Устройство для регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя
Владельцы патента RU 2321148:
Общество с ограниченной ответственностью Конструкторское Бюро "Системотехника" (RU)
Изобретение относится к силовой электронике и может быть использовано в мощных источниках стабилизированного тока. Технический результат заключается в повышении надежности работы импульсного преобразователя и точности регулирования его выходного тока при любом значении сигнала задания тока. Устройство содержит двухтактный импульсный преобразователь с двумя высокочастотными управляемыми ключами (Кл) (1, 2), входным LC-фильтром (3) и выходным трансформатором (ТР) (9), к вторичной обмотке (8) которого подключен выпрямитель (В) (7); сетевой выпрямитель (10), подсоединенный через Кл (11) ко входу LC-фильтра (3); выходной LC-фильтр (4) подключен входом к выходу В (7) и выходом к нагрузочной цепи (5); узел управления (УУ) (15) подключен выходом к выводам первичных обмоток разделительных трансформаторов ТР (17, 18), выводы вторичных обмоток которых подсоединены к цепям управления Кл (1, 2); суммирующий усилитель (У) (16) подсоединен первым входом через датчик тока (ДТ) (6) к выходу LC-фильтра (4) и выходом к входу УУ (15); ШИМ-компаратор (12) подключен выходом к управляющему входу Кл (11) и первым входом через генератор линейно изменяющегося напряжения (13) к выходу генератора тактовых импульсов (14); интегросумматор (21) подключен первым входом к источнику опорного напряжения задания тока (19), вторым входом к выходу ДТ (6) и выходом к второму входу У (16); и усилитель с кусочно-линейной передаточной характеристикой (20) подсоединен входом к выходу У (16) и выходом ко второму входу ШИМ-компаратора (12). 2 ил.
Изобретение относится к силовой электронике и может быть использовано в мощных источниках стабилизированного тока с широким диапазоном регулирования, гальванически не связанных с питающей сетью переменного тока, например, с промышленной сетью 220 В, 50 Гц.
Известно устройство [Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. - СПб.: КОРОНА принт, 1998, с.374, рис.33.10], содержащее сетевой выпрямитель, входной LC-фильтр, выход которого подсоединен к входу двухтактного импульсного преобразователя с первым и вторым высокочастотными ключами и выходным трансформатором, в цепи вторичной обмотки которого включен выпрямитель с выходным LC-фильтром на выходе, схему управления, к входу которой подсоединена цепь обратной связи по току нагрузки, а к ее выходу подсоединены выводами первичные обмотки разделительных импульсных трансформаторов, выводы вторичных обмоток которых подсоединены к цепям управления упомянутых первого и второго высокочастотных ключей.
Однако известное устройство не обеспечивает надежную работу импульсного преобразователя в случае достаточно мощной нагрузки и широкого диапазона регулирования тока. Напряжение на входе импульсного преобразователя остается неизменным по величине во всем диапазоне регулирования. Причем величина этого напряжения должна быть заранее выбрана такой, чтобы имелся запас мощности для обеспечения устойчивой работы импульсного преобразователя в граничных зонах диапазона регулирования тока. Поэтому высокочастотные ключи в общем случае коммутируют повышенную мощность и, следовательно, во время их работы выделяется повышенная мощность рассеивания, что снижает надежность импульсного стабилизирующего преобразователя.
