CN102761282B - 振荡回路逆变器及其运行方法和相应的电路装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及振荡回路逆变器及其运行方法和相应的电路装置。所述振荡回路逆变器包括：整流器；直流中间回路(202)；逆变器(203)，该逆变器包括可控开关，其输出端构成振荡回路逆变器的输出端，并且通过它将电流引向负载；第一调节器(10)，借其可调节振荡回路逆变器的由输出电流(Iist)与电压(Uist)之间的相位角确定的工作点(Ap)，为此，第一调节器确定输出电流的要借助于逆变器设定的频率作为调整量；相位探测器(8)，借其依据输出电流的过零点可确定一实际相位角；用于探测输出电流的过零点的装置，其中，为了确定实际相位角，可以确定一测量的时间(Ti)与一已知的静止时间(Tt)的差。

Description

振荡回路逆变器及其运行方法和相应的电路装置
技术领域
本发明涉及一种具有可调节工作点的振荡回路逆变器及其运行方法，此外还涉及一种包括该振荡回路逆变器的电路装置。
背景技术
例如，在CarlHanser出版社，第2版，ISBN3-446-18993-9，RainerFelderhoff所著的教科书“工业电子学(Leistungselektronik)”中，介绍了振荡回路逆变器。该书所描述的振荡回路逆变器具有例如三相整流器、直流中间回路和单相的逆变器，该逆变器的输出端构成了振荡回路逆变器的输出端，并且通过该逆变器使电流流向所连接的负载。
振荡回路逆变器经常被用作变频器。
由文献EP0617503A1已知一种用于振荡回路逆变器的工作点调节的装置和方法。在该文献中公开的振荡回路逆变器用于对加热物进行感应加热。在该文献中，阐释了在负载回路中为感应加热所选择的电流频率的意义。有利地，按照电工元件的选择和/或供用可能性，输出电流的频率或是略大于谐振频率或是略小于谐振频率。由此可知，在该文献中所阐述的也就是负载回路的电感特性或电容特性，即，在振荡回路逆变器的输出端处输出电流相对于电压为滞后或超前。该文献中公开的振荡回路逆变器若要运行所处的工作点乃是通过在振荡回路逆变器输出端处输出电流和电压之间的相位角来确定。
在所描述的感应加热情况下，由于加热而使负载回路中的参数发生变化，该参数变化又导致谐振频率发生变化。同样，在振荡回路逆变器的输出端处输出电流和电压之间的相位角也发生变化，也就是说工作点发生了变化，这是不期望的。
所说文献中描述的解决方案是基于这样的目的：推荐一种用于串联振荡回路逆变器的工作点调节的装置和方法，从而可以与振荡回路元件的参数波动无关地识别和稳定保持前述的用于振荡回路逆变器的工作区域。
所说文献公开了对相位角的调节，其中，调节装置评估在额定相位角与实际相位角之间的差，并且依据此评估，通过对逆变器施加影响来调定输出电流的频率。相位角例如可以是在逆变器的输出端处输出电流与电压之间的角。
在此文献中固然也描述了对其它参量之间的相位角的利用，因为特别是利用输出电流有时可能是不利的。
借助于振荡回路逆变器不仅仅能够实现对加热物进行感应式加热。同样也可以在充分利用加热物的有效电阻的情况下通过电流传输来加热该加热物，这一情况的例子是，在按照西门子法借助于化学汽相沉积(ChemicalVaporDeposition)制造聚合硅时实现对细硅棒或硅棒的加热。
在加热硅棒或细硅棒(也称硅籽晶棒)时，由于硅棒或者细硅棒的生长，就如同在对加热物进行感应加热时所出现的情况那样，会导致振荡回路中的参数变化。在化学汽相沉积中，振荡回路的谐振频率也会因此发生变化，并且工作点必须相应于这个变化进行跟踪。如同在感应加热中一样，工作点在汽相沉积中也可通过调节在振荡回路逆变器输出端处输出电流和电压之间的相位角来实现。
在振荡回路逆变器中，特别是当在H型电路中利用单相的逆变器时，在频率接近谐振频率时可能会出现双重换向(Doppel-kommutierung)，因此会短促相继地出现输出电流的方向变化。这种多次的方向变化将导致输出电流有更多个过零点，因此，用以探测在振荡回路逆变器输出端处输出电流和电压之间的相位角的过零点探测至少是很困难的。
