RU2315414C1

RU2315414C1 - Method for control of resonance inverter with antiparallel diodes

Info

Publication number: RU2315414C1
Application number: RU2006122371/09A
Authority: RU
Inventors: Олег Евгеньевич Сандырев; Святослав Константинович Земан
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Магнит"
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-01-20

Abstract

FIELD: electrical engineering, applicable in control systems of a resonance inverter with a pulse-duration modulation for induction heating units.

SUBSTANCE: the control method consists in formation and alternate supply of control pulses to the transistors forming the forward and back half-waves of current in the load. The novelty in the method is in the fact that first levels of the process parameter are preset that permit and prohibit the supply of control pulses. In operation the current mean value of the process parameter is measured for several last periods of the resonance frequency and compared with the preset levels. In the measured current mean value of the measured process parameters is less the preset permitting level, the permission to the supply the control pulses is authorized. Of the measured current mean value is greater than or equal to the level prohibiting the supply of control pulses, the permission to supply the control pulses is switched off with a simultaneous short-circuiting of the load input by power switching instruments of the long input. The method provides for control of current, voltage or power at the load, in this case the use of the circuit elements is enhanced, since current in the load flows uninterruptedly.

EFFECT: expanded functional potentialities due to provision of control of any of the following process parameters; output voltage, current and power, as well as enhanced range of adjustment of the process parameter at a supply of the electric load with parameters varying within a wide range.

2 dwg

Description

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах индукционного нагрева с полупроводниковыми преобразователями частоты.The invention relates to electrical engineering and can be used in induction heating systems with semiconductor frequency converters.

Известны способы широтно-импульсного управления при естественной коммутации переменного тока. Цель регулирования в данном случае состоит в изменении действующего значения напряжения на активной нагрузке для преобразования электрической энергии в тепловую. При таком регулировании период цикла входного тока регулятора много больше периода резонансной частоты колебательного контура (см., например, Зиновьев Г.С. Основы силовой электроники. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003). Недостатком данного способа управления является сужение диапазона регулирования при работе преобразователя частоты на колебательные контуры с высокой добротностью вследствие слабого затухания колебаний в контуре. Для достижения необходимого диапазона регулирования приходится предусматривать большее количество пропусков импульсов. Это приводит к появлению субгармоник на частотах, значительно меньших резонансной частоты. Последнее обстоятельство приводит к эмиссии низкочастотных помех в сеть, нормы которых устанавливаются государственными стандартами на качество электроэнергии.Known methods of pulse-width control for natural switching of alternating current. The purpose of regulation in this case is to change the current value of the voltage at the active load to convert electrical energy into heat. With this regulation, the cycle period of the input current of the controller is much longer than the period of the resonant frequency of the oscillatory circuit (see, for example, G. Zinoviev, Fundamentals of Power Electronics. - Novosibirsk: NSTU Publishing House, 2003). The disadvantage of this control method is the narrowing of the control range during operation of the frequency converter to oscillating circuits with high quality factor due to the weak attenuation of oscillations in the circuit. To achieve the required control range, it is necessary to provide for a greater number of skipping pulses. This leads to the appearance of subharmonics at frequencies much lower than the resonance frequency. The latter circumstance leads to the emission of low-frequency interference into the network, the norms of which are established by state standards for electricity quality.

Наиболее близок к изобретению способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающийся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на силовые коммутирующие приборы, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке (Силкин Е.М. Способ управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами. - Патент на изобретение №2152683).Closest to the invention is a method for controlling a resonant inverter with anti-parallel diodes, which consists in the formation and alternating supply of control pulses to power switching devices that form the forward and reverse half-waves of the current in the load (EM Silkin. Method for controlling a resonant inverter with anti-parallel diodes . - Patent for the invention No. 2152683).

При данном способе управления можно решить задачу стабилизации уровня выходного напряжения инвертора при питании электротехнологической нагрузки с изменяющимися в широких пределах параметрами. При этом дополнительно улучшаются технико-экономические показатели и повышается КПД установки за счет поддерживания выходной мощности инвертора в процессе плавки на максимально возможном уровне. Недостатками данного способа являются:With this control method, it is possible to solve the problem of stabilizing the inverter output voltage level when supplying an electrotechnological load with parameters varying over a wide range. At the same time, technical and economic indicators are improved and the efficiency of the installation is increased by maintaining the inverter output power during the smelting process at the highest possible level. The disadvantages of this method are:

1) Невозможность стабилизации мощности потребляемой нагрузкой. Это приводит к сокращению функциональных возможностей данного способа регулирования.1) The inability to stabilize the power consumed by the load. This leads to a reduction in the functionality of this method of regulation.