Наиболее близким аналогом (прототипом) к предлагаемому техническому решению является устройство для регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя [Патент RU 2215360 С2, Н02М 7/00, опубл. 27.10.2003. Бюл. №30], которое содержит сетевой выпрямитель, входной LC-фильтр, выход которого подсоединен к входу двухтактного импульсного преобразователя с первым и вторым высокочастотными ключами и выходным трансформатором, в цепи вторичной обмотки которого включен выпрямитель с выходным LC-фильтром на выходе, схему управления, к входу которой подсоединена цепь обратной связи по току с нагрузочной цепи выходного LC-фильтра, а к ее выходу подсоединены выводами первичные обмотки разделительных импульсных трансформаторов, выводы вторичных обмоток которых подсоединены к цепям управления упомянутых первого и второго высокочастотных ключей, третий управляемый ключ, генератор тактовых импульсов, генератор линейно-изменяющегося напряжения, ШИМ-компаратор, сумматор, преобразователь длительности импульсов в напряжение, дизъюнктор, дополнительные вторичные обмотки для каждого из упомянутых разделительных импульсных трансформаторов, источник опорного напряжения, причем входной полюс третьего управляемого ключа подсоединен к выходу сетевого выпрямителя, а его выходной полюс подсоединен к входу входного LC-фильтра, выход генератора тактовых импульсов подсоединен к входу генератора линейно-изменяющегося напряжения, выход которого подсоединен к одному из входов ШИМ-компаратора, к другому входу которого подсоединен выход сумматора, к одному из входов которого подсоединен выход упомянутого источника опорного напряжения, а к другому входу - выход упомянутого преобразователя длительности импульсов в напряжение, вход которого соединен с выходом дизъюнктора, на первый и второй входы которого соответственно подсоединены выводами упомянутые дополнительные вторичные обмотки каждого из разделительных импульсных трансформаторов, причем обе вторичные обмотки каждого из последних включены встречно, а выход упомянутого ШИМ-компаратора подсоединен к управляющему полюсу третьего управляемого ключа.
При этом схема управления выполнена в виде последовательно соединенных суммирующего усилителя и узла управления, выход которого является выходом схемы управления, причем первый вход суммирующего усилителя подсоединен к выходу источника опорного напряжения задания тока, а его второй вход - к выходу датчика тока, вход которого является входом схемы управления.
Данное устройство обеспечивает удовлетворительную работу импульсного преобразователя при изменении сопротивления нагрузки в достаточно широком диапазоне, но при одном, расчетном значении сигнала задания тока. Однако оно может не обеспечить требуемую точность стабилизации тока. Это объясняется, во-первых тем, что контур регулирования тока является статическим. Во-вторых, тем, что значение коэффициента усиления суммирующего усилителя схемы управления является постоянным и недостаточно высоким, чтобы контур регулирования тока обеспечивал апериодический характер изменения тока при любом значении его сигнала задания.
Более того, при изменении сигнала задания тока нарушается согласованность работы контуров регулирования тока и входного напряжения импульсного преобразователя. Это происходит из-за того, что при изменении сигнала задания тока выходной сигнал преобразователя длительности импульсов в напряжение изменяется, а выходной сигнал источника опорного напряжения остается постоянным. Следовательно, данное устройство не может обеспечить достаточно высокую надежность работы импульсного преобразователя при изменении сигнала задания тока.
Задача изобретения - построение устройства для регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя с новой структурой, благодаря чему обеспечивается технический результат в виде повышения надежности работы импульсного преобразователя и точности регулирования его выходного тока при любом заданном значении последнего. Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя, содержащее двухтактный преобразователь мостового типа с первым и вторым управляемыми ключами, входным и выходным LC-фильтрами, выход первого из которых подсоединен ко входу упомянутого двухтактного преобразователя, а выход второго из которых подсоединен к нагрузке, в цепи которой включен датчик тока, выходной LC-фильтр подключен входом к выходу выпрямителя, вход которого подсоединен к вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, первичная обмотка которого подсоединена к выходу двухтактного преобразователя, сетевой выпрямитель, подключенный выходом к входу третьего управляемого ключа, выход которого подключен к входу входного LC-фильтра, а его управляющий вход подключен к выходу ШИМ-компаратора, первый вход которого подключен к выходу генератора линейно-изменяющегося напряжения, вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, узел управления, вход которого подключен к выходу суммирующего усилителя, а два его выхода подсоединены к первичным обмоткам разделительных импульсных трансформаторов, выводы вторичных обмоток каждого из которых подсоединены к управляющим входам упомянутых первого и второго управляемых ключей, источник опорного напряжения задания тока, дополнительно снабжено усилителем с кусочно-линейной передаточной характеристикой и интегросумматором, причем интегросумматор подключен первым входом к выходу источника опорного напряжения задания тока, вторым входом подключен к выходу датчика тока и выходом подключен ко второму входу суммирующего усилителя, а усилитель с кусочно-линейной передаточной характеристикой подсоединен входом к выходу суммирующего усилителя и выходом подключен ко второму входу ШИМ-компаратора.