发明内容
在此提出了本发明。
本发明的目的在于建议一种振荡回路逆变器，借其能够实现对相位角亦即对工作点的调节，而不必探测输出电压的过零点。
根据本发明，该目的通过下述措施得以实现：为了确定实际相位角，可以确定一测量的时间与一已知的静止时间的差，
－所述测量的时间是在起动脉冲施加到所述逆变器的接收输出电流的可控开关的控制电极上的时刻与输出电流的紧接其后的过零点的时刻之间所能测定的时间，
－所述静止时间是在起动脉冲施加到所述逆变器的接收输出电流的可控开关的控制电极上的时刻与所述逆变器输出端处电压的紧接其后的换向之间的时间。
在已知频率的情况下可以由这个差确定在输出电流或者输出电压的一个周期之内静止时间结束的时刻与输出电流的过零点之间的相位角，这对于本领域技术人员来说不是难题。
具体而言，本发明提供一种振荡回路逆变器，包括：整流器、直流中间回路和逆变器，该逆变器包括一可控开关，并且该逆变器的输出端构成所述振荡回路逆变器的输出端，并且通过该逆变器将电流引向可连接的负载；其中，所述振荡回路逆变器具有一第一调节器，借助该第一调节器可调节振荡回路逆变器的工作点，所述工作点是由在振荡回路逆变器输出端处输出电流与电压之间的相位角所确定的，为此，所述第一调节器确定输出电流的要借助于逆变器设定的频率，作为调整量；其中，所述振荡回路逆变器具有一相位探测器，借助于该相位探测器，依据输出电流的过零点可确定一实际相位角；并且其中，所述振荡回路逆变器具有用于探测输出电流的过零点的装置；其特征在于，为了确定所述实际相位角，可确定一测量的时间与一已知的静止时间的差；所述测量的时间是往所述逆变器的接头上施加起动脉冲用以通过所述逆变器的可控开关接收输出电流的时刻与输出电流的紧接其后的过零点的时刻之间所能测定的时间；所述静止时间是往所述逆变器的接头上施加起动脉冲用以通过所述逆变器的可控开关接收输出电流的时刻与所述逆变器输出端处电压的紧接其后的换向的时刻之间的时间。
相应地，本发明提供一种用于运行如上所述的振荡回路逆变器的方法，其特征在于，为了初始化所述振荡回路逆变器，首先确定谐振频率。
此外，本发明还提供一种电路装置，其包括特别是如上所述的振荡回路逆变器，其特征在于，该电路装置在所述振荡回路逆变器的输出端具有一变压器，该变压器包括一个初级绕组和两个反向缠绕的、有相同匝数的次级绕组，这两个次级绕组以一个端部彼此相连，从而，通过所述次级绕组可分接出彼此反向的电压，所述彼此反向的电压具有相同的值或接近相同的值，并且在所述次级绕组的彼此未相连的端部之间的电压为零或接近零。
根据本发明的振荡回路逆变器可具有一第二调节器，借助该调节器可以调节输出电流。若由振荡回路逆变器提供的输出电流在调准相位角的情况下是不够的，可对输出电流进行调节，以使实际输出电流达到所期望的额定输出电流。在此，对输出电流的调节有利地比对相位角的调节要慢，从而始终使振荡回路逆变器在所期望的工作点上运行，并且以在所期望的工作点上得到的输出电流运行。
可以为第二调节器配置用以由一个用于额定输出电流的信号和一个借助于电流传感器测定的用于实际输出电流的信号生成调差的装置。振荡回路逆变器可以具有用于生成调差的值(绝对值)以及用于将调差的值与一个预先给定的数值进行比较的装置。依据比较的结果，或者是只有用于调节相位角的第一调节器能被激活或能被去活，或者是能将用于调节相位角的第一调节器和用于调节输出电流的第二调节器激活或去活。
当输出电流有小的调节偏差时，应该首先通过调准相位角、亦即调准工作点来达到所期望的电流。当实际相位角与额定相位角之间的调差较大、并且在逆变器上设定的频率与谐振频率区别很大时，则该方式特别有针对性。在这种情况下，出发点可能是：在工作点中以所期望的额定相位角(与以设定的频率相比)实现部分明显更大的电流。
