Электронная нерассеивающая нагрузка

Изобретение относится к области преобразовательной техники, в частности к устройствам, позволяющим нагружать различные преобразователи с выходом на постоянном токе, аккумуляторные батареи, генераторы постоянного тока при проведении различных видов испытаний, в том числе и ресурсные. Продолжительные испытания различных источников и преобразователей связаны с большим расходом электроэнергии и финансовыми потерями для предприятия, выпускающего подобную продукцию. Электронные нерассеивающие нагрузки (ЭНН) существенно (в 4...6 раза) сокращают расход электроэнергии при испытаниях. Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является повышение надежности работы ключей первой ступени в режиме запуска и недопущение ложных срабатываний защиты при широком изменении входного постоянного напряжения (например, при U_ВХ=20…40 В или U_ВХ=40…60 В) и широком диапазоне напряжения сети, (например, при U_сети=170…275 В). От источника входного напряжения (U_ВХ), которым является выход испытуемого преобразователя (ИП), энергия поступает через входной дроссель к цепи, состоящей из двух ключей, конденсатора и резистора, а также к транзисторному мосту, в диагональ которого подключена первичная обмотка трансформатора, а вторичная обмотка трансформатора через мостовой выпрямитель подключена к накопительному конденсатору. От накопительного конденсатора питается мост на IGBT транзисторах инвертора второй ступени. В диагональ этого моста включены дроссель и источник напряжения сети. При подключении напряжения сети через внутренние диоды IGBT транзисторов моста и через зарядный резистор происходит заряд накопительного конденсатора до амплитудного напряжения сети. Вспомогательный преобразователь обеспечивает необходимые напряжения питания схем управления первой и второй ступени ЭНН. Известный активный кламп дополняется цепочкой, состоящей из транзисторного ключа (5) и резистора (6), подключенной одним концом к точке соединения ключа и конденсатора клампа, а другим - к точке соединения входного дросселя, транзистора клампа и двух верхних ключей транзисторного моста (7, 9). Дополнительная цепочка позволяет работать транзисторам моста входной ступени ЭНН не только в режиме перекрытия, но и в режиме, когда эти транзисторы работают без перекрытия. Этот режим (работа без перекрытия) необходим для обеспечения дозаряда накопительного конденсатора при широком изменении напряжения на входе ЭНН и широком изменении сети. Работа ЭНН происходит в двух режимах: пусковом (происходит дозаряд накопительного конденсатора) и рабочем, когда энергия от ЭНН передается на вход испытуемого преобразователя или в сеть переменного тока. 5 ил.

 

Изобретение относится к области преобразовательной техники, в частности к устройствам, позволяющим нагружать различные преобразователи с выходом на постоянном токе, аккумуляторные батареи, генераторы постоянного тока при проведении различных видов испытаний, включая ресурсные.

Продолжительные испытания источников электроэнергии связаны с большим расходом электроэнергии и финансовыми потерями для предприятия, выпускающего подобную продукцию. Электронные нерассеивающие нагрузки (ЭНН) позволяют существенно (в 4…6 раза) сократить расход электроэнергии при испытаниях [1, 2].

Предлагаемая в данной заявке ЭНН выполняется по двухступенчатой структуре, показанной на фиг.1. ЭНН своим входом подключаются к выходу испытуемого преобразователя (ИП), а выходом - к однофазной сети переменного тока (Сеть). Обе ступени ЭНН - первая (входная) - транзисторный преобразователь с дросселем на входе и вторая - высокочастотный инвертор - управляются схемой управления (СУ).

К выходу первой ступени подключен накопительный конденсатор С, необходимый для передачи энергии во вторую ступень ЭНН. Устройство предназначено для работы при широком изменении входного напряжения и широком диапазоне напряжения сети, например при U_вх=20…30 В или 40…60 В и при U_сети 170…275 В.

Суть данной заявки заключается в том, что для повышения надежности работы ключей первой ступени в режиме запуска и недопущения ложных срабатываний защиты при широком изменении входного напряжения и широком диапазоне напряжения сети первая ступень защиты работает в двух режимах: пусковом и рабочем.

