Способ управления вентильным преобразователем

 

(«)748792

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) Дополнительное к авт. саид-ву (22) Заявлено 1206.78 (21) 2632466/24-07 с присоединением заявки М (23) Приоритет

Опубликовано 150780. бюллетень М 26

Дата опубликования описания 150780

Союз Советских

Социалистических

Республик (5))М. (л.

Н 02 P 13/18

Государственный комитет

СССР по делам изобретений н открыти Й (53) УДК 621. 316. . 727 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Б.A,Ãëåáoâ Т.Н.)<арикова и A.А.Новиков

Московский ордена Ленина энергетический институт (71) Заявитель (54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ

Изобретение относится к силовой полупроводниковой преобразовательной технике и предназначено для применения в устройствах для управления вентильными преобразователями, используемыми в системах электропитания, электроприводе, электротермии и электротехнологии.

Известен способ управления ключом в однотактном преобразователе, состоящий в том, что силовой ключ замыкается на время, пока в контур, включенный с ним последовательно, не сообщится достаточно энергии. относительно заданногб значения 51) .

Недостаток способа состоит в том, что передача энергии в контур происходит с потерями, так как разность между напряжением питания и напряженем на элементах контура падает на ключевом элементе.

Известен инвертор с индуктивным ограничением тока в первичной цепи, в котором управление силовыми ключами осуществляется устройствбм, обеспечивающим широтно-импульсный способ регулирования (2) .

Недостатком используемого йринципа регулирования, помимо сложности схемной реализации, является дискрет ность процесса передачи энергии на вторичную сторону. Это заставляет увеличивать импульсную передаваемую энергию при заданном ее среднем значении, что ведет к потерям в тракте передачи мощности.

1О Наиболее близким по технической сущности к изобретению является опособ управления, реализованный в устройстве, силовая часть которого представляет собой двухтактный инвер тор с индуктивным ограничением скорости изменения тока на первичной стороне. 3 устройстве сравнивают напряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, с первым напряжением уставки и 4)ормируют сигнал запирания всех силовых ключей вентильного преобразователя в момент, когда напряжение, пропорциональное выходному сигналу, превышает первое напряжение уставки, а до. того момента осуществляют непрерывную коммутацию силовых ключей вентильного преобразователя 3) .

Указанный способ управления вен)тильным преобразователем имеет ряд

/. с

3 748792

50 недостатков: во-первых, регулирование носит "старт-стопный" характер, что означает дискретность процесса передачи энергии в нагрузку, вызывающую снижение КПД, во-вторых, "старт-стопный" характер регулирования ухудшает качество стабилизации выходного сигнала, что вызывается следующими причинами: передача энергии в нагрузку происходит до тех пор пока емкостный фильтр на выходе вен-: тильного преобразователя не эарядит ся до найряжения, при котором выходной сигнал достигает заданного значения, дальнейший процесс подзаряда укаэанной емкости происходит по следующей команде "Старт", до поступле- 15 ,ния которой емкость фильтра разряжается током нагрузки, что вызывает появление пульсаций выходного сигнала.

Таким образом, с изменением нагрузки меняется и среднее значение последнего, так как меняется амплитуда пульсаций выходного сигнала, а его максимальное значение стабилизируется.

Цель изобретения — повышение КПД при изменении тока нагрузки в IlIHpo ких пределах и повышение качества стабилизации.

