Устройство для управления магнитной индукцией при преобразовании напряжения питания

 

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике и может быть использовано в силовых преобразователях и источниках напряжения. Для повышения эффективности, надежности и КПД, что является техническим результатом, в известное устройство, содержащее генератор 10 и преобразователь 12 напряжения, входы питания и силовые выходы которого являются соответствующими входами и выходами устройства, согласно изобретению введены датчик 9 Холла и узел 13 датчиков Холла, индуктивно связанные с соответствующими цепями преобразователя 12 напряжения, элемент 14 развязки, входами соединенный с соответствующими силовыми выходами преобразователя 12, и формирователь 11 задержанного импульса, выходы которого подключены к одному управляющему входу преобразователя 12, управляющие входы - к соответствующим выходам узла 13, а информационный вход - к выходу генератора 10, вход запуска которого является входом блокировки устройства, одни информационные входы генератора 10 соединены с соответствующими выходами датчика 9, другие - с соответствующими выходами элемента 14, а выход - с другим управляющим входом преобразователя 12. 5 ил.

Изобретение относится к автоматике и вычислительной технике, может быть использовано в силовых преобразователях и источниках напряжения.

Известно устройство для управления магнитной индукцией в преобразователях напряжения (см. патент ФРГ N 4211906 C1, кл. B 23 K 9/10, 1990), содержащее генератор и преобразователь напряжения сети в питании нагрузки. Однако это устройство имеет ограниченную эффективность из-за низкого КПД, что не позволяет получить технический результат.

Наиболее близким к изобретению является устройство для управления магнитной индукцией при преобразовании напряжения питания (см. патент EP N 0410088 B1, кл. B 23 K 9/10, 1991), содержащее блок включения питания, генератор и преобразователь напряжения, входы питания и силовые выходы которого являются соответствующими входами и выходами устройства. Однако и это устройство не позволяет получить технический результат, поскольку имеет ограниченный ресурс силовых коммутирующих элементов, значительные помехи при включении питания и при дальнейшей работе из-за резких токовых бросков, а также низкий КПД.

Сущность изобретения основана на повышении эффективности и надежности работы, снижении помех и увеличении КПД за счет исключения непроизводительных затрат энергии при изменении ее потребления переменными нагрузками и при коротких замыканиях, что и характеризует технический результат изобретения.

Это достигается тем, что в известный преобразователь напряжения, содержащий генератор импульсов и мостовой преобразователь, входы питания и силовые выходы которого являются входами и выходами преобразователя, согласно изобретению введены датчик Холла, размещенный в зазоре сердечника трансформатора и контролирующий его магнитную насыщенность, узел датчиков Холла, размещенных над токовыми цепями соответствующих транзисторов плеч моста мостового преобразователя, элемент развязки, входами соединенный с соответствующими силовыми выходами мостового преобразователя, и формирователь задержанного импульса, выход которого подключен к одному управляющему входу мостового преобразователя, управляющие входы - к соответствующим выходам узла датчиков Холла, осуществляющих контроль за временем паузы в работе мостового преобразователя, а информационный вход - к выходу генератора импульсов, вход запуска которого является входом блокировки преобразователя, одни информационные входы генератора импульсов соединены с соответствующими выходами датчика Холла, изменяющего импульсную скважность, другие - с соответствующими выходами элемента развязки, изменяющего длительность импульсов, а выход - с другим управляющим входом мостового преобразователя.

На фиг. 1 изображена структура устройства с блоком включения питания; на фиг. 2 - состав генератора импульсов; на фиг. 3 - схема формирователя задержанного импульса; на фиг. 4 - схема мостового преобразователя; на фиг. 5 - временные диаграммы работы устройства.

Блок включения питания содержит последовательно включенные (фиг. 1) фильтр 1, выключатель 2, компаратор 3, коммутатор 4, выпрямитель 5, накопитель 6, а также ограничитель 7 тока и стабилизатор 8. Преобразователь напряжения содержит последовательно соединенные датчик 9 Холла, генератор 10 импульсов, формирователь 11 задержанного импульса, мостовой преобразователь 12, узел 13 датчиков Холла, а также элемент 14 развязки и блок 15 включения питания.

Генератор 10 (фиг. 2) содержит мультивибратор 16 на базе микросхемы КР 1006 ВИ1, диоды 17, 18, 19, транзистор 20, резисторы 21, 22, 23, 24, 25, 26, конденсаторы 27, 28. Формирователь 11 (фиг. 3) содержит ждущие мультивибраторы 29, 30, 31 на базе микросхемы КР 1006 ВИ1, транзистор 32, диоды 33, 34, 35, 36, 37, 38, конденсаторы 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, резисторы 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58. Преобразователь 12 (фиг. 4) включает транзисторы 59, 60, 61, 62, диоды 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, стабилитроны 71, 72, конденсаторы 73, 74, 75, диодный моста 76, индуктивные элементы 77, 78, выполненные в виде трубчатых ферритов, расположенных вблизи силовых выходных цепей для снижения помех, резисторы 79, 80, 81, 82, 83, 84, трансформатор 85. На фиг. 2, 4 изображены светодиод 86 и фототранзистор 87 элемента 14.

Cхемы генератора 10, формирователя 11 и преобразователя 12 приведены для демонстрации возможной их практической реализации и позиции их элементов не показаны.

Устройство в статике характеризуется лишь совокупностью, описанной выше, и в формуле взаимосвязей.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Преобразуемое напряжение в устройство поступает с накопителя 6 в момент его совпадения с входным питанием в результате замедленного накопителя по амплитуде через ограничитель 7. В данном случае компаратор 3 разблокирует устройство и подает в него входное напряжение через коммутатор 4 в выпрямленном виде. Этим достигается снижение бросков питания и исключается выход из строя по этой причине элементов устройства в момент включения питания (коммутирующих и выпрямительных).

