Устройство для управления и защиты преобразователя

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках питания со звеном повышенной частоты. Целью изобретения является устранение низкочастотной пульсации на выходе преобразователя в диапазоне выходных токов , близких к максимальному, и повышение надежности преобразователя. Устройство для управления и заш,иты преобразователя содержит входной выпрямитель 2, подключенныи через токоограничиваюш,ий дроссель 33 и датчик тока 3 к входу инвертора 4, выход которого через выходной выпрямитель 5 и фильтр 6 соединен с нагрузкой, усилитель обратной связи 9, широтно-импульсный модулятор 12 и усилитель моплности 7, а также два пороговых органа 8, 13, триггер защиты 16, элемент памяти 19, элемент ИЛИ 14, главный ключ защиты 20, блок задержки включения 22, два пороговых элемента 25, 26. Осуществлены защита от снижения питания схемы управления, задержка включения инвертора от момента включения в сеть до момента окончания переходных процессов в входном выпрямителе, защита по максимальному току и токовая отсечка, причем на этапе бестоковой паузы функция защиты передается ключу паузы 44. Кроме того , устройство содержит дифференцирующую цепь 35, стробирующий ключ 36 и диод 37 для устранения ложных срабатываний токовой отсечки вначале рабочего импульса и исключения возникновения низкочастотных пульсаций на выходе преобразователя в диапазоне выходных токов, близких к максимальному . 5 ил. i (Л

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (51) 4 Н 02 М 3 24, Н 02 H 7/10

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPGHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (61) 1336171 (21) 4168668/24-07 (22) 29.12.86 (46) 15.06.88. Бюл. № 22 (71) Научно-исследовательский институт автоматики и электромеханики при Томском институте автоматизированных систем управления и радиоэлектроники (72) В. Н. Мишин, В. А. Пчельников и И. Ю. Леонов (53) 621.316.925.4 (088.8) (56) Авторское свидетельство СССР № 1336171, кл. Н 02 М 3/24, Н 02 Н 7/12, 1985. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ

И ЗАЩИТЫ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ (57) Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано во вторичных источниках питания со звеном повышенной частоты. Целью изобретения является устранение низкочастотной пульсации на выходе преобразователя в диапазоне выходных токов, близких к максимальному, и повышение надежности преобразователя. Устройство для управления и защиты преобразователя содержит входной выпрямитель 2, подклю.Я0» 1403281 А2 ченный через токоограничивающий дроссель 33 и датчик тока 3 к входу инвертора 4, выход которого через выходной выпрямитель

5 и фильтр 6 соединен с нагрузкой, усилитель обратной связи 9, широтно-импульсный модулятор 12 и усилитель мощности 7, а также два пороговых органа 8, 13, триггер защиты 16, элемент памяти 19, элемент ИЛИ

14, главный ключ защиты 20, блок задержки включения 22, два пороговых элемента 25, 26. Осуществлены защита от снижения питания схемы управления, задержка включения инвертора от момента включения в сеть до момента окончания переходных процессов в входном выпрямителе, защита по максимальному. току и токовая отсечка, причем на этапе бестоковой паузы функция защиты передается ключу паузы 44. Кроме того, устройство содержит дифференцирующую цепь 35, стробирующий ключ 36 и диод 37 для устранения ложных срабатываний токовой отсечки вначале рабочего импульса и исключенйя возникновения низкочастот ных пульсаций на выходе преобразователя в диапазоне выходных токов, близких к максимальному. 5 ил.

1403281

10

Изобретение относится к преобразовательной технике, может быть использовано во вторичных источниках питания со звеном повышенной частоты и является дополнительным к основному по авт. св. М 1336171.

Целью изобретения является устранение низкочастотной пульсации на выходе преобразователя в диапазоне выходных токов, близких к максимальному, и повышение надежности преобразователя.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства для управления защиты преобразователя; на фиг. 2— пример построения схемы порогового органа; на фиг. 3 — один из вариантов усилителя мощности; на фиг. 4 — пример выполнения схем главного ключа защиты; на фиг. 5 —вариант блока задержки включения.

