Стабилизированный преобразователь постоянного тока

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Сове тсккк

Соцмелнсткческкх

Реслублмк 855897 (6I ) Дополнительное к авт. свмд-ву (22) За и влено 25.03.80 (2 I ) 2900503/24-07 (5) )IN, Кл.

Н 02 М 3/335//

G 05 F 1/56 с присоединением заявки М—

Гесударстииииьи) кемитет

СССР ао делам изебретеиий и втирытий (28 ) П риоритет

Опубликовано 15 08.81 Бюллетень М 30

Дата опубликования описания 15.08.81 (53) УЛК 621.314. .58 (088.8) Н. И. Дуплин. В. П. Миловзоров, А. К. Мусолин, В. И. Пшеничников и В. А. Гтепанов (72) Авторы изобретения (71) Заявитель (54) ГТАЬИЛИЗИРОВАННЪ|Й ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к силовой преобразовательной технике и может быть использовано в источниках питания лазеров.

Известны источники постоянного напряжения, которые могут быть применены для питания лазеров, состоящие из однотактного преобразо, вателя постоянного напряжения, транзисторный ключ которого управляется релейным усилителем, включенным в цепь обратной связи по току нагрузки (1).

Недостатком таких источников является их сравнительно низкая надежность и большая амплитуда пульсаций выходного напряжения иэ-за различных времен переключений параллельно

1$ включенных транзисторов.

Известны также источники постоянного тока, в которых повышение надежности достигается эа счет разбивки силовой части на ряц однотипных инверторов, нагруженных через автономные сглаживающие дроссели на многообмоточный трансформатор, вторичная обмотка которого через выпрямигель и фильтр подключена к нагрузке (2).

Недостатком таких источников тока является нх сложность, сравнительно низкий КПД и большие массогабарнты из-за наличия многообмоточного трансформатора, дополнительного выпрямителя н общей схемы управления.

Наиболее близким по технической сутцности к предлагаемому является импульсный регулятор постоянного тока, содержащий. по меньшей мере, две преобразовательных ячейки, подключенные параллельно входным и выходным выводам, управляющие входы которых присоединены к узлу управления (3).

Недостатком такого устройства является сравнительно низкий КПД и возможность токовых перегрузок отдельных ячеек, что снижает надежность всего устройства, а также большая амплитуда пульсаций выходного напряжения н тока.

11ель изобретения — повышение KHll и надежности, снижение амплитуды пульсаций тока нагрузки стабилизированного преобразователя..

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированном преобразователе постоянного тока узел управления вьптолнен и виде элемен855897 4

N (N — 1) та управления каждой из ячеек и обшего органа управления, состояшего иэ датчика токи нагрузки, присоединенного к одному из входов схемы сравнения, друтой вход котороц подключен к источнику опорного напряжения, а выход — через ограничитель напряжения соединен с одним из входов элементов управления, каждый из которых выполнен в виде релейного регулятора, подключенного другим входом к измерительному резистору и выходом — через усилитель мощности к управляющему входу преобразовательной ячейки.

Кроме того, в элемент управления, по крайней мере, одной преобразовательной ячейки введен компаратор с положительной обратной связью, выходом соединенный с усилителем мощности и входом — с введенной цепочкой временной задержки, а в общий орган управления введен пороговый элемент, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а выход — со всеми цепочками временной задержки.

На чертеже изображена принципиальная схема стабилизированного преобразователя постоянного тока газовых лазеров.

Источник содержит рял транзисторных преобразовательных ячеек 1> — 1н, выполненных по схеме однотактного прямого конвертора, каждая из которых содержит входной предохранитель 2, входную емкость 3, транзистор

4, LDC-фильтр. 5, 6, 7, выходной предохранитель 8. Каждая преобразовательная ячейка содер>кит элемент управления, включающий релейньп1 регулятор 9, входом подключенный к измеритель. ному резистору 10, а выходом — к усилителю мощности 11, выход которого соединен с базой транзистора 4, По крайней мере, одна из преобразовательных ячеек содержит в себе цепочку 12 временной задержки и компаратор 13, охваченный положительной обратной связью 14.

Общий орган управления включает датчик 15 тока нагрузки, схему 16 сравнения, ограничитель 17 напряжения и пороговый элемент 18.

