Регулятор постоянного напряжения и способ управления им

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в различных источниках питания, например, электротехнологических установок микродугового оксидирования вентильных металлов и сплавов, электроэрозионной обработки сверхтвердых металлов, электроавтомобилей, устройств с питанием от солнечных батарей и др. Регулятор постоянного напряжения содержит входной источник питания постоянного напряжения, силовой транзистор (например, совмещенный транзистор), нулевой диод, анод которого подключен непосредственно к общей минусовой клемме входного источника питания, входного выключателя, второй силовой контакт входного выключателя соединен с первым выводом ограничивающего резистора, первый силовой вывод которого соединен с плюсовой клеммой входного источника питания и первым силовым контактом автоматического выключателя и второй вывод которого соединен с общей клеммой соединения второго вывода автоматического выключателя с катодом нулевого диода и выводом первого реактора, последовательно с которым включена цепочка, состоящая из первого силового диода, первой нагрузочной цепи, состоящей из первого накопительного конденсатора и первой нагрузки, при этом управление регулятором осуществляется блоком управления, выходные управляющие выводы которого соединены соответственно с управляющими входами входного выключателя, автоматического выключателя и силового транзистора (затвором), последовательно с которым между эмиттером и общим минусовым выводом входного источника питания включен второй реактор, параллельно которому через второй силовой диод подключена вторая нагрузочная цепь, состоящая из второго накопительного конденсатора и второй нагрузки. Регулятор постоянного напряжения работает следующим образом. Система управления, содержащая индивидуальный источник питания, выполнена на основе цифрового сигнального процессора и обеспечивает по сигналам с датчиков широтно-импульсное управление силовым транзистором изменением открытого состояния его t_от - var. при постоянном периоде T-const управляющих импульсов, а также управление входным и автоматическим выключателями. В исходном состоянии выключатели отключены. При запуске регулятора подается входное напряжение U_вх выключателем сигналом от системы управления и начинается заряд конденсатора первой нагрузочной цепи через ограничивающий резистор, первый реактор, первый силовой диод, контролируется ток заряда и через время tj, определяемое переходным процессом этой цепи, система управления подает сигнал на включение автоматического выключателя, который шунтирует силовые контакты последовательной цепи, состоящей из выключателя и ограничивающего резистора, с последующей коррекцией t_от и получения необходимых значений +U₁ и -U₂ при выбранных значениях параметров: первого и второго реакторов и U_вх, кроме того, согласно изобретению при рабочих и аварийных отключениях можно первоначально блокировать управляющие импульсы силового транзистора и одновременно можно подать сигнал на отключение автоматического выключателя с последующим отключением входного источника питания с помощью входного выключателя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области силовой электроники и может быть использовано в различных источниках питания, например: электротехнологических установок микродугового оксидирования вентильных металлов и сплавов; электроэрозионной обработки сверхтвердых металлов; электроавтолюбителей; устройств с питанием от солнечных батарей и других устройств где требуется двухполярное питание с одним общим выводом.

Известно устройство импульсного регулятора постоянного напряжения (Патент на изобретение РФ №2653580, Н02М1, Н02М 1/70, Н02М 3/145, бюл. №14, 15.05.2018 г.) содержащий силовые диоды, силовые управляемые ключи, линейный трансформатор с тремя обмотками, дополнительный дроссель, в цепь которого и обмоток трансформатора включены силовые диоды и силовые управляемые ключи, конденсаторы входного и выходного фильтров, связанные с выводами обмоток трансформатора, дросселем и нагрузкой.

Недостатками данного импульсного регулятора напряжение являются: повышенная сложность, снижение КПД регулятора из-за повышенного числа силовых диодов, транзисторов, числа силовых обмоток трансформатора и дросселя, особенно на повышенных частотах и при получении повышенного напряжения на нагрузке, ограниченные функциональные возможности.

Известно также устройство повышающего преобразователя напряжения и способ управления им (Патент на изобретение РФ №2534742, Н02М 1/36, Н02М 3/156, бюл. №34, 10.12.2014 г.), содержащий входную цепь с дросселем в одной из ветвей, в другой пусковой ключ с шунтирующим его резистором, два силовых управляемых ключа, два силовых диода, два последовательно включенных выходных конденсатора, два вспомогательных ключа с двумя драйверами, двумя операционными усилителями (ОУ) и двумя ограничивающими резисторами, причем запуск производится после подачи входного напряжения в четыре этапа: включение питания и заряд конденсаторов через шунтирующий, пусковой силовой ключ, резистор, включение пускового силового ключа, последующее регулирование напряжение на выходных конденсаторах, выравнивание напряжений на конденсаторах с последующим включением цепи обратной связи для поддержания симметричной работы преобразователя.

Недостатками данного повышающего преобразователя напряжения являются: повышенная сложность, значительное снижение КПД и надежности из-за повышенного количества силовых управляемых ключей и диодов, дополнительных управляемых вспомогательных ключей с ограничивающими резисторами, невозможность получения двуполярного выходного напряжения.

