Способ управления магнитной индукцией при преобразовании питающих напряжений

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в силовых преобразователях напряжения. Для повышения эффективности, надежности и КПД в предлагаемом способе, заключающемся в генерации последовательности импульсов, согласно изобретению формируют пары задержанных относительно друг друга импульсов последовательности, преобразуют уровни напряжения последовательности импульсов в разнополярные токи для перемагничивания сердечника по полному циклу и генерируют импульсы длительностью 5-50 мс со скважностью 1-99 % в зависимости от величины нагрузки и степени насыщения магнитопровода соответственно. 5 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в силовых преобразователях и источниках напряжения.

Известен способ управления магнитной индукцией в преобразователях напряжения (см. патент ФРГ N 4211906 C1, кл. B 23 K 9/10, 1990), заключающийся в формировании последовательности импульсов для питания потребителей. Однако этот способ имеет эффективность, ограниченную низким КПД, что не позволяет получить технический результат.

Наиболее близким к изобретению является способ управления магнитной индукцией при преобразовании питающих напряжений (см. патент EP N 0410088 B1, кл. B 23 K 9/10, 1991), заключающийся в генерации последовательности импульсов. Однако и этот способ не позволяет получить технический результат, поскольку снижает ресурс силовых коммутирующих элементов, повышает помехи при включении питания и при дальнейшей работе из-за резких токовых бросков, а также не способствует повышению КПД энергоснабжения.

Сущность изобретения основана на повышении эффективности способа с обеспечением надежной работы устройств, снижением помех и увеличением КПД источников питания за счет исключения непроизводительных энергозатрат при изменении нагрузок и при коротких замыканиях, что характеризует технический результат изобретения.

Это достигается тем, что в способе управления мостовым преобразователем, содержащим трансформатор с насыщающимся магнитопроводом, заключающемся в генерации последовательности импульсов и подаче их на разные плечи мостового преобразователя, согласно изобретению формируют генератором и элементом задержки пары из соответствующих исполнительного и задержанного импульсов, задержанных относительно друг друга, длительностью 5 - 50 микросекунд со скважностью 1 - 99% в зависимости от величины нагрузки и степени насыщения магнитопровода и подают их на разные плечи мостового преобразователя, осуществляют контроль за временем паузы между парой импульсов парами датчиков Холла, размещенными над токовыми цепями транзисторов плеч мостового преобразователя на основе первой производной тока по времени и обеспечивают с помощью элемента задержки, связанного с парами датчиков Холла, раздвижение импульсов на оптимальное время, контролируют выходное напряжение преобразователя с помощью оптопары и изменяют длительность исполнительного импульса, шунтируя вход генератора фототранзистором оптопары, контролируют магнитную насыщенность сердечника трансформатора соответствующим датчиком Холла, увеличивая скважность импульсов для предотвращения глубокого насыщения трансформатора.

Примером реализации способа является изображенное на фиг. 1 устройство. На фиг. 2, 3, 4 отображены схемы соответственно генератора импульсов, формирователя задержанного импульса (элемента задержки) и мостового преобразователя, а на фиг. 5 приведены временные диаграммы работы устройства.

На фиг. 1 изображен источник, питающий устройство и содержащий последовательно включенные фильтр 1, выключатель 2, компаратор 3, выпрямитель 5, коммутатор 4 и накопитель 6, а также ограничитель 7 и стабилизатор 8.

Устройство для осуществления данного способа содержит последовательно включенные датчик 9 Холла, генератор 10 импульсов, формирователь 11 задержанного импульса (элемент задержки), мостовой преобразователь 12 и узел 13 датчика Холла, а также элемент 14 развязки и блок 15 включения питания (источник питания).

На фиг. 2 изображен генератор 10, содержащий мультивибратор 16 на базе микросхемы КР 1006 ВИ1, диоды 17, 18, 19, транзистор 20, резисторы 21, 22, 23, 24, 25, 26, конденсаторы 27, 28, а на фиг. 3 - формирователь 11 задержанного импульса (элемент задержки), состоящий из ждущих мультивибраторов 29, 30, 31 на базе микросхем КР 1006 ВИ1, транзистора 32, диодов 33, 34, 35, 36, 37, 38, конденсаторов 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, резисторов 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58. Преобразователь 12 (фиг. 4) содержит транзисторы 59, 60, 61, 62, диоды 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, стабилитроны 71, 72, конденсаторы 73, 74, 75, диодный мост 76, индуктивные элементы 77, 78, выполненные в виде трубчатых ферритов, в отверстии которых размещены провода силовых выходных цепей для снижения помех, резисторы 79, 80, 81, 82, 83, 84, трансформатор 85. На фиг. 2, 4 изображены светодиод 86 и фототранзистор 84 элемента 14.

Устройство в статике характеризуется совокупностью взаимосвязей, упомянутых выше и в формуле.

Устройство, изображенное на фиг. 1, работает следующим образом.

Преобразуемое напряжение в устройство поступает с накопителя 6 в момент его совпадения с входным питанием в результате замедленного накопления по амплитуде через ограничитель 7. В данном случае компаратор 3 разблокирует устройство и подает в него входное напряжение через коммутатор 4 в выпрямленном виде. Этим достигается снижение бросков питания и исключается выход из строя по этой причине элементов устройства в момент включения питания (коммутирующих и выпрямительных).

Далее выходной уровень напряжения реализуется преобразователем 12 по командам генератора 10 и формирователя 11 в соответствии с временной диаграммой фиг. 5.