当上述方式不足以达到要求或调节偏差的量值过大时，才激活对输出电流的调节。这样就在直流电压中间回路中在整流器上提供一个用于直流电压的调整量。整流器可以在中间回路中设定(优选调准)这个电压。因为输出电流直接取决于中间回路电压，所以通过改变中间回路电压能够实现对输出电流的调节。
在运行根据本发明的振荡回路逆变器时，为了初始化振荡回路逆变器，可以先确定谐振频率。为了确定谐振频率，可使频率从一起始值开始降低，并且同时对输出电流进行测量。这样，可检测到出现最大输出电流时的频率作为谐振频率。因为在谐振时，输出回路中不存在无功电流，所以在谐振时可测得的有效电流最大。通过测量输出电流实际上也就可以确定谐振频率。
在确定了谐振频率之后，便可借助于相位角的第一调节器开始调节相位角。为了调节相位角，可以确定一测量的时间与一已知的静止时间的差，
－所述测量的时间是在起动脉冲施加到所述逆变器的接收输出电流的可控开关的控制电极上的时刻与输出电流的紧接其后的过零点的时刻之间所能测定的时间，
－所述静止时间是在起动脉冲施加到所述逆变器的接收输出电流的可控开关的控制电极上的时刻与所述逆变器输出端处电压的紧接其后的换向之间的时间。
这样便可由该差确定实际相位角，并且由额定相位角和实际相位角生成调差。借助于第一调节器，可以依据由额定相位角和实际相位角生成的调差，作为用于逆变器的调整量这样地改变频率，即，在逆变器的输出端处出现额定相位角。
若额定输出电流与实际输出电流之间的调差的值大于一个预先给定的数值，则在调准了相位角之后，可借助于第二调节器开始调节输出电流。
附图说明
下文将借助于附图来阐释本发明的其它特征和优点。附图示出：
图1：根据本发明的电路装置的总线路简图，带有根据本发明的振荡回路逆变器和与该电路装置连接的负载，
图2：振荡回路逆变器和与之连接的元件的谐振曲线，
图3：振荡回路逆变器的输出电压、振荡回路逆变器的输出电流、电路装置的输出电流和施加于逆变器的整流阀的控制电极上的控制电压在略微多于一个周期中的变化曲线，
图4：图3的一个片段，和
图5：根据本发明的电路装置的控制技术方框电路图。
具体实施方式
图1只示出了根据本发明的电路装置的各功率电子元件。调节装置、测量值接收器或者其它用于调节或控制功率电子元件的必要元件或构件则未示出。
图1中所示的根据本发明的电路装置具有一个三极的输入端25，其接头通过开关和保险1与三相的电网L1、L2、L3相连。所述电网可以是公共低压网。根据本发明的电路装置由施加于输入端25的三相交流电压制备出施加于该电路装置2输出端26的两相交流电压。
两相交流电压的电压相对彼此偏移180°，也就是说偏移半个周期，因此是反相的。此外，两相交流电压系统的电压具有相同的有效值。因此，在该两相交流电压系统的外馈线之间的电压为零。
输出端26分别具有一个外馈线接头261和中点线接头262。在外馈线接头261和中点线接头262之间分别连接有一个负载3。所述负载例如可以是在西门子反应器中的一个或多个硅棒对。
根据本发明的电路装置尤其是具有以下目的：由三相交流电压产生两相交流电压。
根据本发明的电路装置2的另一目的在于：借助根据本发明的电路装置2，可以在输出端26上设定两相交流电压的频率。
此外，还应该能够利用本发明的电路装置2设定通过输出端26的电流。
为了设定流过根据本发明的电路装置2输出端26的电流的电流强度和电流频率，根据本发明的电路装置2具有一振荡回路逆变器20。
振荡回路逆变器20包括一个六脉冲桥式电路(B6电路)作为整流器，该整流器上游接有一个三相交流电变换器，该变换器能够实现从电网的电流分离。六脉冲桥式电路具有可控制的整流阀，从而可调整在该六脉冲桥式电路的输出端处的直流电压。变换器和六脉冲桥式电路在图1中用一个以附图标记201表示的符号图示。
在所谓的直流中间回路中接有一电容器202，与六脉冲桥式电路的输出端并联，正如现有技术中已知的那样。
带有电容器202的直流中间回路下游接有一逆变器203。在这里指的是带有整流阀的H型电路的单相逆变器。
