Способ управления обратимым импульсным преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией предельного тока

Изобретение относится к электротехнике, а именно к способам управления напряжением и током импульсных преобразователей постоянного напряжения, работающих в режимах потребления и рекуперации энергии, которые широко применяются в системах электропитания во многих областях техники. Техническим результатом является расширение функциональных возможностей преобразователя за счет дополнительного ввода режима стабилизации предельного тока при потреблении энергии и управления режимами стабилизации выходного напряжения и предельного тока при рекуперации энергии. В способе управления сигнал развертки, прогнозирующий значение пульсирующей составляющей тока дросселя LC-фильтра на момент после коммутации ключевого элемента, позволяет реализовать на своей основе регуляторы тока потребления и тока рекуперации с нулевым значением сигнала рассогласования в установившемся режиме в широком диапазоне изменения напряжения питания и параметров нагрузки. Апериодический характер переходных процессов регуляторов напряжения и тока позволяет реализовать совместную работу трех регуляторов в обратимом импульсном преобразователе постоянного напряжения. 2 ил.

 

Заявляемое изобретение относится к электротехнике, а именно к способам управления напряжением и током импульсных преобразователей постоянного напряжения, работающих в режимах потребления и рекуперации энергии, которые широко применяются в системах электропитания во многих областях техники.

Известен способ управления импульсным преобразователем постоянного напряжения со стабилизацией предельного тока, заключающийся в том, что формируют сигнал развертки, определяют сигналы рассогласования по выходному напряжению и по току как разность измеренного и заданного значения регулируемого параметра, на основе сигнала рассогласования по напряжению и сигнала развертки формируют широтно-импульсный сигнал управления напряжением, на основе сигнала рассогласования по току и сигнала развертки формируют широтно-импульсный сигнал управления током. Сигнал управления ключевым элементом получают в результате конъюнкции двух широтно-импульсных сигналов управления напряжением и током преобразователя. При этом уровень сигнала рассогласования по току корректируется в зависимости от усредненного по времени значения инвертированного широтно-импульсного сигнала управления ключевым элементом [1].

Недостатком известного способа управления является то, что в режиме стабилизации напряжения скважность широтно-импульсного сигнала зависит от значения сигнала рассогласования по напряжению, что, в свою очередь, подразумевает наличие этого рассогласования, а в режиме стабилизации тока точность стабилизации зависит от сигнала коррекции, который определяется выходным напряжением интегратора, усредняющего по времени значение инвертированного широтно-импульсного сигнала управления и дающего погрешность в переходных процессах.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ управления импульсным преобразователем постоянного напряжения, в котором для стабилизации выходного напряжения определяют сигнал рассогласования по напряжению как разность измеренного и заданного значения, определяют пульсирующую составляющую тока дросселя как разность измеренных значений тока дросселя и тока нагрузки, формируют сигнал развертки как прогнозируемое после коммутации ключевого элемента значение пульсирующей составляющей тока дросселя с противоположным знаком, широтно-импульсный сигнал, переключающий ключевой элемент преобразователя, формируют из суммы сигнала рассогласования, сигнала пульсирующей составляющей тока дросселя и сигнала развертки [2].

Известный способ реализует закон управления вида

при модуляции заднего фронта импульса;

при модуляции переднего фронта импульса;

где x=U_н-U_оп - сигнал ошибки; U_н - выходной сигнал; U_оп - сигнал задания; k_m - коэффициент связи; _L=i_L-i_H - пульсирующая составляющая тока дросселя; i_L - ток дросселя; i_н - ток нагрузки; Y_p - сигнал развертки; U'_L, U"_L - напряжения на дросселе до и после коммутации ключевых элементов преобразователя на периоде модуляции; L - индуктивность дросселя; t_k - момент переключения управляемого фронта, который определяется корнями уравнения F=0; t_p=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки ({а} - дробная часть числа а); T - длительность периода модуляции; VT - состояние импульсного элемента (VT=1 - включен, VT=0 - выключен).

Широтно-импульсный модулятор (ШИМ), реализующий известный способ управления, обеспечивает стабилизацию выходного напряжения с нулевым значением сигнала рассогласования в широком диапазоне изменения напряжения питания и нагрузки. Нормальным режимом работы преобразователя с таким ШИМ является режим вынужденных колебаний с частотой внешнего синхронизирующего воздействия. При этом изображающая точка системы пульсирует относительно линии скольжения на отрезке, определяемом выбранным значением коэффициента связи k_m, т.е. в системе реализуется синхронизируемый скользящий процесс. Граничное значение коэффициента связи k_m, обеспечивающее апериодический характер переходного процесса, определяется соотношением [3]:

где γ - коэффициент заполнения импульса в установившемся режиме.