Устройство для управления и защиты преобразователя (фиг. 1) содержит входом 1 подключенный к питающей сети входной вы прямитель 2, первый выход которого через датчик 3 тока соединен с первым входом инвертора 4, выход которого через выходной выпрямитель 5 подключен к входу LC-фильтра 6, усилитель 7 мощности, выходом соединенный с управляющим входом инвертора 4, пороговый орган 8, входом подключенный к выходу датчика 3 тока, и усилитель 9 обратной связи, первый вход которого соединен с зажимом 10 для подключения источника опорного напряжения, а выход подключен к первому входу 11 широтно-импульсного модулятора 12. Устройство содержит также второй пороговый орган 13, входом соединенный с выходом датчика 3 тока, а выхо дом — с первым входом элемента ИЛИ 14

: и анодом первого диода 15, триггер 16 защиты, установочный вход которого подключен к аноду второго диода 17 и выходу первого порогового органа 8, счетный вход — к синхронизирующему выходу 18 широтно-импульсного модулятора 12, инвертирующий выход через элемент 19 памяти — к первому входу главного ключа 20 защиты, а»еинвертирующий выход соединен с катодом третьего диода 21, блок 22 задержки включения, вход которого подключен к зажиму 23 для подключения положительного источника питания, а выход соединен с вторым входом

24 широтно-импульсного модулятора 12, первый пороговый элемент 25, один вход которого подключен к зажиму 23 для подключения положительного источника питания, выход — к второму входу элемента

ИЛИ 14, а второй вход соединен с выходом второго порогового элемента 26, входом подключенного к зажиму 27 для подключения источника питания отрицательным напряжением, причем выход фильтра 6 соединен с зажимом 28 для подключения нагрузки через датчик 29 выходного параметра, выход которого подключен к второму входу усили15

55 теля 9 обратной связи, выход 30 широтноимпульсного модулятора 12 соединен с входом усилителя 7 мощности, анод третьего диода 21 подклк>чен к третьему входу 31 широтно- импульсного модулятора 12, катодом первого 15 и второго 17 диодов — к аноду четвертого диода 32, катодом соединенного с вторым входом главного ключа 20 защиты, третий вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ 14, второй выход входного выпрямителя 2 соединен с токоограничивающим дросселем ЗЗ, зашунтированным пятым диодом 34, анод которого подключен к второму входу инвертора 4.

Устройство для управления и защиты пре. образователя дополнительно включает в себя дифференцирующую цепь 35, входом подключенную к третьему входу 31 широтноимпульсного модулятора 12, а выходом соединенную с управляющим входом стробирующего ключа 36, силовой вход которого через диод 37 подключен к установочному входу триггера 16 защиты.

Широтно-импульсный модулятор 12 может содержать (см. фиг. 1) задающий генератор 38, выходом подключенный к счетному входу триггера 39 управления и к входу дифференцирующей цепи 40, генератор 41 пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом дифференцирующей цепи 40 и с первым входом элемента ИЛИ 42, а выход — с первым входом компаратора 43 обратной связи, второй вход которого является первым входом 11 широтно-импульсного модулятора 12, а выход подключен к второму входу элемента ИЛИ 42, третий вход которого служит вторым входом 24 широтно-импульсного модулятора 12, а выход соединен с управляющим входом ключа 44 паузы, причем выходы триггера 39 управления через диоды 45 и 46 образуют выход 30 широтно-импульсного модулятора 12 и через диоды 47 и 48 соединены с силовым входом ключа паузы, являющимся третьим входом 31 широтно-импульсного модулятора 12, синхронизирующим выходом 18 которого является выход задающего генератора 38.

Пороговый орган 18 или 13 содержит (см. фиг. 2) компаратор 49, на входе которого включен измерительный резисторный мост 50, в плечо которого включен датчик 3 тока, а выход компаратора 49 подключен к светодиоду оптодиодной пары 51, управляющей полевым транзистором 52, выход которого является выходом порогового органа 8 или 13.