Поставленная цель достигается тем, что при способе управления вентильным преобразователем со стабилизацией выходного сигнала, силовая часть которого выполнена по схеме с индуктивным ограничением скорости измене ния тока на его первичной стороне, состоящем в том, что сравнивают напряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, с первым напряжением уставки и формируют сигнал для запирания всех силовых клю- 40 чей вентильного преобразователя в момент, когда напряжение, пропорцио-. нальное выходному сигналу, превышает первое напряжение уставки, а до этого момента осуществляют непрерывную коммутацию силовых ключей вентильного преобразователя, формируют второе напряжение уставки, пороговое напряжение и сигнал, пропорциональный мгйовенному значению тока на первичной или вторичной стороне преобразователя, интегрируют разность между напряжением, пропорциональным выходному сигналу преобра зователя, и вторым напряжением уставки, полученное управляющее

55 напряжение сравнивают с сигналом, пропорциональным мгновенному значейию тока на первичной или вторичной стороне преобразователя, если

"управляющее напряжение больше порого- ® вого напряжения, и сравнивают сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока, с пороговым напряжением, если управляющее напряжение меньше

";порогового, в моменты равенства сравниваемых напряжений осуществляют не1 прерывную коммутацию (переключение силовых ключей, а когда выходной сигнал преобразователя превышает первое напряжение уставки, формируют сигнал для запирайия всех силовых ключей преобразователя.

На фиг. 1 дана структурная схема системы .управления вентильным преобразователем, в которой реализован укаэанный способ; на фиг. 2 — временные диаграммы в системе управления.

Схема (фиг.1) системы управления вентильным преобразователем содержит силовую часть вентильного преобразователя 1 с индуктивным ограничением скорости изменения тока на первичной стороне, силовой трансформатор 2, выпрямитель 3, емкостный фильтр 4, нагрузку 5, датчик 6 тока, резистивный делитель 7, первый компаратор 8, операционный усилитель 9, резистор

10, интегрирующая емкость 11, диод

12, второй компаратор 13; третий компаратор 14, токоограничивающий резистор 15, счетный триггер 16, логический элемент 17 ИЛИ, логические элементы 18 и 19 И, согласующие каскады 20 и ?1.

На фиг. 2 обозначены: напряжение

22 на неинвертирующем входе третьего компаратора 14 (пунктир) и напряжение на его инвертирующем входе, выходной сигнал 23 третьего компаратора 14, выходные сигналы 24 и 25 счетного триггера 16, выходные сигналы 26 и 27 логических элементов

18 и 19 И при логической "1" на выходе логического элемента 17 ИЛИ.

Силовая часть вентильного преобразователя 1 нагружена через силовой трансформатор 2 и выпрямитель 3 на емкостный фильтр 4 и нагрузку 5.

Выход резистивного делителя 7 соединен с инвертирующим входом первого компаратора 8, на неинвертирующий вход которого подано первое напряжение уставки 0», и через резистор 10 с инвертирующим входом операционного усилителя 9, к выходу которого и к инвертирующему входу его"же подключена интегрирующая емкость 11, а к неинвертирующему входу — источник второго напряжения уставки U . Выход операционного усилителя 9 соединен с неинвертирующим входом второго компаратора 13 и через диод 12 с инвертирующим входом второго компаратора 13. Неинвертирующий вход третьего компаратора 14 соединен с инвертирующим входом второго компаратора 13 и через токоограничивающий резистор 15 подключен к источнику порогового напряжения U . Выход датчика 6 тока на первичной стороне силовой части вентильного преобразователя 1 подключен к инвертирующему входу третьего компаратора 14, выход которого соеди748792 нен со входом счетного триггера 16 и входами логических элементов 18 и

19 И. Их вторые входы соединены с прямым и инверсным выходами счетного триггера 16, а третьи входы с выходом логического элемента 17 ИЛИ. 5

Один вход последнего подключен к выходу первого компаратора 8, а второй вход — к выходу второго компаратора

13. Выходы логических элементов 18 и 19 И подключены через согласующие каскады 20 и 21 к управляющим цепям силовых ключей силовой части вентильного преобразователя 1.

