Устройство пуска и управления трансформаторно-ключевого преобразователя

 

Сущность изобретения: устройство содержит нуль-индикатор (10), формирователь импульсов (11), Ь-триггеры (12/17), одновибраторы (13, 19, 20, 21, 22), элемент 3 ИЛИ

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (5))ю Н 02 M 5/27

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

Г1РИ ГКНТ СССР

"J .-,;:,,ч

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

i8,л 1 j

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4907957/07 (22) 04,02,91 (46) 15.11.92. Бюл. М 42 (71) Винницкий политехнический институт (72) В.А.Кравчук, Е.В.Яцик, В,Д,Белинский, В.В.Пустовит и В.И.Капица (56) Авторское свидетельство СССР

N 1390744, кл. Н 02 М 5/27, 1987.

Авторское свидетельство СССР

М 1361690, кл, Н 02 М 5/27, 1987. (54) УСТРОЙСТВО ПУСКА И УПРАВЛЕНИЯ

ТРАНСФОРМАТОРНО-КЛЮЧЕВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ

„„ЯЦ„„1775821 Al (57) Сущность изобретения; устройство содержит нуль-.индикатор (10), формирователь импульсов (11), D-триггеры (12, 17), одновибраторы (13, 19, 20, 21, 22), элемент 3 ИЛИ (14), элементы 2И (15, 16), элемент 2ИЛИ (23). На этапе пуска устройство обеспечивает заряд коммутирующих конденсаторов обоих узлов коммутации трансформаторно-ключевого преобразователя до максимального значения. Это дает возможность достигнуть . коммутационной устойчивости преобразователя в процессе регулирования выходной частоты преобразователя. 2 ил.

1775821

10

30

Э5

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и предназначено в основном для пуска и управления трансформаторно-ключевыми преобразователями регулируемой частоты, содержащими два узла коммутации, работающими в противофазе. Может быть, также использовано в выключателях переменного тока, Известного устройство для пуска преобразователя частоты.

Так как в трансформаторно-ключевом преобразователе коммутирующий конденсатор заряжается от первичной сети синусоидального напряжения, а первый и второй узлы коммутации работают в противофазе, то такое устройство пуска не может быть использовано.

Наиболее близким по существу технического решения устройством является блок управления трансформаторно-ключевым преобразователем.

Устройство содержит задатчик частоты, выполненный в виде последовательно соединенных нуль-индикатора и формирователя импульсов, а также распределитель импульсов, выходы которого соединены с управляющими входами ключей переменного тока, Управляемые ключи переменного тока поочередно коммутируют управляющие обмотки трансформаторно-ключевого преобразователя. Распределитель импульсов состоит из

О-триггера, двух элементов.2 И, двух элементов 2И вЂ” НЕ и логического инвертора.

Блок управления генерирует две последовательностии широких импульсов и две последовательности узких импульсов, соответствующих моментам окончания широких импульсов, Длительность широкого импульса каждой из последовательностей соответствует интервалу закороченного состояния правой или левой управляющих обмоток преобразователя соответственно (т,е. замкнутого состояния ключа переменного тока), Поступление узкого импульса на узел коммутации приводит к размыканию соответствующей управляющей обмотки, Важной особенностью работы узла коммутации трансформаторно-ключевого преобразователя регулируемой частоты является выбор такого момента первого замыкания управляющей обмотки, совпадающего с передним фронтом широкого импульса, когда напряжение питающей сети имеет максимальное значение. Это позволяет зарядить коммутирующий конденсатор также до максимального значения и, таким образом, обеспечить последующую коммутационную устойчивость узла коммутации, Однако, коммутационная устойчивость всего преобразователя в целом может быть обеспечена лишь в том случае, когда и вторая управляющая обмотка преобразователя будет первый раз замкнута (после размыкания первой, в силу принципа действия преобразователя) при Umiak =

Umax Причем, между моментами замыкания второй и размыкания первой управляющих обмоток существует жесткая связь во времени, так как они работают в противофазе в процессе регулирования задающей и, соответственно, выходной частоты преобразователя.

В силу вышесказанного блок управления по схеме прототипа не может обеспечить регулирование задающей частоты, а также обеспечить моменты пуска первого и второго узлов коммутации, которые определяют пуск и последующую коммутационную устойчивость преобразователя в целом, Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей и повышение надежности устройства и преобразователя в целом за счет выбора момента его пуска.

