Способ управления равномерным токораспределением в многоканальном импульсном преобразователе напряжения

Заявляемое изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках электропитания и электроприводах, характеризующихся широким диапазоном изменения тока нагрузки. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет многофазного управления и выравнивания выходных токов параллельно работающих каналов преобразования при многоканальном исполнении преобразователя напряжения. В способе управления определение пульсирующей составляющей тока дросселя выходного фильтра каждого канала как разность измеренных значений тока дросселя выходного фильтра и тока нагрузки, деленного на количество работающих каналов, автоматически учитывает рассогласование между выходным током этого канала и средним на один канал значением тока нагрузки. Подача синхронизирующих импульсов на параллельно работающие каналы со смещением, равным длительности периода синхронизации, деленной на число каналов, равномерно сместит переключение ключевых элементов этих каналов, обеспечив многофазное управление. 1 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в источниках электропитания и электроприводах, характеризующихся широким диапазоном изменения тока нагрузки.

Известен способ управления многоканальным импульсным стабилизатором напряжения, заключающийся в том, что в каждом канале вводится дополнительная обратная связь по превышению выходного тока от среднего значения [1].

Недостаток известного способа заключается в низком быстродействии и точности равномерного токораспределения.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ управления импульсным преобразователем напряжения, в котором коммутацию ключевого элемента осуществляют синхронизирующим и управляющим сигналами, формируют сигнал рассогласования по напряжению как разность измеренного и заданного значения выходного напряжения, определяют пульсирующую составляющую тока дросселя выходного фильтра как разность измеренных значений тока дросселя выходного фильтра и тока нагрузки, формируют сигнал развертки как прогнозируемое после коммутации ключевого элемента значение пульсирующей составляющей тока дросселя выходного фильтра с противоположным знаком, управляющий сигнал формируют из суммы сигнала рассогласования, сигнала пульсирующей составляющей тока дросселя выходного фильтра и сигнала развертки [2].

Известный способ реализует закон управления вида

где x=U_н-U_оп - сигнал ошибки; U_н - выходной сигнал; U_оп - сигнал задания; k_m - коэффициент связи; i_L - ток дросселя выходного фильтра; i_H - ток нагрузки; Y_p - сигнал развертки; - напряжения на дросселе выходного фильтра до и после коммутации ключевых элементов преобразователя на периоде модуляции; L - индуктивность дросселя выходного фильтра; tp=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки ({a} - дробная часть числа а); Т - длительность периода модуляции; VT - состояние импульсного элемента (при модуляции заднего фронта импульса θ=1, при модуляции переднего фронта импульса θ=0); t_к - момент переключения управляемого фронта, который определяется при модуляции заднего фронта импульса корнем уравнения F=0 при а при модуляции переднего фронта импульса корнем уравнения F=0 при

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ), реализующий известный способ управления, обеспечивает в широком диапазоне изменения напряжения питания и нагрузки стабилизацию выходного напряжения с нулевым значением сигнала рассогласования в момент переключения управляемого фронта, который определяется корнями уравнения F=0. Нормальным режимом работы преобразователя является режим вынужденных колебаний с частотой внешнего синхронизирующего воздействия. При этом изображающая точка системы пульсирует относительно линии скольжения на отрезке, определяемом выбранным значением коэффициента связи k_m, т.е. в системе реализуется синхронизируемый скользящий процесс. Граничное значение коэффициента связи k_m, обеспечивающее апериодический характер переходного процесса, определяется соотношением [3]:

где γ - коэффициент заполнения импульса в установившемся режиме.

Недостатком известного способа управления является то, что не предусмотрена параллельная работа нескольких преобразователей.

Цель технического решения - расширение функциональных возможностей за счет многофазного управления и выравнивания выходных токов параллельно работающих каналов преобразования при многоканальном исполнении преобразователя напряжения.

Поставленная цель достигается тем, что при многоканальном исполнении импульсного преобразователя напряжения пульсирующую составляющую тока дросселя выходного фильтра каждого канала определяют как разность тока дросселя выходного фильтра и тока нагрузки, деленного на количество параллельно работающих каналов, а многофазное управление осуществляют равномерным смещением синхронизирующего сигнала каждого канала.