Далее выходной уровень напряжения реализуется преобразователем 12 по командам генератора 10 и формирователя 11 в соответствии с временной диаграммой фиг. 5.

Схема устройства построена таким образом, что позволяет отдельно регулировать как длительность запускающего импульса от генератора 10, так и скважность импульсной последовательности изменением значения сопротивлений у переменных резисторов генератора 10 (фиг. 2). При работе устройства в дальнейшем динамическое слежение за длительностью (t_и) и скважностью (импульсной последовательностью) осуществляется датчиком 9 и оптроном элемента 14 путем шунтирования входных цепей генератора 10. Датчик 9 размещен в зазоре магнитопровода в преобразователе 12 и фиксирует степень его насыщения, включая перенасыщение.

По сигналу компаратора 3 разблокируется работа устройства, и генератор 10 выдает в преобразователь 12 исполнительные импульсы (U_А), а в формирователь - 11 для их задержки (U_В) (см. фиг. 5a и в). Исполнительный и задержанный импульсы поступают на разные плечи мостового преобразователя 12. Соответственно этому ток в первичной обмотке преобразователя 12 протекает то в одном, то в другом направлениях, обеспечивая полный цикл перемагничивания сердечника в трансформаторе.

Использование задержанного импульса гарантирует синфазность работы трансформатора, т. е. независимо от времени и режима работы преобразователь 12 не может дважды подряд включить одно и то же плечо моста, что отсутствует в известных устройствах и повышает надежность преобразования напряжения. Время паузы (t_пауз) между парой импульсов в их последовательности (см. фиг. 5а и в) необходимо для того, чтобы к моменту включения второго плеча моста первое плечо должно быть закрыто, а выходной диод восстановлен. Если время паузы меньше или равно минимально допустимому времени, то могут появиться сквозные токи по "плечевым" транзисторам преобразователя 12 и по его выходным диодам. Следовательно, время паузы должно быть оптимальным.

Всплески обратного напряжения (U_w) на концах вторичной обмотки трансформатора в преобразователе 12 в момент закрытия очередного плеча моста не могут превышать +E_п, поскольку плечевые транзисторы зашунтированы диодами (см. фиг. 5д). Kонтроль за временем паузы осуществляют пары датчиков узла 13, размещенные над токовыми цепями стоков соответствующих полевых транзисторов соответствующего плеча моста, на основе первой производной по времени тока стока. Как только модуль превысит допустимое значение, элемент задержки, с которой связаны соответствующие датчики, раздвигает импульсы на оптимальное время. В режиме холостого хода, когда нет нагрузки, необходимо максимально сузить импульсы. Для этой цели в преобразователе 12 служит диодный мост, подключенный для гальванической развязки к выходной обмотке трансформатора через емкости и нагруженный на емкость для фильтрации всплесков напряжения. Нагрузкой служит световод оптрона в элементе 14. Чем выше выходное напряжение устройства (U_вых) (см.фиг. 5ж), тем выше интенсивность свечения диода в элементе 14 и тем лучше открывается фототранзистор в элементе 14, шунтируя переменный резистор на входе генератора 10, импульс с выхода которого сужается до минимальной длительности (t_и). При включении же, например, в качестве нагрузки сварочного аппарата, когда выходное напряжение минимально, вышеупомянутый резистор не шунтируется и импульс генератора, а следовательно, и задержанный формирователем импульс достигают максимальной длительности. Помимо этого датчик 9, размещенный в зазоре сердечника трансформатора, контролирует его магнитную насыщенность и изменяет импульсную скважность в широких пределах, не позволяя сердечнику уходить в глубокое насыщение (перенасыщение). Насыщение происходит при коротком замыкании выходов устройства, что зачастую происходит в процессе сварки. В этом случае скважность импульсов увеличивается, а электрод сварочного аппарата не перегревается.

Построение устройства рассмотренным образом позволяет организовать синергетический принцип управления синхронно несколькими модулями для оперативного изменения энергетической мощности потребления с использованием общих узлов, таких как датчики Холла, генераторы и т.п.

Промышленная применимость. Поскольку рассматриваемое устройство снижает помехи, требующие значительных затрат на их устранение, обеспечивает повышение надежности обеспечением энергией потребителей и увеличивает КПД за счет исключения непроизводительных затрат энергии при изменении потребности в ней при потреблении переменными нагрузками и при коротких замыканиях, то имеет место повышенная эффективность данного устройства и экономия эксплуатационных затрат в сравнении с ранее известными аналогами, что позволяет широко использовать его в системах энергообеспечения.

Формула изобретения

Преобразователь напряжения, содержащий генератор импульсов и мостовой преобразователь, входы питания и силовые выходы которого являются входами и выходами преобразователя, отличающийся тем, что в него введены датчик Холла, размещенный в зазоре сердечника трансформатора и контролирующий его магнитную насыщенность, узел датчиков Холла, размещенных над токовыми цепями соответствующих транзисторов плеч моста мостового преобразователя, элемент развязки, входами соединенный с соответствующими силовыми выходами мостового преобразователя, и формирователь задержанного импульса, выход которого подключен к одному управляющему входу мостового преобразователя, управляющие входы - к соответствующим выходам узла датчиков Холла, осуществляющих контроль за временем паузы между парой импульсов в их последовательности, а информационный вход - к выходу генератора импульсов, вход запуска которого является входом блокировки преобразователя, одни информационные входы генератора импульсов соединены с соответствующими выходами датчика Холла, изменяющего импульсную скважность, другие - с соответствующими выходами элемента развязки, изменяющего длительность импульсов, а выход - с другим управляющим входом мостового преобразователя.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5