Указанная цель достигается тем, что в устройство пуска и управления трансформаторно-ключевого преобразователя, включающего трехстержневой магнитопровод, первичную обмотку, две вторичные обмотки и две управляющие обмотки, зашунтированные двумя управляемыми ключами переменного тока, содержащее нуль-индикатор, вход которого предназначен для соединения с входными выводами преобразователя, формирователь импульсов, входом соединенный с выходом нуль-индикатора, D-триггер, С-входом соединенный с выходом формирователя импульсов, два элемента 2 И, введены дополнительный D-триггер, командоаппарат, элемент Э ИЛИ, первый одновибратор, вход которого соединен с инверсным выходом О-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом элемента 3 ИЛИ, выход первого одновибратора соединен с первым входом первого элемента 2 И и со вторым входом элемента

3 ИЛИ, третий вход которого соединен с первым входом второго элемента 2 И, второй вход первого элемента 2 И соединен с прямым выходом дополнительного О-триггера, второй вход второго элемента 2 И соединен с инверсным выходом дополнительного

О-триггера, выход командоаппарата подключен к общей точке соединения S-входов Отриггеров, последовательно соединенные второй, третий, четвертый и пятый одновибраторы, вход второго одновибратора подключен к выходу элемента 3 ИЛИ, выход пятого одновибратора соединен с третьим входом элемента 3 ИЛИ, элемент 2 ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого элемента 2 И, а второй — с выходом

1775821 второго элемента 2 И, выход элемента 2

ИЛИ соединен с С-входом дополнительного

D-триггера, причем выход элемента 2 ИЛИ и выход второго одновибратора предназначены для подключения к управляющим входам первого управляемого ключа переменного тока, а выход третьего одновибратора и выход четвертого одновибратора— для подключения к управляющим входам второго управляемого ключа переменного тока.

В преобразовательной и импульсной технике известны схемы управления, содержащие нуль-индикатор входного сигнала с последующей обработкой его выходного напряжения, В таких схемах управления известно также использование формирователей, триггеров и одновибраторов, срабатывающих как по переднему, так и по заднему фронту входных импульсов. Однако свойства таких схем управления (в том числе и схемы прототипа) не позволяют использовать их для пуска и управления трансформаторно-ключевым преобразователем регулируемой частоты. Благодаря предлагаемому алгоритму организации управляющих сигналов обоих узлов коммутации преобразователя стало возможным получить новые свойства устройства управления: возможность первоначального максимального заряда коммутирующих конденсаторов в обоих узлах коммутации при условии, что эти узлы коммутации работают поочередно при регулировании управляющей частоты и, соответственно, выходной частоты преобразователя, работающего по модуляционному принципу.

Кроме того, в предлагаемом устройстве совмещены функции пуска преобразователя и

его последующего управления, когда после перво начал ьно го за ряда коммутирующих конденсаторов узлов коммутации до максимального напряжения происходит генерирование последовательностей широких управляющих импульсов и соответствующих моментам их окончания узких импульсов.

На фиг,1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 — диаграммы напряжений на элементах устройства, Устройство пуска и управления трансформаторно-ключевого преобразователя, включающего трехстержневой магнитопровод 1, первичную обмотку 2, две вторичные обмотки 3 и 4 и две управляющие обмотки 5 и 6, зашунтированные двумя управляемыми ключами 7 и 8 переменного тока, состоит из нуль-индикатора 10, входом соединенного с входными выводами 9 преобразователя, а выходом — со входом формирователя импульсов 11, 0-триггера 12. одновибратора

13, элемента 3 ИЛИ 14, элементов 2 И 15 и

16, дополнительного триггера 17, командо5 аппарата 18, одновибраторов 19, 20, 21, 22 и схемы 2 ИЛИ 23. Выход формирователя . импульсов 11 соединен с С-входом D-триггера 12. Инверсный выход D-триггера 12 соединен с входом первого одновибратора

10 13, первый вход элемента 3 ИЛИ 14 соединен с прямым выходом 0-триггера 12, второй вход элемента 14 соединен с выходом первого одновибратора 13 и первым входом первого элемента 2 И 15, а третий вход эле.15 мента 3 ИЛИ 14 — с первым входом второго элемента 2 И 16 и выходом пятого одновибратора 22. Выход элемента 3 ИЛИ 14 подключен ко входу второго одновибратора 19, выход одновибратора 19 подключен ко вхо- .

20 ду третьего одновибратора 20, выход одновибратора 20 соединен с входом четвертого одновибратора 21, а его выход — со входом пятого одновибратора 22.