2) Малый коэффициент использования силовых коммутирующих элементов схемы, так как ток нагрузки является прерывистым. Это приводит к ухудшению технико-экономических показателей, таких как стоимость силовых коммутирующих элементов, увеличение массогабаритных показателей.2) Low utilization of power switching elements of the circuit, since the load current is intermittent. This leads to a deterioration of technical and economic indicators, such as the cost of power switching elements, an increase in overall dimensions.

Целью изобретения является регулирование заданного технологического параметра (уровень выходного напряжения, тока и мощности), улучшение технико-экономических и массогабаритных показателей.The aim of the invention is the regulation of a given technological parameter (level of output voltage, current and power), the improvement of technical, economic and overall dimensions.

Поставленная цель достигается тем, что в способе управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами, заключающемся в формировании и поочередной подаче импульсов управления на силовые коммутирующие приборы, формирующие прямую и обратную полуволны тока в нагрузке, задают уровни технологического параметра, разрешающие и запрещающие подачу управляющих импульсов на силовые коммутирующие приборы, измеряют текущее среднее значение технологического параметра за несколько последних периодов резонансной частоты, включают разрешение на подачу управляющих импульсов, если измеренное текущее среднее значение технологического параметра меньше заданного разрешающего уровня, и выключают разрешение на подачу управляющих импульсов с одновременным закорачиванием входа нагрузки силовыми коммутирующими приборами инвертора входа нагрузки, если измеренное текущее среднее значение больше или равно уровню, запрещающему подачу управляющих импульсов.This goal is achieved by the fact that in the method of controlling a resonant inverter with counter-parallel diodes, which consists in the formation and alternating supply of control pulses to power switching devices that form the forward and reverse half-waves of the current in the load, set the technological parameter levels that allow and prohibit the supply of control pulses on power switching devices, measure the current average value of the technological parameter for the last few periods of the resonant frequency, include permission to supply control pulses, if the measured current average value of the technological parameter is less than the specified resolution level, and turn off the permission to supply control pulses while shortening the load input by power switching devices of the inverter of the load input, if the measured current average value is greater than or equal to the level prohibiting the supply of control pulses.

При таком способе управления расширяются функциональные возможности:With this control method, the functionality is expanded:

- имеется возможность регулирования тока, напряжения или мощности на нагрузки;- there is the possibility of regulating the current, voltage or power on the load;

- повышается использование элементов схемы, т.к. ток в нагрузке протекает непрерывно.- increases the use of circuit elements, because the current in the load flows continuously.

Сущность способа поясняется со ссылками на чертежи, на которых представлено: на фиг.1 - временные диаграммы работы схемы, реализующей способ; на фиг.2 - функциональная схема силовой части и схемы управления инвертором, реализующей данный способ.The essence of the method is illustrated with reference to the drawings, which show: in Fig.1 - time diagrams of the operation of the circuit that implements the method; figure 2 is a functional diagram of the power part and the control circuit of the inverter that implements this method.

На фиг.1: U₁ - напряжение на выходе преобразователя 17; U₂ - сигнал на выходе компаратора 18; U₃ - сигнал блока синхронизации 19; U₄ - сигнал компаратора 18, синхронизированный с сигналом блока 19; U_оп - величина стабилизируемого значения (уставка) технологического параметра; Δ - величина допустимого отклонения технологического параметра от уставки; U_вых - напряжение между точками А и В на выходе мостового инвертора; I_вых - ток нагрузки на выходе мостового инвертора; Т_вк - временной интервал вынужденных колебаний тока в контуре; Т_ск - временной интервал свободных колебаний тока в контуре.Figure 1: U ₁ - the voltage at the output of the Converter 17; U ₂ is the signal at the output of comparator 18; U ₃ - signal block synchronization 19; U ₄ - the signal of the comparator 18, synchronized with the signal of the block 19; U _op - the value of the stabilized value (setpoint) of the technological parameter; Δ is the value of the permissible deviation of the process parameter from the set point; U _o - voltage between points A and B at the output of the bridge inverter; I _o - load current at the output of the bridge inverter; T _VK - the time interval of forced current oscillations in the circuit; T _ck is the time interval of free current oscillations in the circuit.