Входные выводы всех преобразовательных ячеек подключены к источнику питающего напряжения Е, а выходные выводы к потребителю

19, в цепь которого включен датчик 15 тока нагрузки, Компаратор 13, охваченный обратной связью 14, в N ячейках 1, соединен своим выходом с усилителем 11 мощности, а входом— с выходом цепочки 12 временной задержки.

Выход датчика 15 тока подключен к одному из входов схемы 16 сравнения, соединенной друтим своим входом и источником опорного напряжения U, а выходом через ограничиоп. тель 17 напряжения со входом релейного регулятора 9 каждой преобразовательной ячейки, кроме того, выход схемы 16 сравнения через

<0

l5

45 пороговыи элемент 18 подключен ко входу линии 12 задержки тех преобразовательных ячеек, в которых они имеются.

Преобразователь работает следующим образом.

При подаче входного питания Е все преобразовательные ячейки начинают работать в режиме стабилизации собственного выходного тока, уровень которого задается выходным напряжением, снимаемым с выхода ограничителя 17 напряжения U . Так как при запуске преобразователя ток йагрузки не успевает мгновенно вырасти до номинального значения, напряжение

Uyg на выходе схемы 16 сравнения максимальii0.

C целью исключения токовых перегрузок преобразовательных ячеек li и 1и во время запуска максимальное напряжение, поступающее на управляющие входы элементов управления, ограничивается введенным для этого ограничителем 17. По мере нарастания тока нагрузки напряжение с выхода датчика 15 тока возрастает, а напряжение U,6 снижается вплоть до уровня, при котором ток по нагрузке устанавливается на номинальном значении. Выходной ток каждой ячейки определяется только величиной управляющего напряжения U, поУ ступаюшего на один из входов релейного рсгулятора 9. Так как напряжение является общим для всех элементов управления, то токовая загрузка всех преобразовательных ячеек получается одинаковой. При отказе одной из ячеек она отключается от обшей цепи за счет выжигания плавких предохранителей 2 или 8 в зависимости от вида отказа. Во время выжигания входного предохранителя остальные ячейки принципиально не могут перегружаться, а при выжигании выходного предохранителя каждая из работоспособных ячеек может загрузиться до величины, определяемой максимальным управляющим напряжением U . Ограничитель 17 выбирается с учетом, чтобы д не превышало

У допустимой величины. После выжигания предохранителя отказавшей ячейки ток нагрузки вновь устанавливается на номинальном уровне.

При этом токовая загрузка работоспособных ячеек увеличивается на величину, равную что при N = 5-10 составляет менее 10 — 20% номинальной загрузки, Таким образом, в устройстве происходит автоматическое отключение неисправных преобразовательных ячеек, исключается при этом токовая ю перегрузка исправных ячеек, а ток потребителя поддерживается на заданном уровне и после отказа одной или нескольких ячеек. Надежность такого секционированного преобразовате855897

35 рый интервал времени, определяемый временем 4о

50 ля при постоянной избыточности резервных преобразователей тем выше, чем выше глубина секционирования, т.е. чем выше N. Так как элемент управления каждой иэ ячеек является автономным, то моменты переключения силовых транзисторов 4! — 4к не совпадают между собой, что приводит к уменьшению как высокочастотных, так и низкочастотных пульсаций на входе и выходе преобразователя. Это особенно заметно при большом числе преобразо- вателей, поскольку именно в этом случае происходит наиболее полная компенсация пульсаций их выходных токов.

Таким образом, предлагаемое изобретение надежнее известного, так как в нем исключены перегрузки отдельных преобразовательных ячеек из-за перераспределения токов между ними, исключены перегрузки. ячеек во время запуска преобразователя и исключены перегрузки при отказах и отключениях неисправных. преобразовательных ячеек.

В известном преобразователе по мере уменьшения уровня стабилизируемого тока происходит снижение КПЛ устройства, что наблюдается за счет возрастания относительной доли потерь на управление потерь в дросселях и динамических потерь в транзисторах.

С целью обеспечения постоянства КПД преобразователя в устройстве предусмотрено автоматическое отключение "лишних" ячеек в случае уменьшения уровня стабилизации 1, так

Н как уменьшение напряжения U „сопровождаоп. ется снижением выходного напряжения схемы сравнения Ur4 и напряжения управления U, У что приводит к снижению выходных токов всех ячеек. Если О!6 достигает нижнего уровня срабатывания порогового устройства 18, последнее срабатывает, а напряжение на его выходе становится отрицательным. Через некотозадержки т,) цепочки 12 в ячейке 1r„, происходит переопрокидывание компаратора 13 в состояние, при котором с выхода усилителя мощности 11и на транзистор 4!, поступает запирающее напряжение. Таким образом, ячейка

1У, отключается (обесточивается), à TGK нагрузки уменьшается, что приводит к автоматическому росту О!6 и 0„. Увеличение указанных напряжений приводит к росту токовой загрузки включенных ячеек и переходу порогового устройства 18 в свое нейтральное состояние.