由逆变器203所提供的电流的频率是取决于逆变器203的整流阀的切换频率。由逆变器203所提供的电流的电流强度Iist是取决于直流电压中间回路中的直流电压UDC，该直流电压可借助于六脉冲桥式电路来设定。
这种振荡回路逆变器20原则上在现有技术中是已知的。
振荡回路逆变器20下游接有一变压器22。变压器22具有一初级绕组221，该初级绕组连接在逆变器203的输出端或者说振荡回路逆变器20的输出端。此外，变压器22还具有两个次级绕组222、223。这两个次级绕组222、223反向缠绕，并且设置在变压器22的变压器芯的铁心柱上。因此，它们被相同的磁场穿过。
次级绕组222、223的相邻的端部彼此连接，并构成了在根据本发明的电路装置2输出端处所提供的两相电压系统的中心点(中性点)。经由开关24，该中心点与电路装置2的输出端26的接头262相连。
次级绕组222、223的剩余的、对立的端部分别通过一个电容器23和一个开关24而与输出端26的接头261相连。这些接头构成了用于两相电压系统的外馈线的接头，该两相电压系统是由根据本发明的电路装置2所提供。
变压器22、电容器23和负载3在振荡回路逆变器20的输出端构成了振荡回路S。如同所有的振荡回路那样，该振荡回路具有一谐振频率。
若流过振荡回路逆变器20的输出端以及进而流过振荡回路S的输出电流的频率符合于谐振频率，则在振荡回路S中实现转变最高可能的有效功率。这样，振荡回路S中的无功功率就是尽可能小的。
以振荡回路S的谐振频率来运行振荡回路逆变器20的逆变器203可能也是所期望的。
但是业已表明：由于各种各样的原因，以振荡回路的谐振频率运行逆变器是不利的。例如，这样会在逆变器203运行时出现双重换向，这种双重换向是不期望的。
这一点可通过使频率略高于振荡回路S的谐振频率得以防止。若频率略高于谐振频率，则在振荡回路逆变器20的输出电流Iist与振荡回路逆变器20的输出电压Uist之间出现一相位角。
此外，这也就是说，工作点处于电感区域内，这样二极管便不会被那么强地加载，且不会由于二极管导致很高的功率损耗。不会发生双重换向的情况。
根据本发明现在设置如下：工作点(振荡回路逆变器20应该在此工作点中运行)通过预先规定的相位角被确定下来。若设定了该预先规定的相位角，则振荡回路逆变器20便在期望的工作点中运行。
因为至少振荡回路S的负载3具有可变的阻抗－这里涉及硅棒，其电阻是变化的－在运行根据本发明的电路装置时，振荡回路S的参数发生变化。谐振频率由此发生变化。这样，谐振频率例如可能会升高，如图2中所示。
因此，为了始终保持相同的工作点，藉以运行逆变器203的频率或者说输出电流Iist的频率必须被跟踪。对此，在根据本发明的振荡回路逆变器20中，是要涉及到在振荡回路逆变器20输出端处电压Uist和电流Iist之间的相位角调节。代替振荡回路逆变器20的输出电流Iist，也可采用通过其中一个负载3的负载电流Isek来确定相位角，因为该负载电流与振荡回路逆变器20的输出电流Iist同相。
而问题在于，当频率接近谐振频率时对输出电压Uist的过零点的检测。由于在谐振频率附近的频带中的双重换向，不可能实现对输出电压Uist过零点的明确的(单值对应的)和可靠的检测。在图3和4中，可从振荡回路逆变器的输出电压的变化曲线Uist上看到所述双重换向。
本发明利用在图3和4中所反应出来的认识/知识，即，对于检测相位角来说相当重要的输出电压Uist换向点或者过零点，相对在逆变器的接头上施加控制信号G的起动脉冲用以通过逆变器的可控开关接收输出电流Iist的时刻，具有一种固定的时间关系。这个固定的时间关系由储存于逆变器的驱动器中的静止时间Tt来预先给定，在经历了静止时间Tt之后，驱动器才将从外部施加到逆变器上的起动脉冲传送至接收电流的开关的电极。这种延迟传送是必须的，为的是在换向过程期间不会发生短路。
静止时间Tt由驱动器所确定。