Схема устройства для реализации способа управления резонансным инвертором со встречно-параллельными диодами на фиг.2 включает резонансный инвертор, имеющий на входе Г-образный фильтр, состоящий из дросселя 1 и фильтрового конденсатора 2, подключенный последовательно через датчик тока 3 к мостовому инвертору, содержащему силовые коммутирующие приборы 8, 9, 10, 11, параллельно которым встречно включены диоды 4, 5, 6, 7. Нагрузка инвертора содержит последовательный резонансный контур, состоящий из индуктора 13 с нагреваемой заготовкой 14 и компенсирующего его реактивную энергию конденсатора 15. Система управления состоит из датчика 16 технологического параметра (например, потребляемой мощности), преобразователя 17 среднего текущего значения технологического параметра, компаратора 18 с гистерезисом, блока синхронизации 19 с нулем коммутируемого тока инвертора, формирователя 20 последовательностей управляющих импульсов (Upr1, Upr2, Upr3, Upr4) в режиме вынужденных колебаний и в режиме свободных колебаний тока колебательного контура.The diagram of a device for implementing a control method for a resonant inverter with anti-parallel diodes in figure 2 includes a resonant inverter having an L-shaped filter at the input, consisting of a choke 1 and a filter capacitor 2, connected in series through a current sensor 3 to a bridge inverter containing power switching devices 8, 9, 10, 11, parallel to which the diodes 4, 5, 6, 7 are counterclockwise connected. The inverter load comprises a series resonant circuit consisting of an inductor 13 with a heated preform 14 and compensated the reactive energy of the capacitor 15. The control system consists of a sensor 16 of a technological parameter (for example, power consumption), a transducer 17 of the average current value of the technological parameter, a comparator 18 with hysteresis, a synchronization unit 19 with zero switched inverter current, a shaper of 20 sequences of control pulses ( Upr1, Upr2, Upr3, Upr4) in the mode of forced oscillations and in the mode of free oscillations of the current of the oscillatory circuit.