Недостатками способа управления данного повышающего преобразователя являются его относительная сложность и невысокая надежность.

Устройством, наиболее близким к предлагаемому, является импульсный повышающий преобразователь постоянного напряжения (Основы силовой электроники: Учеб. пособие. - Изд. 2-е, испр. и доп. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2003, схема повышающего преобразователя, рис. 7.2.1, а, стр. 344) состоящий из входного источника питания, входного накопительного реактора, подключенного одним выводом к плюсовой клемме входного источника питания, а вторым к коллектору транзистора и аноду силового диода, причем катод которого подключен к плюсовому выводу нагрузочной цепи, состоящей из параллельно соединенных накопительного конденсатора и нагрузки, а минусовой вывод нагрузочной цепи подключен к эмиттеру транзистора и минусовой клемме входного источника питания, а управляющий вывод транзистора соединен с выходным выводом системы управления преобразователя.

Недостатками данного повышающего преобразователя являются: ограниченные функциональные возможности, невозможность получения силовых выводов с разнополярными напряжениями относительно общего вывода источника питания как повышающего, так и понижающего напряжение входного источника питания.

Задача изобретения - расширение функциональных возможностей, упрощение конструкции регулятора постоянного напряжения.

Технический результат - повышение КПД и надежности путем получения двух разнополярных выходных напряжений относительно общего вывода входного источника питания - повышающего с положительной полярностью и повышающе-понижающего с отрицательной полярностью питания с использованием одного управляемого силового ключа (транзистора); упрощение и повышение надежности способа управления при пуске, а также рабочих и аварийных отключениях.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что регулятор постоянного напряжения, состоящий из входного источника питания постоянного напряжения, силового транзистора, нулевого диода, анод которого подключен непосредственно к минусовой клемме входного источника питания, последовательной цепи, подключенной к плюсовой и минусовой клеммам входного источника питания и состоящей из силовых контактов входного выключателя и ограничивающего резистора, первого реактора, первого силового диода, катод которого подключен к плюсовой клемме первой нагрузочной цепи, содержащей первый накопительный конденсатор с параллельно соединенной первой нагрузкой, а минусовая клемма первой нагрузочной цепи соединена с общей минусовой клеммой входного источника питания, причем коллектор силового транзистора подключен к общей точке соединения анода первого силового диода и первого реактора, а управляющий вход (затвор) его к первому выводу блока управления, а второй и третий выводы к управляющим входам, соответственно, входного и автоматического выключателей, в отличие от прототипа, содержит: второй реактор, включенный между эмиттером силового транзистора и общим минусовым выводом входного источника питания, параллельно которому через второй силовой диод подключена вторая нагрузочная цепь, состоящая из второго накопительного конденсатора и второй нагрузки; при этом силовые контакты автоматического выключателя подключены соответственно к выходным силовым контактам последовательной цепи, состоящей из входного выключателя и ограничивающего резистора, а катод нулевого диода непосредственно подключен к общей клемме соединения выводов ограничивающего резистора, первого реактора и силового контакта автоматического выключателя.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается также способом управления регулятором постоянного напряжения, в котором пуск, выполняют последовательно в четыре этапа: заряд накопительных конденсаторов от источника питания через ограничивающий резистор, отпирают пусковой транзистор шунтируя ограничивающий резистор, контролируют суммарное напряжение U_cc на накопительных конденсаторах увеличивая длительность открытого состояния силовых транзисторов до значения U_cc=2U_вх; включают обратную связь и изменяя длительность открытого состояния силовых транзисторов стабилизируют U_cc на необходимом уровне, в отличие от прототипа подключение второй нагрузочной цепи с помощью силового транзистора, осуществляют сигналом от системы управления после включения автоматического выключателя, с задержкой, равной времени переходного процесса заряда конденсатора первой нагрузочной цепи, при следующих параметрах длительности управляющих импульсов t_от блока управления

t_от=(0,2÷0,3)T,

где Т(const) - период управляющих сигналов, с последующей коррекцией (установкой) t_от для получения необходимых значений +U₁ и -U₂ при выбранных значениях параметров первого, второго реакторов и U_вх, при этом согласно изобретению, при рабочих и аварийных отключениях первоначально блокируют управляющие импульсы силового транзистора и одновременно могут подать сигнал на отключение автоматического выключателя с последующим отключением входного источника питания с помощью входного выключателя.

Сущность изобретения поясняется чертежом. На чертеже приведена схема регулятора постоянного напряжения.

Регулятор постоянного напряжения, содержащий входной источник питания постоянного напряжения 1, силовой транзистор 2 (например, совмещенный транзистор), нулевой диод 3, анод которого подключен непосредственно к общей минусовой клемме входного источника питания, входного выключателя 4, второй силовой контакт входного выключателя соединен с первым выводом ограничивающего резистора 5, а первый силовой вывод которого соединен с плюсовой клеммой входного источника питания и первым силовым контактом автоматического выключателя 6 и второй вывод которого соединен с общей клеммой соединения второго вывода автоматического выключателя 6 с катодом нулевого диода 3 и выводом первого реактора 7, последовательно с которым включена цепочка, состоящая из первого силового диода 8, первой нагрузочной цепи, состоящей из первого накопительного конденсатора 9 и первой нагрузки 10, при этом управление регулятором осуществляется блоком управления 11, выходные управляющие выводы которого соединены соответственно с управляющими входами входного выключателя 4, автоматического выключателя 6 и силового транзистора 2 (затвором), последовательно с которым между эмиттером и общим минусовым выводом входного источника питания включен второй реактор 12, параллельно которому через второй силовой диод 13 подключена вторая нагрузочная цепь, состоящая из второго накопительного конденсатора 14 и второй нагрузки 15.