Компаратор 13 после переопрокидывания остается в иовом состоянии, чем поддерживается отключенное состояние преобразователя после того, как пороговое устройство 18 переходит в нейтральное состояние. При дальнейшемуменьшенин уровня стабилизации 1„напряжение О!6 вновь начинает уменьшаться пока при некотором значении U„= О!6,!!,„не произойдет но!

О !

30 вого срабатывания порогового устройства 18.

В этом случае отключается и 1 ячейка, если она как и N-ая ячейка снабжена цепочкой вре. менной задержки и компаратором. Процесс отключения "лишних" преобразовательных ячеек происходит вплоть до обесточивания всех ячеек, содержащих цепочки временной задержки и компараторы. Для того, чтобы ячейки отключались поочередно, времена задержки цепочек 12у,, 12rrq и т.д. выбРаны Разными, прн >toM тз(к) < тз(и-!)< ta(rr 2) и т д Для исключения режима неуправляемого отключения ячеек время задержки tq(rr) должно превышать интервал времени, в течение которого ток нагрузки после момента отключения "лишней" ячейки вырастает до номинального уровня. При увеличении уровня стабилизации тока нагрузки наблюдается обратный процесс поочередного подключения ячеек, находящихся в отключенном состоянии. Аналогично, если прн работе источника происходит отказ одной из ячеек, напряжение Оть возрастает до верхнего уровня срабатывания порогового устройства 18.

Последнее срабатывает, при этом напряжение на ее выходе становится положительным и через время задержки t3(j) происходит подключение i-й ячейки.

Таким образом, в предлагаемом устройстве число включенных ячеек строго определяется величиной стабклизкруемого тока нагрузки, что повышает КПД преобразователя в целом.

Кроме того, перевод "лишних" ячеек в режим

"холодного" резерва сушественно повышает надежность источника.

Цепочка 12 временной задержки может быть выполнена в виде RC-цепи, включенной на входе компаратора 13, зашунткрованном встречно-параллельно соединенными диодами. Диоды ограничивают уровень напряжения на хронирующей емкости и существенно повышают линейность изменения напряжения на емкости прк

0!8 )> U, где U — напряжение на открытом л и диоде (на чертеже).

Предлагаемое устройство по сравнению с известным характеризуется большей надежностью, большим КПД и меньшей амплитудой пульсаций тока нагрузки.

Формула изобретенчя

1. Стабилизированнык преобразователь постоянного тока, содержаший, по меньшей мере, две преобразовательных ячейки, подключенные параллельно входным и выходным выводам, управляющие входы которых прксоедикены к узлу управления, отличающийся тем, что, с целью повышения надежкосгк к

855897

ВНИИПИ Заказ 6960/81 Тираж 730 Подписное

Филиал ППП "Патент", г. Уж ород, ул. Проектная, 4 снижения уровня лульсации тока нагрузки, узел управления выполнен в виде элемента управления каждой иэ ячеек и общего органа управления, состоящего из датчика тока нагруз\

Ки, присоединенного к одному из входов схемы сравнения, другой вход которой подключен к источнику опорного напряжения, а выход— через ограничитель напряжения соединен с одним иэ входов элементов управления, каждый из которых выполнен в виде релейного регулятора, подключенного другим входом к измерительному резистору и выходом — через усилитель мощности к управляющему входу лреобразовательной ячейки.

2, Преобразователь по п. 1, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения КПД и надежности, в элемент управления, по крайней мере, одной преобразовательной ячейки введен компаратор с положительной обратной связью, выходом соединенный с усилителем мощности н входом — с введенной цепочкой временной задержки, а и общий орган управления введен пороговый элемент, вход которого соединен с выходом схемы сравнения, а выход со всеми цепочками временной задержки. о Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1, Авторское свидетельство СССР N 453681, кл. G 05 F 1/56, 1974.

2, Авторское свидетельство СССР 11 527701, кл, G 05 F 1/56, 1976, 3, Патент США No 4017745, кл. Н 03 К 17/60, 1976.