Недостатком известного способа управления является то, что не предусмотрено совмещение управления выходным напряжением и стабилизацией предельного тока преобразователя, кроме того, он не предназначен для управления в режимах рекуперации энергии.

Цель технического решения - расширение функциональных возможностей преобразователя за счет дополнительного ввода режима стабилизации предельного тока при потреблении энергии и управления режимами стабилизации выходного напряжения и предельного тока при рекуперации энергии.

Поставленная цель достигается тем, что реализуют три канала управления, соответственно канал управления выходным напряжением, канал управления током потребления энергии и канал управления током рекуперации энергии. В канале управления напряжением преобразователя с помощью сигнала рассогласования по напряжению, сигнала, пропорционального пульсирующей составляющей тока дросселя, и сигнала развертки формируют широтно-импульсный сигнал управления напряжением преобразователя. В канале управления током потребления с помощью сигнала рассогласования по току потребления и сигнала развертки формируют широтно-импульсный сигнал управления током потребления. В канале управления током рекуперации с помощью сигнала рассогласования по току рекуперации и сигнала развертки формируют широтно-импульсный сигнал управления током рекуперации. Управляющий сигнал для управления ключевым элементом режима потребления формируют конъюнкцией трех сигналов - сигнала знака тока преобразователя, выходного сигнала канала управления напряжением и выходного сигнала канала управления током потребления. Управляющий сигнал для управления ключевым элементом режима рекуперации формируют конъюнкцией трех сигналов - инверсного сигнала знака тока преобразователя, инверсного выходного сигнала канала управления напряжением и инверсного выходного сигнала канала управления током рекуперации.

Сущность изобретения заключается в том, что сигнал развертки, прогнозирующий значение пульсирующей составляющей тока дросселя LC-фильтра на момент после коммутации ключевого элемента, позволяет реализовать на своей основе регуляторы тока потребления и тока рекуперации с нулевым значением сигнала рассогласования в установившемся режиме в широком диапазоне изменения напряжения питания и параметров нагрузки. Апериодический характер переходных процессов регуляторов напряжения и тока позволяет реализовать совместную работу трех регуляторов в обратимом импульсном преобразователе постоянного напряжения.

При модуляции заднего фронта напряжения питания на дроссель до коммутации ключевого элемента действует напряжение U'_L=U_п-U_н, после коммутации - напряжение U"_L=-U_н, а при модуляции переднего фронта напряжения питания на дроссель до коммутации ключевого элемента действует напряжение U'_L=-U_н, а после коммутации - напряжение U"_L=U_п-U_н, где U_п - напряжение питания преобразователя, U_н - выходное напряжение преобразователя.

Для обратимого преобразователя получаем закон управления вида

при модуляции заднего фронта импульса;

t_U определяется корнем уравнения F_U=0 при _u>0;

t_I(+) определяется корнем уравнения F_I(+)=0 при _I(+)>0;

t_I(-) определяется корнем уравнения F_I(-)=0 при _I(-)>0.

при модуляции переднего фронта импульса;

t_U определяется корнем уравнения F_U=0 при _u<0;

t_I(+) определяется корнем уравнения F_I(+)=0 при _I(+)<0;

t_I(-) определяется корнем уравнения F_I(-)=0 при _I(-)<0,

где F_U - сигнал управления напряжением; F_I(+) - сигнал управления током потребления; F_I(-) - сигнал управления током рекуперации; x_U=U_н-U_оп - сигнал рассогласования по напряжению; U_н - выходной сигнал напряжения; U_оп - сигнал задания напряжения; x_I(+)=i_L-I_оп(+) - сигнал рассогласования по току потребления; I_оп(+) - сигнал задания тока потребления; x_I(-)=i_L-I_оп(-) - сигнал рассогласования по току рекуперации; I_оп(-) - сигнал задания тока рекуперации; V_T1 - сигнал управления ключевым элементом преобразователя для режима потребления энергии; V_T2 - сигнал управления ключевым элементом преобразователя для режима рекуперации энергии; V_U - широтно-импульсный сигнал канала управления напряжением; V_I(+) - широтно-импульсный сигнал канала управления током потребления; V_I(-) - широтно-импульсный сигнал канала управления током рекуперации; Зн - сигнал знака тока преобразователя.