Регулятор постоянного напряжения работает следующим образом. Полярность напряжений входного источника питания 1 (U_вх) и на накопительных конденсаторах 9, 14 первой и второй нагрузочных цепей (+U₁, -U₂) показана на чертеже. Система управления 11, содержащая индивидуальный источник питания, выполнена на основе цифрового сигнального процессора и обеспечивает по сигналам с датчиков широтно-импульсное управление силовым транзистором 2 изменением открытого состояния его t_от - var. при постоянном периоде T-const управляющих импульсов, а также управление входным 4 и автоматическим 6 выключателями. В исходном состоянии выключатели 4 и 6 отключены. При запуске регулятора подается входное напряжение U_вх выключателем 4 сигналом от системы управления 11 и начинается заряд конденсатора 9 первой нагрузочной цепи через ограничивающий резистор 5, первый реактор 7, первый силовой диод 8, контролируется ток заряда и через время t₁, определяемое переходным процессом этой цепи, система управления 11 подает сигнал на включение автоматического выключателя 6, который шунтирует силовые контакты последовательной цепи, состоящей из выключателя 4 и ограничивающего резистора 5, с последующей коррекцией t_от и получения необходимых значений +U₁ и -U₂ при выбранных значениях параметров: первого и второго реакторов и U_вх, кроме того, согласно изобретению, при рабочих и аварийных отключениях можно первоначально блокировать управляющие импульсы силового транзистора и одновременно можно подать сигнал на отключение автоматического выключателя с последующим отключением входного источника питания с помощью входного выключателя.

1. Регулятор постоянного напряжения, состоящий из входного источника питания постоянного напряжения, силового транзистора, нулевого диода, анод которого подключен непосредственно к минусовой клемме входного источника питания, последовательной цепи, подключенной к плюсовой и минусовой клеммам входного источника питания и состоящей из силовых контактов входного выключателя и ограничивающего резистора, первого реактора, первого силового диода, катод которого подключен к плюсовой клемме первой нагрузочной цепи, содержащей первый накопительный конденсатор с параллельно соединенной первой нагрузкой, а минусовая клемма первой нагрузочной цепи соединена с общей минусовой клеммой входного источника питания, причем коллектор силового транзистора подключен к общей точке соединения анода первого силового диода и первого реактора, а затвор его подключен к первому выводу блока управления, а второй и третий выводы соответственно к управляющим входам входного и автоматического выключателей, отличающийся тем, что введен второй реактор, включенный между эмиттером силового транзистора и общим минусовым выводом входного источника питания, параллельно которому через второй силовой диод подключена вторая нагрузочная цепь, состоящая из второго накопительного конденсатора и второй нагрузки, при этом силовые контакты автоматического выключателя подключены соответственно к выходным силовым контактам последовательной цепи, состоящей из входного выключателя и ограничивающего резистора, а катод нулевого диода непосредственно подключен к общей клемме соединения выводов ограничивающего резистора, первого реактора и силового контакта автоматического выключателя.

2. Способ управления регулятором постоянного напряжения, в котором при пуске последовательно выполняют заряд накопительных конденсаторов от источника питания с напряжением U_вх через ограничивающий резистор, подают отпирающий импульс на пусковой транзистор, шунтирующий своими выводами ограничивающий резистор, контролируют суммарное напряжение U_сс на конденсаторах, затем увеличивают длительность открытого состояния силовых транзисторов до значения U_сс=2U_вх, далее включают обратную связь и, увеличивая t_от, стабилизируют U_сс на необходимом уровне, отличающийся тем, что подключение второй нагрузочной цепи к входному источнику питания выполняют с помощью одного силового транзистора регулятора с задержкой, равной времени переходного процесса заряда конденсатора первой нагрузочной цепи, управляемого блоком управления с параметрами

t_от=(0,2÷0,3)Т,

где T(const) - период управляющих сигналов после включения источника питания регулятора через последовательную цепь, состоящую из входного выключателя и ограничивающего резистора, с последующим включением автоматического выключателя, а затем корректируют для получения необходимых значений +U₁ и -U₂ при выбранных значениях параметров: первого, второго реакторов и U_вх.

3. Способ управления регулятором постоянного напряжения по п. 2, отличающийся тем, что при рабочих и аварийных отключениях предварительно блокируют управляющие импульсы силового транзистора и одновременно подают сигнал на отключение автоматического выключателя с последующим отключением входного источника питания с помощью входного выключателя.