На фиг.1 приведена функциональная схема устройства и на фиг.2 - статическая характеристика усилителя с кусочно-линейной передаточной характеристикой.
Устройство для регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя содержит двухтактный преобразователь мостового типа с первым и вторым высокочастотными управляемыми ключами 1 и 2, входным и выходным LC-фильтрами 3 и 4 соответственно, выход первого из которых подключен ко входу упомянутого двухтактного преобразователя, а выход второго из которых подсоединен к нагрузке 5, в цепи которой включен датчик тока 6, выходной LC-фильтр 4 подключен входом к выходу выпрямителя 7, вход которого подключен к вторичной обмотке 8 высокочастотного трансформатора 9, первичная обмотка которого подсоединена к выходу двухтактного преобразователя, сетевой выпрямитель 10, подключенный выходом к входу третьего управляемого ключа 11, выход которого подключен к входу входного LC-фильтра 3, а его управляющий вход подключен к выходу ШИМ-компаратора 12, первый вход которого подключен к выходу генератора 13 линейно-изменяющегося напряжения, вход которого подключен к выходу генератора 14 тактовых импульсов, узел 15 управления, вход которого подключен к выходу суммирующего усилителя 16, а два его выхода подсоединены к первичным обмоткам разделительных импульсных трансформаторов 17 и 18, выводы вторичных обмоток каждого из которых подсоединены к управляющим входам упомянутых первого и второго управляемых ключей 1 и 2, источник 19 опорного напряжения задания тока, усилитель 20 с кусочно-линейной передаточной характеристикой и интегросумматор 21, который подключен первым входом к выходу источника 19 опорного напряжения задания тока, вторым входом подключен к выходу датчика тока 6 и выходом подключен к второму входу суммирующего усилителя 16, а усилитель 20 с кусочно-линейной передаточной характеристикой подсоединен входом к выходу суммирующего усилителя 16 и выходом подсоединен к второму входу ШИМ-компаратора 12.
Устройство для регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя работает следующим образом.
Пусть сопротивление нагрузки равно номинальному значению и импульсный преобразователь работает в установившемся режиме.
Рассмотрим случай, когда сопротивление нагрузки 5 повышается не более чем в полтора раза. В этом случае ток нагрузки 5, который измеряется датчиком 6 тока, начинает уменьшаться. Выходной сигнал датчика тока 6 поступает на второй вход интегросумматора 21, на первый вход которого поступает выходной сигнал источника 19 опорного напряжения задания тока. В интегросумматоре 21 его входные сигналы сравниваются между собой и полученный сигнал рассогласования интегрируется, увеличивая выходной сигнал uИС интегросумматора 21. Выходной сигнал интегросумматора 21 поступает на второй вход суммирующего усилителя 16, на первый вход которого поступает выходной сигнал uДТ датчика тока 6. В суммирующем усилителе 16 его входные сигналы сравниваются между собой и полученный сигнал рассогласования uР=uИС-uДТ усиливается. Выходной сигнал суммирующего усилителя 16 увеличивается и поступает на входы узла 15 управления и усилителя 20 с кусочно-линейной передаточной характеристикой. В результате этого выходной сигнал усилителя 20 не изменяется, так как относительное значение его входного сигнала находится в пределах: 0,5<uвх20<0,7 (см. фиг.2). Выходной сигнал uвых20 усилителя 20 с кусочно-линейной передаточной характеристикой поступает на второй вход ШИМ-компаратора 12, на первый вход которого поступает выходной сигнал генератора 13 линейно изменяющегося напряжения. Выходной сигнал ШИМ-компаратора 12 в виде импульсной последовательности с постоянной длительностью импульсов поступает на управляющий вход третьего управляемого ключа 11. Поэтому на вход входного LC-фильтра 3 управляемый ключ 11 пропускает с выхода сетевого выпрямителя 10 импульсы напряжения постоянной длительности. Выходное напряжение входного LC-фильтра 3 импульсного преобразователя остается постоянным и никакого влияния на величину выходного напряжения последнего не оказывает.