S-входы D-триггеров 12 и 17 соединены

25 в общую точку к которой подключен выход командоаппарата 18, Прямой выход дополнительного D-триггера 17 соединен со вторым входом первого элемента 2 .И 15, а инверсный выход триггера 17 — со вторым

30 входом второго элемента? И 16. Выход первого элемента 2 И 15 подключен к первому входу элемента 2 ИЛИ 23, а выход второго элемента 2 И 16 — ко второму входу элемента

2 ИЛИ 23. Выход элемента 23 соединен с

35 С-входом дополнительного D-триггера 17. . Вход нуль-индикатора 10 является входом устройства, предназначен для подключения к входным выводам 9 преобразователя и определяет момент перехода сетевого на40 пряжения через нулевое значение.

Выход элемента 2 ИЛИ 23 и выход второго одновибратора 19 предназначены для подключения к управляющим входам перво45 го узла коммутации трансформаторно-ключевого преобразователя, а выход третьего одновибратора 20 и выход четвертого одновибратора 21 предназначены для подключения к управляющим входам второго узла

50 коммутации. Нуль-индикатор 10 может быть построек, например, на интегральном операционном усилителе, работающем в режиме компаратора по переходу входного напряжения через нуль. Формирователь

55 импульсов 11 и одновиб раторы 19, 20, 21; 22 строятся по известной в импульсной технике схеме ждущего мультивибратора и реагируют на спад входного импульса.

Одновибратор 13 реагирует на передний фронт входного импульса.

1775821

Устройство пуска и управления трансформэторно-ключевого преобразователя (фиг,1) в соответствии с диэграммэми (фиг.2) работает следующим образом.

Нэ выходе нуль-индикатора 10, входом подключенного на напряжение питающей сети Осети (фиг.2), постоянно генерируется последовательность коротких импульсов

U. До пуска кнопка командоаппэрэта 18 замкнута, напряжение на его выходе равно нулю и нэ S-входы 0-триггеров 12 и 17 подается сигнал низкого логического уровня, Следовательно, в этом режиме на инверсных выходах триггеров 12 и 17 поддерживаются сигналы низкого логического 0y.z соответственно. Сигнал низкого логического уровня 017.2 поступает на второй вход второго элемента 2 И 16 и на выходе этого элемента также поддерживэется низкий логический уровень Оы, Неизменный сигнал низкого логического уровнй U)z.г до момента пуска (на фиг.2.момент пуска t>) не вызывает срэбатывания первого одновибратора

13 и подключенных к его выходу через элемент З.ИЛИ 14 последовательно соединенных одновибраторов 19, 20, 21, 22.

В связи с этим на первых входах элементов 2 И 15 и 16 и, соответственно, на выходах этих элементов, а также на выходе элемента 2 ИЛИ 23, будет поддерживаться низкий логический уровень.

Пусть в произвольный момент времени

t< (фиг.2) нажимается пусковая кнопка комэндоаппарата 18 и нэ его выход подается сигнал высокого логического уровня 01з, который сохраняется на протяжении работы преобразователя до момента выключения.

Одновременно с окончанием первого после момента времени t> импульса О» произой- дет переключение D-триггера 12 (на фиг.2 это момент гг), Hà его инверсном выходе установится сигнал высокого логическьго уровня и сработает первый одновибрэтор

13, Времязадающие элементы этого одновибраторэ подобрэны таким образом, что длительность импульса 0<а на его выходе составляет половину периодэ сетевого на.пряжения.

Таким образом, момент срабатывания

0-триггера 12, передний и задний фронты импульса U

Импульс О з, пройдя через элемент 3 ИЛИ

15 (нэпряжение 014, фиг.2) вызовет непрерывную генерацию последовательностей импульсов одновибраторами 19, 20, 21, 22, Благодаря подбору времязадающих цепей, одновибрэторы 20 и 22 генерируют широкие импульсы Ого и 022,длительность которых соответствует длительности включенного состояния управляемого ключа переменного тока преобразователя (или длительности закороченного состояния управляющей обмотки преобразователя), э одновибрэторы

21 и 19 генерируют короткие импульсы Uz> и 01э, соответствующие моментам окончания широких импульсов 02о и 022, которые подаются на узлы коммутации для размыкания упрэвляющей обмотки преобразователя. Созданный первым одновибратором 13 импульс О з пройдет также через первый элемент 2 И 15, т.к. нэ втором входе этого элемента поддерживается высокий логический уровень 017.3. Поступивший с прямого выходэ дополнительного D-триггера 17, С выхода элемента 2 И 15 импульс U

17. С прямого выхода этого триггера нэ второй вход первого элемента 2 И 15 будет подан сигнал низкого логического уровня, который исключит из дальнейшей работы элемент 2 И 15. С инверсного выхода триггера 17 нэ второй вход второго элемента 2

И 16 будет подан сигнал высокого логического уровня (г = гз}, который обеспечит прохождение импульсов .с выходэ пятого одновибрэторэ 22 нэ выход второго элемента 2 И 16 (нэпряжение U>s) и, соответствен45

40 но, нэ выход элемента 2 ИЛИ 23, Последовательность генерации импульсов одновибраторами 19, 20, 21, 22 иллюстрируется диаграммами 014, Ою, 02о, Uz>, Un (фиг.2), из которых видно, что каждый из одновибрэторов аырэбатывает импульс соответствующей длительности по заднему фронту импульса, поступившего на его вход.