Усилитель 7 мощности для транзисторного инвертора 4, построенного, например, по мостовой схеме, включает в себя (см. фиг. 1) два идентичных усилителя 53, 54 мощности для управления силовыми транзисторами разных диагоналей моста, причем каждый из них может состоять (см. фиг. 3) 1403281

55 из резистора 55, соединяющего зажим 23 для подключения источника питания положительным напряжением с входом усилителя 53, 54 мощности и стабилитроном 56, и блока 57 для управления силовым транзисторным ключом, вход которого соединен с анодом стабилитрона 56, через диод 58— с общей шиной схемы управления, а через резистор 59 — с зажимом 27 для подключения источника питания отрицательным напряжением.

Главный ключ 20 защиты содержит (см. фиг. 4) биполярный транзистор 60, базоэмиттерный переход которого через стабилитрон образует третий вход главного ключа 20 защиты, и гибридную полупроводниковую пару 61, эмиттер однопереходного транзистора которой является первым входом ключа

20, а анод тиристора составляет второй вход главного ключа 20 зашиты.

Блок 22 задержки включения представляет собой (см. фиг. 5) пороговый элемент с времязадаюшей цепью по входу.

Устройство для управления и защиты пре образователя работает следующим образом.

При подаче сетевого напряжения на вход

1 входного выпрямителя 2, в качестве которого может быть использован диодный мост с LC-фильтром на выходе, íà его выходах возникает постоянное напряжение, поступающее через датчик 3 тока и токоограничивающий дроссель 33 на входы инвертора 4.

Одновременно поступает напряжение на схему управления, и канал управления, образованный задающим генератором 38 и триггером 39 управления, формирует импульсы управления с коэффициентом заполнения Y = 0,5.

При наличии на выходе триггера 39 управления напряжения логической единицы диод 45 или 46 закрыт и ток от положительного источника 23, протекая через резистор 55, стабилитрон 56 и диод 58, запирает управляющий ключ блока 57 для управления силовым транзисторным ключом.

При этом силовой ключ инвертора открывается. При наличии на выходе триггера 39 управления напряжения логического нуля диод 45 или 46 открыт, ток положительного источника 23 протекает через него, диод 58 запирается, а управляющий ключ блока 57 отпирается током отрицательного источника 27 через резистор 59. При этом силовой ключ инвертора закрывается. Выходные импульсы задающего генератора 38, продифференцированные дифференцирующей цепью 40, через элемент ИЛИ 42 открывают ключ 44 паузы на время бестоковой паузы, перекрывающей по длительности, например, для мостового преобразователя суммарное время канала управления и выключения силовых транзисторов инвертора, которое

45 складывается из времени спада и времени рассасывания неосновных носителей. Ключ

44 паузы через диоды 47 и 48 отсекает от импульса управления на выходе триггера 39 временной интервал, равный длительности бестоковой паузы. В момент пуска, до истечения промежутка времени, достаточного для окончания переходных процессов-во входном выпрямителе 2 и в источнике питания схемы управления, на выходе блока 22 задержки включения присутствует положительное напряжение, через элемент ИЛИ 42 отпирающее ключ 44 паузы, который через диоды 47 и 48 блокирует выходы триггера 39 управления, и силовые транзисторы инвертора 4 остаются закрытыми. По истечении времени задержки, определяемой блоком 22 задержки включения, на его выходе формируется напряжение, близкое к нулю, и с третьего входа элемента ИЛИ 42 снимается сигнал запрета. Импульсы управления с выхода 30 широтно-импульсного модулятора 12 усиливаются усилителем 7 мощности и поступают на базы силовых транзисторных ключей инвертора 4. Инвертор запускается, и его выходное напряжение, выпрямленное, например, двухполупериодным выпрямителем 5 и отфильтрованное LC-фильтром 6, поступает через датчик 29 выходного параметра на зажим 28 для подключения нагрузки. С выхода датчика 29 выходного параметра напряжение обратной связи и опорное напряжение зажима 10 подается на выходы усилителя 20 обратной связи, с выхода которого их усиленная разность поступает на второй вход компаратора 43 обратной связи.