因为静止时间Tt是已知的，所以若通过测量技术检测到了输出电流Iist的过零点的时刻，对于确定实际相位角就足够了。这个时刻例如可相对于起动信号G的起动脉冲的开始来检测。若测得了在起动脉冲开始的时刻和输出电流Iist的过零点之间检测的时间Ti，则可通过在所述检测的时间Ti和所述静止时间Tt之间形成差值来确定输出电压Uist的过零点与输出电流Iist的过零点之间的时间Tp。在频率已知的情况下，就能够简单地确定相位角。
借助于本发明，现在能够实现对相位角的调节，并由此能够实现对根据本发明的电路装置的工作点的调节，正如在图5中所示出的那样。
对于根据本发明的电路装置的调节是通过两个调节回路实现：一个调节回路用于调节相位角(并且由此用于调节工作点)、一个调节回路用于调节输出电流Iist。
用于调节相位角的调节回路具有一相位探测器8，借助于该相位探测器，依据输出电流Iist的一个过零点，可以确定一个实际相位角。在所述相位探测器中整合有用于探测输出电流Iist的过零点的装置。所述相位探测器具有一输入端，通过该输入端，实际输出电流被输送给相位探测器。
为了确定相位角，相位探测器还需要关于输出电压Uist的过零点的信息。这些信息由逆变器203提供给相位探测器8。该信息包括静止时间Tt和起动信号G的起动脉冲开始的时刻。由这些信息和输出电流Iist的过零点的时刻，相位探测器8便可在频率已知的情况下确定实际相位角，该已知频率的数值同样由逆变器203提供。
在用于生成调差的装置9中，从预先给定的额定相位角减去实际相位角或者代表实际相位角的信号，该额定相位角预先给定期望的工作点。将这样确定的调差输送给第一调节器10，该第一调节器由该调差确定一调整量。所述调整量是指频率f，该频率是为了使调差最小化而在逆变器203上设定的。
用于调节输出电流Iist的调节回路具有一个电流传感器4，该电流传感器将输出电流Iist的实际电流强度转换为代表该实际电流强度的信号。在用于生成调差e的装置5中，从指令参数(即代表额定电流强度的信号)减去这个代表实际电流强度的信号，以生成调差e。
然后，先要继续观测这个调差e。在用于生成调差的值(绝对值)和用于将调差的值与一个预先给定的数值进行比较的装置6中进行这种观测。为了观测，首先在装置6中生成调差的值，然后再将这个值与一个预先给定的数值进行比较。若调差的值大于所述预先给定的数值，则激活第二调节器7用以调节输出电流Iist。用于调节输出电流Iist的第二调节器7可以是PI－调节器。第二调节器7产生一个调整量，以该调整量往整流器201上施加影响，从而改变中间回路电压UDC，逆变器203以及整个振荡回路逆变器20的输出电流Iist是取决于该中间回路电压。

Claims (15)

1.振荡回路逆变器(20)，包括：
－整流器，
－直流中间回路(202)，和
－逆变器(203)，该逆变器包括一可控开关，并且该逆变器的输出端构成所述振荡回路逆变器的输出端，并且通过该逆变器将电流引向可连接的负载，
－其中，所述振荡回路逆变器(20)具有一第一调节器(10)，借助该第一调节器可调节振荡回路逆变器(20)的工作点(Ap)，所述工作点是由在振荡回路逆变器(20)输出端处输出电流(Iist)与电压(Uist)之间的相位角所确定的，为此，所述第一调节器(10)确定输出电流(Iist)的要借助于逆变器(203)设定的频率，作为调整量，
－其中，所述振荡回路逆变器(20)具有一相位探测器(8)，借助于该相位探测器，依据输出电流(Iist)的过零点可确定一实际相位角，并且
－其中，所述振荡回路逆变器具有用于探测输出电流(Iist)的过零点的装置，
其特征在于，为了确定所述实际相位角，可确定一测量的时间(Ti)与一已知的静止时间(Tt)的差(Ti－Tt)，
－所述测量的时间(Ti)是往所述逆变器(203)的接头上施加起动脉冲用以通过所述逆变器(203)的可控开关接收输出电流(Iist)的时刻与输出电流(Iist)的紧接其后的过零点的时刻之间所能测定的时间，
－所述静止时间(Tt)是往所述逆变器(203)的接头上施加起动脉冲用以通过所述逆变器(203)的可控开关接收输出电流的时刻与所述逆变器(203)输出端处电压的紧接其后的换向的时刻之间的时间。