На фиг.2 показана схема ЭНН. От источника входного напряжения (U_ВХ), которым является выход ИП, энергия поступает через входной дроссель к цепи, состоящей из двух ключей, конденсатора и резистора, а также к транзисторному мосту, в диагональ которого подключена первичная обмотка трансформатора, а вторичная обмотка трансформатора через мостовой выпрямитель подключена к накопительному конденсатору. От накопительного конденсатора питается мост на IGBT транзисторах инвертора второй ступени. В диагональ этого моста включены дроссель и источник напряжения сети. При подключении напряжения сети через внутренние диоды IGBT транзисторов моста и через зарядный резистор происходит заряд накопительного конденсатора до амплитудного напряжения сети. Вспомогательный преобразователь обеспечивает необходимые напряжения питания схем управления первой и второй ступени ЭНН.

Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению, по мнению авторов, является патент США [3], в котором для уменьшения выбросов на транзисторах преобразователя с дросселем на входе предложен активный кламп, состоящий из цепочки последовательно включенных транзистора и конденсатора. Эта цепочка подключается ко входу транзисторного моста и может функционировать только в режиме работы транзисторов преобразователя в режиме перекрытия.

В данном устройстве активный кламп дополняется цепочкой, состоящей из транзисторного ключа и резистора, подключенной одним концом к точке соединения ключа и конденсатора клампа, а другим - к точке соединения входного дросселя, транзистора клампа и двух верхних ключей транзисторного моста. Дополнительная цепочка позволяет работать транзисторам моста входной ступени ЭНН не только в режиме перекрытия, но и в режиме, когда эти транзисторы работают без перекрытия. Этот режим (работа без перекрытия) необходим для обеспечения дозаряда накопительного конденсатора при широком изменении напряжения на входе ЭНН и широком изменении сети.

После дозаряда накопительного конденсатора заканчивается режим запуска и ЭНН готова к рабочему режиму, в котором ее выходной ток будет поступать в ИП. Подключение дополнительной цепочки, состоящей из ключа и резистора, к известной схеме клампа позволяет устанавливать напряжение на накопительном конденсаторе в заданных узких пределах перед началом рабочего режима и гарантирует отсутствие чрезмерных токов через ключи моста первой ступени ЭНН при подзаряде накопительного конденсатора.

На фиг.3 показаны диаграммы работы ключей моста трансформаторного преобразователя с дросселем на входе в режиме запуска, когда ключи работают без перекрытия. Стрелки на спадах импульсов показывают, что при запуске управляющие импульсы плавно расширяются по длительности. На этой же фигуре показаны импульсы напряжения на первичной обмотке трансформатора и диаграмма управления ключом дополнительной цепочки, подсоединенной к активному клампу. Ключ этого клампа в этом режиме не включается.

На фиг.4 показаны диаграммы работы ключей моста трансформаторного преобразователя с дросселем на входе в рабочем режиме при работе ключей с перекрытием. На фиг.4 показаны также напряжение на первичной обмотке трансформатора и диаграмма управления ключом известного активного клампа.

Устройство работает следующим образом. После подключения источника напряжения постоянного тока U_ВХ (1, фиг.2) и напряжения сети (23) происходит заряд накопительного конденсатора 15 через внутренние диоды ключей 18…21 инвертора второй ступени и зарядный резистор 16. При повышении напряжения на конденсаторе 15 до определенного уровня начинает работать вспомогательный преобразователь 24, который обеспечивает напряжениями питания схемы управления первой и второй ступеней.