На первый вход ком паратора 43 подается линейно нарастающее напряжение с выхода генератора пилообразного напряжения, синхронизируемого выходными им пульсами дифференцирующей цепи 40. В случае возникновения разницы между напряжением обратной связи и опорным напряжением на выходе компаратора 43 формируются положительные импульсы длительностью, пропорциональной величине указанной разницы, которые через элемент ИЛИ 42 открывают ключ 44 паузы, блокирующий выходы триггера 39 управления, и тем самым изменяют коэффициент заполнения инвертора в сторону уменьшения или увеличения в зависимости от знака возмущающего воздействия.

При уменьшении напряжения питания схемы управления на зажимах 23 и 27 до недопустимой величины срабатывают пороговые элементы 25 и 26, которые могут быть построены по схеме триггера Шмидта, и через элемент ИЛИ 14 и транзистор 60 на управляющий электрод тиристора гибридной пары 61 главного ключа 20 защиты поступает отпирающий импульс. Тиристор открывается и через диоды 32, 47 и 48 блоки1403281

35 рует выходы триггера 39 управления, после чего преобразователь полностью отключается. Наличие этой защиты диктуется как необходимостью поддержания нормальной работы схемы управления, так и жесткими требованиями по обеспечению номинальной величины базового тока силовых транзисторных ключей, недостаточность которого при максимальном токе коллектора может привести к перегреву силовых транзисторов и выходу их из строя.

Пороговые органы 8 и 13 настроены на разные уровни тока, причем пороговый орган 8, настроенный на уровень, незначительно превышающий уровень номинального тока первичной обмотки силового трансфорМатора, работает в режиме токовой отсечки, и пороговый орган 13, настроенный на большую величину тока относительно порогового органа 8, через элемент ИЛИ 14 и главный ключ 20 защиты полностью отключает преобразователь.

Такое построение вызвано необходимостью повышения надежности преобразователей. Оно позволяет осуществить страховку системы токовой отсечки в случае ее сбоя. При увеличении тока нагрузки, коротком замыкании на выходе преобразователя, возникновении сквозного тока в инверторе 4 или замагничивании сердечника силового трансформатора инвертора 4 на интервале пуска выходной ток входного выпрямителя 2, представляющий собой сумму тока первичной обмотки силового трансформатора инвертора 4 и его тока намагничивания, возрастает, при этом возрастает величина напряжения, снимаемого с датчика 3 тока на фход порогового органа 8. При достижении пороговой величины напряжение на выходе резисторного моста 50 меняет знак и компаратор 49 формирует на светодиоде оптопары 51 положительный импульс, после чего транзистор 52 запирается током фотодиода оптопары 51 и триггер 16 защиты, ранее приведенный в исходное состояние по счетному входу импульсом задающего генератора 38, опрокидывается. На его неинвертирующем выходе возникает напряжение логического нуля, в связи с чем выходы триггера 39 управления блокируются через диоды 47 и 48 и диод 21, и силовые транзисторы инвертора 4 запираются. На инвертирующем выходе триггера 16 защиты появляется напряжение логической единицы, которым заряжается конденсатор элемента 19 памяти до величины, пропорциональной отсекаемому интервалу импульса управления. Следующий тактовый импульс задающего генератора 38 возвращает триггер 16 защиты по счетному входу в исходное состояние, и через силовые ключи инвертора 4 снова протекает ток. При наличии устойчивой пере20

55 грузки триггер 16 защиты многократно срабатывает, отсекая по времени зону перегрузки и уменьшая длительность импульсов инвертора, одновременно заряжая конденсатор элемента 19 памяти. По достижении напряжения на конденсаторе величины, достаточной для срабатывания однопереходного транзистора гибридной пары 61, тиристор главного ключа 20 защиты отключает преобразователь в целом. Если перегрузка кратковременная, токовая отсечка защищает инвертор без отключения преобразователя. Постоянную времени элемента 19 памяти выбирак>т из условия недопустимости перегрева силовых транзисторов. В связи с тем, что время запирания силовых транзисторов инвертора 4 с момента выдачи команды на выключение определяется его временем спада и рассасывания, то для ограничения тока в течение этого времени в цепь питания инвертора 4 включен токоограничивающий дроссель 33 с обратным диодом 34.