Выходной же сигнал узла 15 управления и, соответственно, выходные сигналы выпрямителя 7, выходного LC-фильтра 4 и датчика тока 6 увеличиваются. Причем это будет происходить до тех пор, пока выходной сигнал датчика тока 6 не станет равным выходному сигналу источника 19 опорного напряжения задания тока. И как только эти сигналы, поступающие на входы интегросумматора 21, сравняются по абсолютной величине, выходной сигнал интегросумматора 21 перестанет изменяться и наступит новый установившийся режим работы импульсного преобразователя.
Причем благодаря наличию в предложенном устройстве интегросумматора 21, установившаяся ошибка регулирования тока, в отличие от прототипа, будет равна нулю.
Рассмотрим второй случай, когда сопротивление нагрузки 5 становится больше номинального более чем в полтора раза. В этом случае ток нагрузки 5 опять начинает уменьшаться. Уменьшается и выходной сигнал датчика тока 6, который поступает на второй вход интегросумматора 21. На первый вход последнего поступает выходной сигнал источника 19 опорного напряжения задания тока. В интегросумматоре 21 его входные сигналы сравниваются между собой и полученный сигнал рассогласования интегрируется, увеличивая выходной. Это приводит к тому, что выходной сигнал суммирующего усилителя 16 тоже увеличивается и поступает на входы узла 15 управления и усилителя 20 с кусочно-линейной передаточной характеристикой. В результате этого выходной сигнал узла 15 управления и, соответственно, выходные сигналы выпрямителя 7, выходного LC-фильтра 4 и датчика тока 6 тоже начинают увеличиваться.
В это же время, как только выходной сигнал усилителя 20 с кусочно-линейной передаточной характеристикой превысит свое относительное значение 0,7, его выходной сигнал начнет увеличиваться. Этот сигнал поступает на второй вход ШИМ-компаратора 12, на первый вход которого поступает выходной сигнал генератора 13 линейно изменяющегося напряжения. Выходной сигнал ШИМ-компаратора 12 в виде импульсной последовательности с увеличивающейся длительностью импульсов поступает на управляющий вход третьего управляемого ключа 11. Поэтому на вход входного LC-фильтра 3 управляемый ключ 11 пропускает с выхода сетевого выпрямителя 10 импульсы напряжения тоже увеличивающейся длительности. Выходное напряжение входного LC-фильтра 3 импульсного преобразователя увеличивается и форсирует повышение выходного напряжения последнего и, соответственно, выходных сигналов выпрямителя 7, выходного LC-фильтра 4 и датчика тока 6 до таких значений, пока выходной сигнал датчика тока 6 не станет равным выходному сигналу источника 19 опорного напряжения задания тока. И как только эти сигналы, поступающие на входы интегросумматора 21, сравняются по абсолютной величине, выходной сигнал интегросумматора 21 перестанет изменяться и наступит новый установившийся режим работы импульсного преобразователя.
Заметим, что благодаря введению в устройство усилителя 20 с кусочно-линейной передаточной характеристикой, в нем, в отличие от прототипа, при любой величине сигнала задания тока сохраняется требуемое однозначное соответствие между значениями сигналов управления высокочастотными управляемыми ключами 1 и 2 с одной стороны и третьим управляемым ключом 11 с другой стороны.