После появления питающих напряжений и заряда конденсатора 15 срабатывает реле, установленное на плате управления первой ступенью, и его контакт 17 замыкается. Конденсатор 15 заряжен до амплитудного напряжения сети, а конденсатор 4 заряжен до напряжения входного источника. Далее по сигналу от контроллера, установленного на плате управления первой ступени, начинается пусковой режим работы ЭНН, заключающийся в дозарядке накопительного конденсатора 15 до уровня, необходимого для работы второй ступени. Для этого по команде от схемы управления начинают работать ключи 7…10 трансформаторного преобразователя с дросселем на входе и ключ 5, включенный последовательно с резистором 6 согласно диаграммам, показанным на фиг.3. В этом режиме в интервале импульса (tи) открыты (проводят ток) диагонально расположенные на схеме ключи моста 7…10. На обмотках трансформатора создаются импульсы положительной и отрицательной полярностей. Ключ 5 открывается на время tи и ток от конденсатора 4 проходит через этот ключ, резистор 6 и открытые диагонально расположенные на схеме ключи моста. Таким образом, в интервале tи в трансформатор поступает энергия не только от входного дросселя 2, но и от заряженного конденсатора 4. В интервале паузы (tп) заперты все ключи моста 7…10, а ток входного дросселя 2 проходит через внутренний диод ключа 3, подзаряжая в этом временном интервале конденсатор 4. В этом режиме транзистор ключа 3 не включается, а длительность импульсов tи плавно увеличивается. В результате ток вторичной обмотки 13 трансформатора 11 проходит через диоды моста 14 и подзаряжает накопительный конденсатор 15. В пусковом режиме устанавливается короткая пауза длительностью несколько десятков миллисекунд, после чего ключи первой ступени переводятся в режим перекрытия с очень малой длительностью перекрытия ключей двух диагоналей моста (длительностью импульса tи). Во всем диапазоне входных напряжений (20…30 В или 40…60 В) и во всем диапазоне напряжений сети (170…275 В) на накопительном конденсаторе достигается напряжение 360 В. Далее схема управления переводится в рабочий режим, при этом ключи моста продолжают работать с очень малым перекрытием (малым временем tи). Благодаря этому не происходит срабатывания защит по напряжению на накопительном конденсаторе. В процессе запуска не происходит перегрузки по току ключей моста и срабатывания соответствующей защиты по току, что очень важно для надежной работы ЭНН. Как только происходит переход в рабочий режим, во вторичную ступень управления посылается сигнал синусоидальной формы, находящийся в фазе с сетью. Это означает, что инвертор второй ступени с ключами 18…21 подготовлен к работе. После подачи сигнала «Задание входного тока» (Звхт) начинается работа инвертора второй ступени, выходной ток проходит через дроссель 22, а транзисторы моста первой ступени работают с длительностью интервала перекрытия (длительность tи), который зависит от уровня задаваемого входного тока (фиг.2).

Литература

1. Р.П.Рудзенскас, М.М.Танаев, В.И.Мелешин «Принципы построения электронной нерассеивающей нагрузки», Электротехника, № 3, 1998, стр.28-32.

2. В.И.Мелешин, «Транзисторная преобразовательная техника», изд-во «Техносфера», 2005, 632 с.

3. V.Meleshin, S.Fraidlin and V.Yakushev, “Full-bridge isolated current fed converter with active clamp”, Patent USA, #6038142, 2000.

Электронная нерассеивающая нагрузка (ЭНН), силовая часть которой состоит из трансформаторного DC-DC преобразователя с дросселем на входе, являющегося первой ступенью, накопительного конденсатора на выходе первой ступени, инвертора, подключенного своим входом к накопительному конденсатору и являющегося второй ступенью ЭНН, активного клампа, состоящего из транзистора и конденсатора, устройства управления, состоящего из схем управления первой и второй ступенями и содержащего контроллер, находящийся в схеме управления первой ступенью, отличающаяся тем, что, с целью повышения надежности работы ключей первой ступени в режиме запуска и недопущении ложных срабатываний защиты при широком изменении напряжения на входе ЭНН и широком изменении напряжения сети, устройство снабжено цепочкой, состоящей из транзисторного ключа и резистора, подключенной одним концом к точке соединения ключа и конденсатора клампа, а другим - к точке соединения входного дросселя, транзистора клампа и двух верхних ключей транзисторного моста, позволяющей работать транзисторам входной ступени ЭНН не только в режиме перекрытия, но и в режиме без перекрытия, осуществляя работу ЭНН в пусковом и рабочем режимах.