Схема устройства построена таким образом, что позволяет отдельно регулировать как длительность запускающего импульса от генератора 10, так и скважность импульсной последовательности изменением значения сопротивлений у переменных резисторов генератора 10 (фиг. 2). При работе устройства в дальнейшем динамическое слежение за длительностью и скважностью (импульсной последовательностью) осуществляется датчиком 9 и оптроном элемента 14 путем шунтирования входных цепей генератора 10. Датчик 9 размещен в зазоре магнитопровода в преобразователе 12 и фиксирует степень его насыщения, включая перенасыщение.

По сигналу компаратора 3 разблокируется работа устройства и генератор 10 выдает в преобразователь 12 исполнительные импульсы (U_А), а в формирователь 11 - для их задержки (U_В) (см. фиг. 5а и фиг. 5в). Исполнительный и задержанный импульсы подают на разные плечи мостового преобразователя в узле 12. Соответственно этому ток в первичной обмотке преобразователя 12 протекает то в одном, то в другом направлениях, обеспечивая полный цикл перемагничивания сердечника в трансформаторе.

Использование задержанного импульса гарантирует синфазность работы трансформатора, т. е. независимо от времени и режима работы преобразователь 12 не может дважды подряд включить одно и то же плечо моста, что отсутствует в известных устройствах и повышает надежность преобразования напряжения. Время паузы между парой импульсов в их последовательности (см. фиг. 5a и фиг. 5в) необходимо для того, чтобы к моменту включения второго плеча моста первое плечо было закрыто, а выходной диод восстановлен. Если время паузы меньше или равно минимально допустимому времени, то могут появиться сквозные токи по "плечевым" транзисторам преобразователя 12 и по его выходным диодам. Следовательно, время паузы должно быть оптимальным.

Всплески обратного напряжения (U_w) на концах вторичной обмотки трансформатора в преобразователе 12 в момент закрытия очередного плеча моста не могут превышать +E_п, поскольку плечевые транзисторы зашунтированы диодами (см. фиг. 5д). Контроль за временем паузы осуществляют пары датчиков узла 13, размещенные над токовыми цепями стоков соответствующих полевых транзисторов соответствующего плеча моста, на основе первой производной по времени тока стока. Как только модуль превысит допустимое значение, элемент задержки, с которым связаны соответствующие датчики, раздвигает импульсы на оптимальное время. В режиме холостого хода, когда нет нагрузки, необходимо максимально сузить импульсы. Для этой цели в преобразователе 12 служит диодный мост, подключенный для гальванической развязки к выходной обмотке трансформатора через емкости и нагруженный на емкость для фильтрации всплесков напряжения. Нагрузкой служит светодиод оптрона в элементе 14. Чем выше выходное напряжение устройства (U_вых) (см. фиг. 5ж), тем выше интенсивность свечения контролирующего его диода в элементе 14 ми тем лучше открывается фототранзистор оптопары в элементе 14, шунтируя переменный резистор на входе генератора 10, импульс с выхода которого сужается до минимальной длительности. При включении же, например, в качестве нагрузки сварочного аппарата, когда выходное напряжение минимально, вышеупомянутый резистор не шунтируется и импульс генератора, а следовательно, и задержанный формирователем импульс достигают максимальной длительности. Помимо этого датчик 9, размещенный в зазоре сердечника трансформатора, контролирует его магнитную насыщенность и изменяет импульсную скважность в широких пределах, не позволяя сердечнику уходить в глубокое насыщение (перенасыщение). Насыщение происходит при коротком замыкании выходов устройства, что зачастую происходит в процессе сварки. В этом случае скважность импульсов увеличивается, а электрод сварочного аппарата не перегревается.

Построение устройства рассмотренным образом позволяет организовать синергетический принцип управления синхронно несколькими модулями для оперативного изменения энергетической мощности потребления с использованием общих узлов, таких как датчик Холла, генераторы и т.п.

Промышленная применимость. Поскольку рассматриваемое устройство снижает помехи, требующие значительных затрат на их устранение, обеспечивает повышенность надежности обеспечением энергией потребителей и увеличивает КПД за счет исключения непроизводительных затрат энергии при изменении потребности в ней при потреблении переменными нагрузками и при коротких замыканиях, то имеют место повышенная эффективность данного устройства и экономия эксплуатационных затрат в сравнении с ранее известными аналогами, что позволяет широко использовать его в системах энергообеспечения.

Формула изобретения

Способ управления мостовым преобразователем, содержащим трансформатор с насыщающимся магнитопроводом, заключающийся в генерации последовательности импульсов и подаче их на разные плечи мостового преобразователя, отличающийся тем, что формируют генератором и элементом задержки пары из соответствующих исполнительного и задержанного импульсов, задержанных относительно друг друга, длительностью 5 - 50 мс со скважностью 1 - 99% в зависимости от величины нагрузки и степени насыщения магнитопровода и подают их на разные плечи мостового преобразователя, осуществляют контроль за временем паузы между парой импульсов парами датчиков Холла, размещенными над токовыми цепями транзисторов плеч мостового преобразователя на основе первой производной тока по времени и обеспечивают с помощью элемента задержки, связанного с парами датчиков Холла, раздвижение импульсов на оптимальное время, контролируют выходное напряжение преобразователя с помощью оптопары и изменяют длительность исполнительного импульса, шунтируя вход генератора фототранзистором оптопары, контролируют магнитную насыщенность сердечника трансформатора соответствующим датчиком Холла, увеличивая скважность импульсов для предотвращения глубокого насыщения трансформатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5