Рассмотрим третий случай, когда сопротивление нагрузки 5 становится меньше номинального более чем в полтора раза. В этом случае ток нагрузки 5 начинает увеличиваться. Увеличивается и выходной сигнал датчика 6 тока, который поступает на второй вход интегросумматора 21. На первый вход последнего поступает выходной сигнал источника 19 опорного напряжения задания тока. В интегросумматоре 21 его входные сигналы сравниваются между собой и полученный сигнал рассогласования интегрируется, уменьшая выходной. Это приводит к тому, что выходной сигнал суммирующего усилителя 16 тоже уменьшается и поступает на входы узла 15 управления и усилителя 20 с кусочно-линейной передаточной характеристикой. В результате этого выходной сигнал узла 15 управления и, соответственно, выходные сигналы выпрямителя 7, выходного LC-фильтра 4 и датчика тока 6 тоже начинают уменьшаться.
В это же время, как только выходной сигнал усилителя 20 с кусочно-линейной передаточной характеристикой станет меньше своего относительного значения 0,3, его выходной сигнал начнет уменьшаться. Этот сигнал поступает на второй вход ШИМ-компаратора 12, на первый вход которого поступает выходной сигнал генератора 13 линейно изменяющегося напряжения. Выходной сигнал ШИМ-компаратора 12 в виде импульсной последовательности с уменьшающейся длительностью импульсов поступает на управляющий вход третьего управляемого ключа 11. Поэтому на вход входного LC-фильтра 3 управляемый ключ 11 пропускает с выхода сетевого выпрямителя 10 импульсы напряжения тоже уменьшающейся длительности. Выходное напряжение входного LC-фильтра 3 импульсного преобразователя уменьшается и форсирует снижение выходного напряжения последнего и, соответственно, выходных сигналов выпрямителя 7, выходного LC-фильтра 4 и датчика тока 6 до таких значений, пока выходной сигнал датчика тока 6 не станет равным выходному сигналу источника 19 опорного напряжения задания тока. И как только эти сигналы, поступающие на входы интегросумматора 21, сравняются по абсолютной величине, выходной сигнал интегросумматора 21 перестанет изменяться и наступит новый установившийся режим работы импульсного преобразователя.
Таким образом, вне зависимости от величины сигнала задания тока предложенное устройство, в отличие от прототипа, обеспечивает, во-первых, нулевую статическую ошибку регулирования тока. Во-вторых, апериодический характер изменения тока даже при ступенчатом изменении сопротивления нагрузки. В-третьих, согласованность работы контуров регулирования тока и входного напряжения импульсного преобразователя. Тем самым достигается повышение надежности работы импульсного преобразователя и точности регулирования его выходного тока при любом заданном значении последнего.
Устройство для регулирования выходного тока импульсного стабилизирующего преобразователя, содержащее двухтактный преобразователь мостового типа с первым и вторым управляемыми ключами, входным и выходным LC-фильтрами, выход первого из которых подсоединен ко входу упомянутого двухтактного преобразователя, а выход второго из которых подсоединен к нагрузке, в цепи которой включен датчик тока, выходной LC-фильтр подключен входом к выходу выпрямителя, вход которого подсоединен к вторичной обмотке высокочастотного трансформатора, первичная обмотка которого подсоединена к выходу двухтактного преобразователя, сетевой выпрямитель, подключенный выходом к входу третьего управляемого ключа, выход которого подключен к входу входного LC-фильтра, а его управляющий вход подключен к выходу ШИМ-компаратора, первый вход которого подключен к выходу генератора линейно изменяющегося напряжения, вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, узел управления, вход которого подключен к выходу суммирующего усилителя, а два его выхода подсоединены к первичным обмоткам разделительных импульсных трансформаторов, выводы вторичных обмоток каждого из которых подсоединены к управляющим входам упомянутых первого и второго управляемых ключей, источник опорного напряжения задания тока, отличающееся тем, что устройство дополнительно снабжено усилителем с кусочно-линейной передаточной характеристикой и интегросумматором, причем интегросумматор подключен первым входом к выходу источника опорного напряжения задания тока, вторым входом подключен к выходу датчика тока и выходом подключен ко второму входу суммирующего усилителя, на первый вход которого поступает выходной сигнал датчика тока, а усилитель с кусочно-линейной передаточной характеристикой подсоединен входом к выходу суммирующего усилителя и выходом подключен ко второму входу ШИМ-компаратора.