На фиг.1 приведена схема ШИМ, реализующего предложенный способ управления; на фиг.2 приведена схема силовой части обратимого импульсного преобразователя постоянного напряжения.

ШИМ (фиг.1) состоит из формирователя сигнала развертки 1, четырех узлов сравнения 2-5, трех каналов регулирования 6-8, компаратора 9 и двух формирователей управляющих сигналов 10 и 11. Первый вход формирователя сигнала развертки 1 соединен с входной шиной питания U_п, второй вход формирователя сигнала развертки 1 соединен с выходной шиной U_н, третий вход формирователя сигнала развертки 1 и вторые входы каналов регулирования 6-8 соединены с шиной синхронизации U_синх, первые входы каналов регулирования 6-8 соединены с выходом Y_p формирователя сигнала развертки 1, суммирующий вход узла сравнения 2 соединен с выходной шиной U_н, на вычитающий вход узла сравнения 2 поступает сигнал задания выходного напряжения, третий вход канала регулирования 6 соединен с выходом узла сравнения 2, на суммирующий вход узлов сравнения 3-5 поступает измеренный сигнал тока дросселя i_L, на вычитающий вход узла сравнения 3 поступает измеренный сигнал тока нагрузки i_н, выход узла сравнения 3 соединен с четвертым входом канала регулирования 6, на вычитающий вход узла сравнения 4 поступает сигнал заданного значения тока потребления I_оп(+), выход узла сравнения 4 соединен с третьим входом канала регулирования 7, на вычитающий вход узла сравнения 5 поступает сигнал заданного значения тока рекуперации I_оп(-), выход узла сравнения 5 соединен с третьим входом канала регулирования 8, на вход компаратора 9 поступает сигнал измеренного i_L значения тока дросселя, на первые входы формирователей управляющих сигналов 10 и 11 с выхода канала регулирования 6 поступает широтно-импульсный сигнал управления напряжением V_U, на второй вход формирователя управляющих сигналов 10 с выхода канала регулирования 7 поступает широтно-импульсный сигнал управления током потребления V_I(+), на второй вход формирователя управляющих сигналов 11 с выхода канала регулирования 8 поступает широтно-импульсный сигнал управления током рекуперации V_I(-), на третьи входы формирователей управляющих сигналов 10 и 11 с выхода компаратора 9 поступает сигнал знака тока преобразователя Зн, на первый выход ШИМ с выхода формирователя управляющих сигналов 10 поступает сигнал управления ключевым элементом преобразователя для режима потребления энергии V_T1, на второй выход ШИМ с выхода формирователя управляющих сигналов 11 поступает сигнал управления ключевым элементом преобразователя для режима рекуперации энергии V_T2.

Силовая часть обратимого импульсного преобразователя постоянного напряжения (фиг.2) состоит из ключевых элементов 12, 13, диодов 14, 15, дросселя 16, конденсатора 17 и измерителей тока 18, 19. Первый силовой вывод ключевого элемента 12 соединен с шиной питания преобразователя U_п, второй силовой вывод ключевого элемента 13 соединен с общей шиной преобразователя U₀, второй силовой вывод ключевого элемента 12 соединен с первым силовым выводом ключевого элемента 13 и с выводом дросселя 16, диод 14 соединен встречно-параллельно с ключевым элементом 12, диод 15 соединен встречно-параллельно с ключевым элементом 13, второй вывод дросселя 16 соединен с выходной шиной преобразователя U_н, в цепь дросселя 16 включен измеритель тока 18, конденсатор 17 соединен одним выводом с выходной шиной преобразователя U_н, а другим - с общей шиной преобразователя U₀, на выходе измерителя тока 18 формируется сигнал измеренного значения тока i_L дросселя 16, в цепь нагрузки включен измеритель тока 18, на выходе измерителя тока 19 формируется сигнал измеренного значения тока нагрузки i_н преобразователя. Управляющий вход ключевого элемента 12 соединен с первым выходом ШИМ, на котором формируется сигнал управления преобразователем в режиме потребления V_T1, управляющий вход ключевого элемента 13 соединен со вторым выходом ШИМ, на котором формируется сигнал управления преобразователем в режиме рекуперации V_T2.