В реальных преобразователях осуществление разноса уровней срабатывания пороговых органов 8 и 13 на небольшую величину связано с большими трудностями, и в первую очередь — с повышенными помехами, источником которых является сам преобразователь. В связи с этим прецизионные пороговые органы 8 и 13 начинают срабатывать на помехи при величинах реального тока первичной обмотки силового трансформатора гораздо меньших, чем величины уставки уровней пороговых органов. Уничтожение помех с помощью конденсаторов не согласуется с требованиями максимального быстродействия исполнительных устройств защиты, так как вводит дополнительную задержку. Все это относится как к двухуровневым системам защиты, так и одноуровневым. Увеличение разноса пороговых уровней или просто увеличение уровня уставки пороговых органов с учетом помехи заставляет заведомо завышать максимальную величину тока через транзисторы, что ведет к резкому снижению надежности преобразователей или неоправданному завышению массы и габаритов. Для устранения этого недостатка в предложенном устройстве для управления и защиты преобразователя введены диоды 15 и 17, которые блокируют срабатывание пороговых органов 8 и 13 на время действия бестоковой паузы, когда функцию защиты берет на себя ключ 44 паузы, так как установлено, что максимальная помеха возникает в момент выключения силовых транзисторов инвертора, который приходится по времени на интервал бестоковой паузы. Также помеха возникает и при включении силовых транзисторов инвертора. Она вызвана сквозным током выходного выпрямителя (выполненного, например, по двухполупериодной схеме) и обусловлена неиде1403281 альным временем восстановления выпрямительных диодов. Влияние этой помехи становится значительным при работе инвертора в диапазоне токов, близких к максимальному, и заключается в ложном срабатывании токовой отсечки по импульсу помехи в начале полупериода при токе меньше номинального. Для устранения этого недостатка дифференцирующая цепь 35 (см. фиг. 1) формирует короткий положительный импульс по положительному фронту напряжения на силовом входе ключа 44 паузы для управления стробирующим ключом

36, который через диод 37 блокирует срабатывание триггера 16 защиты на время, незначительно превышающее длительность 15 импульса помехи. При этом индуктивность дросселя 33 токоограничения выбирают такой, чтобы длительность нарастания тока первичной обмотки трансформатора до максимальной величины при, например, коротком замыкании на выходе преобразователя при любых начальных условиях превышала суммарную длительность стробирующего импульса и времени рассасывания силового ключа инвертора.

Данное устройство для управления и защиты преобразователя позволяет устранить низкочастотную пульсацию на выходе преобразователя в. диапазоне выходных токов, близких к максимальному, за счет исключения ложного срабатывания системы токовой отсечки по импульсу помехи в начале полупериода, а также повысить надежность преобразователя за счет уменьшения разноса между максимальной величиной рабочего тока и уровнем срабатывания токовой отсечки. Снижение разноса ведет в конечном итоге к уменьшению токов силовых транзисторов инвертора в режиме перегрузки преобразователя, а значит, и к увеличению времени наработки на отказ.

Формула изобретения

Устройство для управления и защиты преобразователя по авт. св. № 1336171, отличающееся тем, что, с целью устранения низкочастотной пульсации на выходе преобразователя в диапазоне выходных токов, близких к максимальному, и повышения надежности, оно дополнительно снабжено дифференцирующей цепью, стробирующим ключом и дополнительным диодом, причем вход дифферен цирующей цепи соединен с третьим входом широтно-им пульсного модулятора, а выход ее подключен к управляющему входу стробирующего ключа, силовой вход которого соединен с катодом дополнительного диода, анодом подключенного к установочному входу триггера защиты.

1403281 фиг4

Составитель О. Мещерякова

Редактор Н. Швыдкая Техред И. Верее Корректор И. Муска

Заказ 2879/51 Тираж 665 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4