Устройство работает следующим образом: на вход датчика 16 технологического параметра подается сигнал с датчика тока 3 и напряжение с фильтровой емкости 2. С выхода датчика 16 сигнал поступает на вход преобразователя 17 среднего текущего значения, где производится усреднение полученного сигнала за несколько периодов резонансной частоты инвертора. Полученный сигнал подается на вход компаратора 18, с выхода которого уровень логической единицы является сигналом к запуску формирователя 20 в режиме вынужденных колебаний, а уровень логического нуля - сигналом к запуску формирователя в режиме свободных колебаний тока колебательного контура. В начальном состоянии (t₀-t₂), когда сигнал U₂ на выходе преобразователя 17 среднего значения технологического параметра еще не достиг верхней границы допустимого отклонения (U_оп+Δ) от величины уставки (U_оп), на выходе компаратора 18 присутствует сигнал логической единицы (U₃), разрешающий работу формирователя 20 управляющих импульсов в режиме вынужденных колебаний. После того как сигнал U₂ на выходе преобразователя среднего значения 17 достиг верхней границы допустимого отклонения, (момент времени t₂), выход компаратора 18 переходит в состояние логического нуля, разрешая работу формирователя 20 управляющих импульсов в режиме свободных колебаний тока колебательного контура. Интервал свободных колебаний тока формируется за счет закоротки между точками А и В (см. фиг.2). Для этого необходимо подать управляющие импульсы Upr1, Upr3, открывающие силовые коммутирующие приборы 8 и 10, которые, в свою очередь, формируют две внешние цепи закоротки для последовательного резонансного контура: цепь для положительной полуволны резонансного тока включает в себя обратный диод 4 и коммутирующий прибор 10; цепь для отрицательной полуволны резонансного тока включает в себя обратный диод 6 и коммутирующий прибор 8. Выход формирователя 20 синхронизируется с нулем коммутируемого тока посредством блока 19, входом для которого является выход с датчика тока 12. После синхронизации с нулем коммутируемого тока (момент времени t₃) формирователь 20 выдает на выходе интервал свободных колебаний тока нагрузки. После того как сигнал на выходе блока 17 достиг нижней границы (U_оп-Δ) допустимого отклонения от величины уставки (момент времени t₄), выход компаратора 18 переходит в состояние логической единицы, разрешая работу формирователя 20 в режиме вынужденных колебаний. После синхронизации с нулем коммутируемого тока, посредством блока синхронизации 19, в момент времени t₅, на выходе формирователя 20 выдается последовательность управляющих импульсов Upr1, Upr2, Upr3 и Upr4 в режиме вынужденных колебаний, которые подаются на вход силовых коммутирующих приборов 8, 9, 10, 11. Таким образом, производится регулирование заданного технологического параметра по принципу слежения за входной координатой технологического параметра.The device operates as follows: the signal from the current sensor 3 and the voltage from the filter capacitance 2 are fed to the input of the sensor 16 of the technological parameter. From the output of the sensor 16, the signal is fed to the input of the converter 17 of the average current value, where the received signal is averaged over several periods of the inverter resonance frequency. The received signal is fed to the input of the comparator 18, from the output of which the level of the logical unit is the signal to start the shaper 20 in the forced oscillation mode, and the level of logical zero is the signal to start the shaper in the mode of free oscillation of the current of the oscillatory circuit. In the initial state (t ₀ -t ₂ ), when the signal U ₂ at the output of the transducer 17 of the average value of the technological parameter has not yet reached the upper limit of the permissible deviation (U _op + Δ) from the set value (U _op ), a signal is present at the output of the comparator 18 logical unit (U ₃ ), allowing the operation of the shaper 20 control pulses in the forced oscillation mode. After the signal U ₂ at the output of the average value transducer 17 reaches the upper limit of the permissible deviation, (time t ₂ ), the output of the comparator 18 goes into a logic zero state, allowing the operation of the driver 20 of the control pulses in the mode of free oscillations of the current of the oscillating circuit. The interval of free current fluctuations is formed due to the short circuit between points A and B (see figure 2). For this, it is necessary to apply control pulses Upr1, Upr3, which open the power switching devices 8 and 10, which, in turn, form two external short-circuits for the series resonant circuit: the circuit for the positive half-wave of the resonant current includes a reverse diode 4 and switching device 10 ; the circuit for the negative half-wave of the resonant current includes a reverse diode 6 and switching device 8. The output of the driver 20 is synchronized with zero switching current through block 19, the input of which is the output from current sensor 12. After synchronization with zero switched current (time t ₃ ) the shaper 20 generates at the output an interval of free oscillations of the load current. After the signal at the output of block 17 has reached the lower limit (U _op -Δ) of the permissible deviation from the set value (time t ₄ ), the output of the comparator 18 goes into the state of a logical unit, allowing the shaper 20 to work in the forced oscillation mode. After synchronization with zero switching current, through the synchronization unit 19, at time t ₅ , the output of the driver 20 is a sequence of control pulses Upr1, Upr2, Upr3 and Upr4 in the forced oscillation mode, which are fed to the input of the power switching devices 8, 9, 10 , 11. Thus, the specified technological parameter is regulated according to the principle of tracking the input coordinate of the technological parameter.

По заявляемому способу напряжение U_вых и ток I_вых на выходе инвертора формируется в соответствии с диаграммой, приведенной на фиг.1.According to the claimed method, the voltage U _o and the current I _o at the inverter output are formed in accordance with the diagram shown in figure 1.

Таким образом, рассмотренный способ управления имеет следующие преимущества:Thus, the considered control method has the following advantages:

- Регулирование заданного технологического параметра производится при высоком коэффициенте использования силовых коммутирующих элементов схемы за счет того, что ток нагрузки не является прерывистым;- Regulation of a given technological parameter is carried out at a high coefficient of utilization of power switching elements of the circuit due to the fact that the load current is not intermittent;

- Значительно уменьшены динамические потери на переключение силовых коммутирующих приборов, так как переключение происходит при нулевом токе нагрузки.- Significantly reduced dynamic losses on switching power switching devices, since switching occurs at zero load current.

Перечисленные выше достоинства позволяют значительно повысить технико-экономические показатели данного способа регулирования.The advantages listed above can significantly improve the technical and economic indicators of this method of regulation.

Claims

A method for controlling a resonant inverter with counter-parallel diodes, which consists in the formation and alternating supply of control pulses to power switching devices that form the forward and reverse half-waves of the current in the load, characterized in that they set the technological parameter levels that allow and prohibit the supply of control pulses to power switching instruments, measure the current average value of the technological parameter for the last few periods of the resonant frequency, permission to feed control boiling pulses activated if the measured current average value of a process variable is less than a predetermined level permitting, on and off permit supply control pulses with simultaneous power switching devices shorting the load input of the inverter, if the measured current average value is greater than or equal to the level, prohibiting the supply of control pulses.