициент, т.е. инвертор 5 с выходным напряжением U2, тогда для увеличения выходного напряжения необходимо перевести в состояние «вольтодобавки» инвертор с 1-ым весовым коэффициентом (инвертор 4), в результате чего на его выходе появится прямоугольное напряжение U1, при этом сумма весовых коэффициентов становится равной 3.

Переход из состояния «закоротки» в состояние «вольтодобавки» инвертора с весовым коэффициентом 1 (Фиг.2) происходит путем смены замыкания смежных транзисторов 11,13-12,14 замыканием диагональных транзисторов 11,14-13,12, в результате чего на обмотках трансформатора появляется прямоугольное напряжение. Одновременно с этим происходит уменьшение выходного напряжения регулируемого инвертора 3 (Фиг.2) преобразователем постоянного напряжения 2, при этом прежнее суммарное выходное напряжение преобразователя остается неизменным. Таким образом, выходное напряжение регулируемого инвертора 3 снова попадает в заданный рабочий диапазон. Важно отметить, что диапазон регулирования регулируемого инвертора должен перекрывать величину зоны регулирования, т.е. разность напряжений, определяемых пороговыми уровнями, должна превышать выходное напряжение инвертора с младшим весовым коэффициентом.

Способ регулирования позволяет существенно повысить энергетические показатели преобразования и обеспечить благоприятные режимы коммутации транзисторов преобразователя, что является доказательством эффективности предлагаемого изобретения.