Способ осуществляется следующим образом. t5

При подключении системы к питающей сети напряжение на емкостном фильтре 4 равно нулю. Соответственно равен нулю и сигнал с резистивного делителя 7. Поэтому первый компаратор 8 устанавливается в состояние логической "1" на выходе, а операционный усилитель 9 переходит в состояние, характеризующееся максимальной величиной выходного положительного напряжения для данного типа усилителей. В результате этого на инвертирующем входе второго компаратора 13 и неинвертирующем входе третьего компаратора 14 устанавливается напряжение, меньшее величины выходного напряжения операционного усилителя 9 на величину падения на открытом диоде 12. Диод 12 открыт вследствие протекания тока через него и токоограничивающий резистор 5 35 в источник 0„ р, величина которого выбирается меньше максимальной величины положительного напряжения на выходе операционного усилителя 9.

В результате второй компаратор 13 находится в состоянии логической "1" . на выходе логического элемента 17

ИЛИ вЂ” также логическая "1", и, тем саум, выходное состояние элементов

18 и 19 И определяется состоянием счетного триггера 16 и третьего компаратора 14, на инвертирующем входе которого присутствует сигнал датчика б тока, который в начальный момент равен нулю, а затем линейно нарастает, повторяя форму тока в силовой цепи на фнг.2 кривая 22). При сравнении этого напряжения с напряжением на неинвертирующем входе третьего компаратора 14 он переходит в состояние логического "0" (на 55 фиг.2 кривая 23), при этом оба логических элемента 18 и 19 И переходят в состояние логического "0" независимо от предыдущего их состояния на фиг.2 кривые 26 и 27), а счетный триг-60

rep 16 меняет свое состояние иа противоположное (на фиг.2 кривые 24 и

- 25). Оба силовых ключа вентильного преобразователя 1 .запираются, что предотвращает режим "сквозных" токов, 65 и осуществляется вывод энергии, накопленной в индуктивности, ограничивающей скорость изменения тока первичной цепи. Величина тока в первич- ной цепи вентильного преобразователя

1 уменьшается и третий компаратор

14 возвращается в состояние логической "1" на выходе. При этом на выходе лОГических элементов 18 и 19 И устанавливается состояние, противополож- . ное предыдущему, так как в начале описываемого процесса счетный триггер 16 изменил свое состояние на противоположное. В результате открывается силовой ключ второго плеча вентильного преобразователя 1, ток в нем начинает нарастать, что соответствует новому полупериоду работы системы. Далее описанные процессы повторяются.

Стабилизация выходного сигнала вентильного преобразователя 1 осуществляется следующим образом.

По достижении выходные сигналом величины, при которой напряжение на выходе резистивного делителя 7 становится близким к напряжению уставки

0,,2, выходное напряжение операционного усилителя 9, равное усредненной за несколько периодов усиленной разности указанных напряжений, уменьшается, в результате чего уменьшается амглитуда тока на первичной стороне вентильного преобразователя 1, а значит, и величина выходного сигнала последнего. В результате происходит стабилизация выходной величины на заданном уровне, определяемом напря- . жением U, причем передача энергии носит непрерывный характер.

Изменение тбка нагрузки приводит эа счет описанного процесса стабилизации к изменению напряжения на выходе операционного усилителя 9, т.е. амплитуда первичного тока вентильного преобразователя 1 изменяется. Однако, так как скорость изменения тока в первичной цепи постоянна она определяется индуктивностью, ограничивающей ее величину|, то изменение амплитуды первичного тока осуществляется за счет изменения рабочей частоты вентильного преобразователя i, причем с уменьшением тока нагрузки рабочая частота возрастает.