Непрерывная генерация широких и узких импульсов, управляющих двумя узлами коммутации преобразователя обеспечивэется кольцевой схемой, состоящей из упомянутых одновибрэторов и элемента 3 ИЛИ 14

Из диаграмм фиг.2 при t > гз видно, что импульс с выхода пятого одновибрэторэ 22 (Un) при t ts, поступая на первый вход второго элемента 2 И 16 и выход элемента 2

17758? 1

ИЛИ 23, поступает также на третий вход элемента 3 ИЛИ 14. На первом и втором входах данного элемента 3 ИЛИ 14 на этом интервале времени поддерживается сигнал низкого логического уровня (U12,) и U13). Это позволяет импульсу с выхода пятого одновибратора 22 пройти через элемент 3 ИЛИ

14 на его выход и своим задним фронтом вновь запустить последовательно соединенные одновибраторы 19, 20, 21, 22. Из диаграмм Uzo, Uzz видно, что широкие импульсы, вырабатываемые одновибраторами

20 и 22, определяют длительность закороченного состояния соответствующей управляющей обмотки преобразователя (преобразователь содержит две управляю, щие обмотки), т.е. длительность замкнутого состояния управляемого ключа переменного тока (узла коммутации).

Так как по принципу действия преобразователя узлы коммутации поочередно с одинаковой длительностью закорачивают управляющие обмотки, то для обеспечения одинаковой длительности импульсов Uzo, Uzz в процессе регулирования частоты предусмотрено объединение органов регулировки одновибраторов 20 и 22.

Обратим внимание, что дополнительный 0-триггер 17 играет роль коммутатора, переключающего выходной элемент 2 ИЛИ

23 с первого элемента 2 И 15 (после прохождения через 2 ИЛИ 23 импульса длительноСТЬЮ ПОЛУПЕРИОДа 0сети) На ВтОРОй ЭЛЕМЕНТ

2 И 16, с выхода которого начинает поступать последовательность импульсов регулируемой длительности с выхода пятого одновибратора 22. При выключении устройства, т.е. замыкании кнопки и подаче низкого логического уровня на Б-входы

D-триггеров 12 и 17 в момент t =1в, в результате переключения триггеров 12 и 17 на прямом выходе триггера 12 установится высокий логический уровень, а на инверсном выходе триггера 17 — низкий логический уровень.

Сигнал высокого логического уровня с прямого выхода триггера 12 (U z. 1) поступит на первый вход элемента 3 ИЛИ 14 и прервет генерацию импульсов одновибраторами 19, 20, 21, 22. Сигнал низкого, логического уровня U17,г с инверсного выхода триггера 17 поступит на второй вход второго элемента 2 И 16 и запретит прохождение импульсов с выхода одновибратора 22 на выход элемента 2 И 16 и, соответственно, на выход элемента 2 ИЛИ 23.

Таким образом, выходными сигналами устройства пуска и управления трансформаторно-ключевого преобразователя являются сигналы:

1, Широкие импульсы Uyq для включения первого узла коммутации.

2, Узкие импульсы Uio, следующие по заднему фронту импульсов 0",з, для вь1клю5 чения первого уэла коммутации.

3. Широкие импульсы Ugp для включения второго узла коммутации. Передний фронт этих импульсов совпадает с задним фронтом, 10 Длительности. Импульсов У з и Uzo одинаковы.

4. Узкие импульсы U21, следующие по заднему фронту импульсов U,"p, для выключения второго узла коммутации.

15 По сравнению с прототипом Особенности генерации этих импульсов, определяющие достижение положительного эффекта, следующие:

1, На этапе пуска первым Генерируется

20 управляющий импульс Uyg npu t -= t:, передний фронт которого совпадает с максимумом Ucer». Это позволяет зарядить коммутирующий конденсатор первого узла коммутации до максимального напряжения

25 и обеспечить его последующую коммутационную устойчивость, Длительность этого первого импульса равна половине периода

0сети И В ТЕЧЕНИЕ ЭТОГО (Т2 — Т3) ИНТЕРВаЛа ВРЕмени остается закороченной первая управ30 ляющая обмотка преобразователя. При t =

=тз по заднему фронту Uza генерируется короткий импульс U19 и происходит p83MblK8 ние первой управляющей обмотки первым узлом коммутации. По заднему Фронту 0щ

35 при t = t4 генерируется широкий импульс

Uzo, подаваемый на второй узел коммутации.