2.如权利要求1所述的振荡回路逆变器(20)，其特征在于，该振荡回路逆变器具有一第二调节器(7)，借助该第二调节器可调节输出电流(Iist)。
3.如权利要求2所述的振荡回路逆变器(20)，其特征在于，所述第二调节器(7)配置有用于生成调差(e)的装置(5)，该调差是由一个用于额定输出电流的信号(I* soll)和一个借助于电流传感器测定的用于实际输出电流(Iist)的信号(I* ist)生成的。
4.如权利要求3所述的振荡回路逆变器(20)，其特征在于，所述振荡回路逆变器(20)具有用于生成所述调差(e)的值(|e|)和用于将所述调差(e)的值(|e|)与一个预先给定的数值进行比较的装置(6)。
5.如权利要求4所述的振荡回路逆变器(20)，其特征在于，依据比较的结果，或者是能将用于调节相位角的所述第一调节器(10)激活或去活，或者是能将用于调节相位角的所述第一调节器(10)和用于调节输出电流(Iist)的所述第二调节器(7)激活或去活。
6.用于运行如权利要求1至5之任一项所述的振荡回路逆变器(20)的方法，其特征在于，为了初始化所述振荡回路逆变器(20)，首先确定谐振频率。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，为了确定所述谐振频率，使频率从一个初始值开始下降并且对输出电流(Iist)进行测量，以及，检测到出现最大输出电流(Iist)时的频率作为谐振频率。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，在确定谐振频率之后，借助于第一调节器(10)开始调节相位角。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，为了调节相位角，确定一测量的时间(Ti)与一已知的静止时间(Tt)的差(Ti－Tt)，
－所述测量的时间(Ti)是在起动脉冲施加到所述逆变器的接收输出电流(Iist)的可控开关的控制电极上的时刻与输出电流(Iist)的紧接其后的过零点的时刻之间所能测定的时间，
－所述静止时间(Tt)是在起动脉冲施加到所述逆变器的接收输出电流的可控开关的控制电极上的时刻与所述逆变器(203)输出端处电压(Uist)的紧接其后的换向之间的时间。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，由所述差(Ti－Tt)确定实际相位角并且由额定相位角和该实际相位角生成调差。
11.如权利要求8所述的方法，其特征在于，借助于第一调节器，依据由额定相位角和实际相位角生成的调差，作为用于逆变器的调整量这样地改变频率，使得在逆变器(203)的输出端处出现额定相位角。
12.如权利要求8至11之任一项所述的方法，其特征在于，在调准相位角之后，若在额定输出电流(Isoll)与实际输出电流(Iist)之间的调差(e)的值(|e|)大于一个预先给定的数值，则借助于第二调节器(7)开始调节输出电流(Iist)。
13.电路装置(2)，其包括如权利要求1至5之任一项所述的振荡回路逆变器(20)，其特征在于，该电路装置在所述振荡回路逆变器(20)的输出端具有一变压器(22)，该变压器包括一个初级绕组(221)和两个反向缠绕的、有相同匝数的次级绕组(222)，这两个次级绕组以一个端部彼此相连，从而，通过所述次级绕组(222)可分接出彼此反向的电压，所述彼此反向的电压具有相同的值或接近相同的值，并且在所述次级绕组的彼此未相连的端部之间的电压为零或接近零。
14.如权利要求13所述的电路装置，其特征在于，所述次级绕组的彼此未相连的端部各自与该电路装置(2)的一个输出端(26)串联。
15.如权利要求14所述的电路装置，其特征在于，在所述次级绕组的彼此未相连的端部和所述输出端的接头之间设置有一电容器和/或一开关。
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