Однако вследствие инерционности силовых ключей вентильного преобразователя 1 верхнее значение рабочей частоты не может бить сколь угодно большим, поэтому диапазон отдаваемых в нагрузку токов ограничен снизу. Для растаирения его при переходе к малым токам нагрузки осуществляется дискретный принцип регулирования °

Если ток нагрузки уменьшается настолько, что напряжение на неинвертирующем входе третьего компаратора 14 становится меньше порогового О,,„, то

748792

Формула изобретения

7, запирается диод 12 и второй компара- тор 13 переходит в состояние логического "0". Выходное состояние логического элемента 17 ИЛИ определяется состоянием первого компаратора 8. Ес-. ли напряжение, пропорциональное выходному сигналу вентильного преобразователя и снимаемое с резистивного делителя 7, меньше U то первый компаратор 8 находится в состоянии логической "1" и происходит передача энергии в нагрузку 5 током с амплитудой, определяемой величиной U

По достижении выходным сигналом величины, при которой напряжение с резистивного делителя 7 больше U»„,, первый компаратор 8 переходит в состояние логического "0", на выходе логического элемента 17 ИЛИ вЂ” "0", а следовательно, на выходах логических элементов 18 и 19 И также состояние логического ."0", т.е. все силовые ключи вентильного преобразователя 1 заперты и передачи энергии в нагрузку 5 не происходит. Напряжение, пропорциональное выходному сигналу и снимаемое с резистивного делителя 7, снижается, и при уменьшении

его ниже U, первый компаратор 8 снова переходит в состояние логической "1", при этом процесс передачи энергии в нагрузку 5 возобновляется.

Таким образом, происходит стаби лизация выходной величины вейтильного преобразователя 1 на уровне, опре деляемом 0,,, Для устойчивой работы системы необходимо, чтобы уровни

Ц»... и U,„ отличались не меньше, чем на величину динамического диапазона первого компаратора 8 и операционного усилителя 9, причем U c,7 О»„„. Аналогичным образом, но в обратном направлении осуществляется переход от стабилизации выходного сигнала на уровне U< при малых токах. нагрузки к стабилизации на уровне u

Таким образом, при предложенном способе управления по отношению к известному способу управления, вопервых, увеличивается КПД за счет сохранения непрерывного режима передачи энергии в нагрузку при больших токах и ограничения верхней рабочей частоты при малых токах йагрузки, во-вторых, улучшается качество стабилизации выходного сигнала за счет стабилизации его среднего значения и уменьшения пульсаций.

В вентильном преобразователе; в котором реализован предлагаемый способ, осуществлялась стабилизация выходного напряжения с точностью

+0,5Ъ при изменейии тока нагрузки от 1 мА до 5 А.

Способ управления вентильным преобразователем со стабилизацией выходного сигнала, силовая часть которого выполнена по схеме с индуктивным ограничением скорости изменения тока на его первичной стороне, состоящий в том, что сравнивают напряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, с первым напряжением уставки и Формируют сигнал для залирания всех силовых ключей вентильного преобразователя в момент, когда напряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, 20 превышает первое напряжение уставки, а до этого момента осуществляют непрерывную коммутацию силовых ключей вентильного преобразователя, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью повышения КПД при изменении тока нагрузки в широких пределах и для повышения качества стабилизации, Формируют второе напряжение уставки, пороговое напряжение и сигнал, пропорцибнальный мгновенному значению тока на первичной или вторичной стороне преобразователя, интегрируют разность между напряжением, пропорцйональным выходному сигналу преобразователя, и вторым напряжением уставки, полученное управляющее напряжение сравнивают с сигналом, пропорциональным мгновенному значению тока, если управляющее напряжение больше порогового напряжения, и сравнивают сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока, с пороговым напряжением, если управляющее напряжение меньше порогового, в моменты равенства сравниваей х напряжений осуществляют непрерывную коммутацию (переключение) силовых ключей, а когда выходной сигнал преобразователя превышает первое напряжение уставки, Формируют сигнал для запирания всех

50 силовых ключей преобразователя.

Источники инФормации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент @PI 9 2209900, кл. Н 02 М 3/22, 1975.

2. 3ТвА. Под ред. Ю.И.Конева, вып. 8, с. 13б, рис. 4.

3. Патент ФРГ 9 2501527-, 1кл. Н 02 P 13/22, 1976.