Длительность этого импульса соответствует частоте управления преобразователем в режиме текущей работы и определяется вре40 мязадающей цепью одновибратора 20, Так как передний фронт этого импульса практически совпадает с максимумом U«», то коммутирующий конденсатор второго узла коммутации также зарядится до максималь45 ного напряжения, что обеспечит его дальнейшую коммутационную устойчивость. По заднему фронту Uzo генерируется короткий импульс Uzt, который, поступая нл второй узел коммутации, размыкает вторую управ50 ляющую обмотку преобразователя.

На этом этап пуска заканчивается.

2. Так как в момент t = ; триггер 17 отключает элемент 2 И 15 и переключает элемент 2 ИЛИ 23 на второи элеvент 2 И 16, 55 то через этот элемент на выход элемента 2

ИЛИ 23 начинается поступление широких импульсов от кольцевой схемы, состоящей из элементов 14, 19,?О, 21, 22 Это состояние устройства свидетельствует об Окончании этапа пуска и начале раб;.Ты ;тройства

1775821

12 в периодическом режиме генерирования задающей частоты преобразователя.

В предлагаемом устройстве совмещаются функции пуска и текущего управления трансформаторно-ключевым преобразователем, а функциональные элементы технически реализуются на базе интегральной схемотехники, что практически исключает необходимость регулировки и настройки устройства, а также снижает его массогабаритные показатели. На этапе пуска повышается коммутационная устойчивость узлов коммутации преобразователя. строящихся по автотрансформаторной схеме. Это позволяет повысить надежность преобразователя в целом, Заявляемое устройство пуска и управления используется в трансформаторно-ключевом преобразователе с автотрансформаторными узлами коммутации.

Преимущественное применение преобразователя — питание электромагнитного перемешивателя металлического расплава в электронно-лучевой литейной технологии.

Использование заявляемого технического решения позволяет повысить качество отливок и сократить отходы.

Формула изобретения

Устройство пуска и управления трансформаторно-ключевого и реобразователя, включающего трехстержневой магнитопровод, первичную обмотку, две вторичные обмотки и две управляющие обмотки, зашунтированные двумя управляемыми ключами переменного тока, содержащее нуль-индикатор, вход которого предназначен для соединения с входными выводами преобразователя, формирователь импульсов, входом соединенный с выходом нульиндикатора, О-триггер, С-входом соединенный с выходом формирователя импульсов, два элемента 2И, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с елью расширения функциональных

5 возможностей и повышения надежности преобразователя, введены дополнительный

D-триггер, командоаппарат, элемент3 ИЛИ, элемент 2 ИЛИ, первый одновибратор, последовательно соединенные второй, тре10 тий, четвертый и пятый одновибраторы. вход первого одновибратора соединен с инверсным выходом D-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом элемента 3 ИЛИ, выход первого одновибра15 тора соединен с первым входом первого элемента 2 И и с вторым входом элемента 3

ИЛИ, третий вход которого соединен с первым входом второго элемента 2 И, второй вход первого элемента 2 И соединен с пря20 мым выходом дополнительного О-триггера, второй вход второго элемента 2 И соединен с инверсным выходом дополнительного Dтриггера, выход командоаппарата подключен к общей точке соединения S-входов

25 О-триггеров, вход. второго одновибратора подключен к выходу элемента 3 ИЛИ, выход пятого одновибратора соединен с третьим входом элемента 3 ИЛИ,первый вход элемента 2 ИЛИ соединен с выходом первого

30 элемента 2.И, а второй — с выходом второго элемента 2 И, выход элемента 2 ИЛИ соеди нен с С-входом дополнительного D-триггера, причем выход элемента 2 ИЛИ и выход второго одновибратора предназначены для

35 подключения к управляющим входам первого управляемого ключа переменного тока, а выход третьего одновибратора и выход четвертого одновибратора — для подключения к управляющим входам второго управляе40 мого ключа переменного тока.

1775821!

I и„! !! !

-т ! а„(Составитель О.Парфенова

Техред М.Моргентал Корректор Н.Слободяник

Редактор T.Èâàíoâà

Заказ 4039 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарин.3, 101