Сущность изобретения заключается в том, что для многоканального импульсного преобразователя напряжения определение пульсирующей составляющей тока дросселя выходного фильтра каждого канала как разность измеренных значений тока дросселя выходного фильтра и тока нагрузки, деленного на количество работающих каналов, автоматически учитывает рассогласование между выходным током этого канала и средним на один канал значением тока нагрузки. Равномерное смещение синхронизирующих сигналов параллельно работающих каналов равномерно сместит переключение ключевых элементов этих каналов, обеспечивая многофазное управление.

При этом предлагаемый способ управления реализует закон управления вида:

где j=1,...n - индекс соответствия с номером канала; n - количество параллельно работающих каналов; t_p·j=Т{(T+jT/n)/T} - временная координата формирования сигнала развертки j-го канала ({а} - дробная часть числа а).

На чертеже приведена схема многоканального импульсного преобразователя напряжения, реализующая предложенный способ управления.

Схема многоканального импульсного преобразователя напряжения состоит из трех каналов 1, 2 и 3, силовая часть каждого канала состоит из ключевого элемента 4 и выходного фильтра 5. Ключевой элемент 4 имеет два входа и один выход, выходной фильтр 5 имеет три вывода, первый вход ключевого элемента 4 соединен с входной шиной канала U_вх, второй вход ключевого элемента 4 соединен с общей шиной канала U₀, выход ключевого элемента 4 соединен с первым выводом выходного фильтра, второй вывод выходного фильтра 5 соединен с выходной шиной U_вых канала, третий вывод выходного фильтра 5 соединен с общей шиной канала U₀. Входные шины U_вх каналов 1, 2 и 3 соединены между собой и с шиной U_вх источника питания, выходные шины U_вх каналов 1, 2 и 3 соединены между собой и с нагрузкой 6, общие шины U₀ каналов 1, 2 и 3 соединены между собой, с шиной U₀ источника питания и с нагрузкой 6. Устройство управления параллельно работающими каналами 1, 2 и 3 состоит из датчика тока нагрузки 7, формирователя среднего на один канал значения тока нагрузки 8, источника заданного напряжения 9, формирователя синхроимпульсов 10, кроме того, в каждом из каналов 1, 2, 3 находится датчик тока дросселя 11, два узла сравнения 12, 13, формирователь сигнала развертки 14, суммирующее устройство 15 и формирователь управляющих сигналов 16. Датчик тока нагрузки 7 включен в цепь нагрузки 6, вход формирователя среднего на один преобразователь значения тока нагрузки 8 соединен с выходом датчика тока нагрузки 7. Каждый из каналов 1, 2 и 3 имеет три управляющих входа - U_U, t₀. Управляющие входы каналов 1, 2 и 3 соединены между собой и с выходом формирователя среднего на один канал значения тока нагрузки 8, управляющие входы U_U каналов 1, 2 и 3 соединены между собой и с выходом источника заданного напряжения 9, управляющий вход t₀ канала 1 соединен с первым выходом формирователя синхроимпульсов 10, управляющий вход t₀ канала 2 соединен со вторым выходом формирователя синхроимпульсов 10, управляющий вход t₀ канала 3 соединен с третьим выходом формирователя синхроимпульсов 10. В каждом канале 1, 2 и 3 датчик тока дросселя 11 включен в цепь первого вывода выходного фильтра 5, прямой вход узла сравнения 12 соединен с выходом датчика тока дросселя 11, инверсный вход узла сравнения 12 соединен с управляющим входом канала, прямой вход узла сравнения 13 соединен с выходной шиной U_вых канала, входы формирователя сигнала развертки 14 соединены первый - с выходной шиной канала U_вых, второй - с входной шиной канала U_вх, третий - с управляющим входом канала t₀, суммирующее устройство 15 выполнено с тремя входами, первый вход суммирующего устройства 15 соединен с выходом узла сравнения 12, второй вход суммирующего устройства 15 соединен с выходом узла сравнения 13, третий вход суммирующего устройства 15 соединен с выходом формирователя сигнала развертки 14, один вход формирователя управляющего сигнала 16 соединен с выходом суммирующего устройства 15, а второй - с управляющим входом канала t₀, выход формирователя управляющего сигнала 16 соединен с управляющим входом ключевого элемента 4.

Многоканальный импульсный преобразователь напряжения с предложенным управлением работает следующим образом; на выходе датчика тока дросселя 11 формируется сигнал i_L, пропорциональный току дросселя выходного фильтра 5, на выходе датчика тока 7 формируется сигнал i_н, пропорциональный току нагрузки 6, на выходе формирователя среднего на один канал значения тока нагрузки 8 формируется сигнал, пропорциональный среднему на один канал значению тока нагрузки 6 по формуле где n - число параллельно работающих каналов, на выходе узла сравнения 12 формируется сигнал пропорциональный переменной составляющей тока дросселя выходного фильтра 5, на выходе узла сравнения 13 формируется сигнал x=U_вых-U_U, пропорциональный ошибке по напряжению, на выходе формирователя сигнала развертки 14 формируется сигнал развертки Y_p, пропорциональный прогнозируемым после коммутации ключевого элемента 4 значению переменной составляющей тока дросселя выходного фильтра 5 с противоположным знаком, на выходе суммирующего устройства 15 формируется сигнал пропорциональный сумме сигналов ошибки по напряжению, переменной составляющей тока дросселя выходного фильтра 5 и развертки, на выходе формирователя управляющего сигнала 16, который реализован на базе RS-триггера, из сигнала синхронизации t₀ и F формируется управляющий сигнал VT в соответствии с законом управления (3), формирователь синхроимпульсов 10 выполнен с числом выходов, равным числу параллельно работающих каналов. Управляющий вход t₀ каждого канала 1, 2 и 3 соединен с соответствующим выходом формирователя синхроимпульсов 10. На выходах формирователя синхроимпульсов 10 формируются равномерно распределенные между собой синхроимпульсы, которые обеспечивают равномерный сдвиг между переключением ключевых элементов каналов 1, 2 и 3 при управлении по закону (3), при этом синхроимпульсы смещены на время, равное Т/n, где Т - длительность периода синхронизации одного канала; n - число параллельно работающих каналов.

Таким образом, формирование сигнала F в каждом канале по формуле F=x+k_m(i_L-i_н/n)+k_mY_p происходит с учетом отклонения тока дросселя выходного фильтра канала от среднего значения, что позволяет автоматически выравнивать выходные токи каналов 1, 2 и 3, а равномерный сдвиг между синхроимпульсами t₀ этих каналов позволяет уменьшить пульсации тока питания и выходного напряжения многоканального импульсного преобразователя напряжения.

Литература

1. Чернышев А.И., Казанцев Ю.М., Патлахов Е.Н. Стабилизатор напряжения с повышенной функциональной надежностью. // Высокоэффективные источники и системы вторичного электропитания РЭА: Материалы семинара. М.: МДНТП, 1983. С.92-96.

2. Казанцев Ю.М., Лекарев А.Ф., Тихонов Е.Г. Синтез управления следящими инверторами систем электропитания // Приборы и системы. Сер. Управление, контроль, диагностика. 2004. №6. С.20-25.

3. Казанцев Ю.М., Чернышев А.И., Лекарев А.Ф. Формирование квазискользящих процессов в импульсных преобразователях с ШИМ // Электричество. 1993. №12. С.45-49.

Способ управления равномерным токораспределением в многоканальном импульсном преобразователе напряжения, заключающийся в том, что в каждом канале преобразователя формируют сигнал ошибки как разность сигналов выходного и заданного напряжения, определяют пульсирующую составляющую тока дросселя выходного фильтра, формируют сигнал развертки как прогнозируемое после коммутации ключевых элементов канала значение пульсирующей составляющей тока дросселя выходного фильтра с противоположным знаком, сигнал управления напряжением формируют по импульсному сигналу синхронизации и суммы сигнала ошибки, сигналов, пропорциональных пульсирующей составляющей тока дросселя выходного фильтра и развертки, отличающийся тем, что сигнал пульсирующей составляющей тока дросселя выходного фильтра определяют как разность между измеренными значениями тока дросселя выходного фильтра и тока нагрузки, деленного на число параллельно работающих каналов, а синхроимпульсы на параллельно работающие каналы подают со смещением, равным длительности периода синхронизации, деленной на число параллельно работающих каналов.