Обратимый импульсный преобразователь напряжения, реализующий предложенный способ управления, работает следующим образом: формирователь сигнала развертки 1 формирует на своем выходе сигнал развертки Y_p, амплитуда которого в момент коммутации ключевого элемента 12 или 13 прогнозирует значение пульсирующей составляющей тока дросселя 16 с противоположным знаком, то есть на момент коммутации выполняется условие _L=-Y_p. В режиме потребления энергии нагрузкой на выходе измерителя тока 18 формируется сигнал i_L больше нуля, при этом на выходе компаратора 9 формируется высокий уровень сигнала Зн=1, который запрещает включение ключевого элемента 13 преобразователя, управляющего режимом рекуперации энергии, так как на выходе формирователя управляющих сигналов 11, реализующего уравнение будет формироваться низкий уровень сигнала V_T2=0, при этом, если напряжение U_н и ток i_L меньше заданных значений выходного напряжения U_оп и тока потребления I_оп(+) на величину, превышающую возможные значения сигнала развертки Y_p, на выходе каналов регулирования 6 и 7 формируются высокие уровни сигналов управления напряжением преобразователя V_U=1 и током потребления V_I(+)=1, на выходе формирователя управляющих сигналов 10, реализующего уравнение формируется высокий уровень сигнала управления преобразователем в режиме потребления V_T1=1, который включает ключевой элемент 2, при включенном ключевом элементе 12 выходное напряжение U_н и ток i_L увеличиваются, при приближении значения выходного напряжения преобразователя U_н к заданному U_оп либо при приближении значения тока i_L к заданному I_оп(+) на выходе каналов регулирования 6 либо 7 появляется широтно-импульсный сигнал управления напряжением V_U либо током потребления V_I(+), который начинает управлять переключением ключевого элемента 12, стабилизируя выходное напряжение на уровне заданного значения U_оп либо стабилизируя предельный ток потребления на уровне заданного значения I_оп(+), при этом выключение ключевого элемента 12 уменьшает выходное напряжение U_н и ток i_L.

В режиме рекуперации энергии сигнал тока i_L меньше нуля, на выходе компаратора 9 формируется низкий уровень сигнала Зн=0, который запрещает включение ключевого элемента 12 преобразователя, управляющего режимом потребления энергии, так как на выходе формирователя управляющих сигналов 10, реализующего уравнение будет формироваться низкий уровень сигнала V_T1=0, при этом пока рассогласование между током i_L и заданным значением тока рекуперации I_оп(-) не достигнет возможных значений сигнала развертки Y_p, на выходе канала регулирования 8 будет формироваться низкий уровень сигнала управления током рекуперации V_I(-)=0, соответственно по уравнению , сигнал управления преобразователем в режиме рекуперации V_T2 будет соответствовать инверсному значению широтно-импульсного сигнала управления напряжением V_U, стабилизируя выходное напряжение преобразователя, при этом включение ключевого элемента 13 уменьшает выходное напряжение U_н и увеличивает по модулю ток i_L, а выключение ключевого элемента 13 увеличивает выходное напряжение U_н и уменьшает по модулю ток i_L, при уменьшении рассогласования между значением тока преобразователя i_L и заданным значением тока рекуперации I_оп(-), на величину возможных значений сигнала развертки Y_p, на выходе канала регулирования 8 появляется широтно-импульсный сигнал управления током рекуперации V_I(-), который начинает управлять переключением ключевого элемента 13, стабилизируя предельный ток рекуперации на уровне заданного значения I_оп(-).

В режиме стабилизации выходного напряжения при потреблении или рекуперации энергии нагрузкой управление преобразователем осуществляется по уравнению обеспечивающему в момент коммутации ключевых элементов 12 или 13 отсутствие рассогласования по напряжению, так как при этом будет выполняться условие _L=-Y_p. В режиме стабилизации предельного тока потребления управление преобразователем осуществляется по уравнению , обеспечивающему рассогласование по току, не превышающее значение пульсирующей составляющей тока дросселя, поскольку в установившемся режиме сигнал рассогласования будет соответствовать пульсирующей составляющей тока дросселя, а в момент коммутации ключевого элемента 12 будет выполняться условие _L=-Y_p. В режиме стабилизации предельного тока рекуперации управление преобразователем осуществляется по уравнению обеспечивающему рассогласование по току, не превышающее значение пульсирующей составляющей тока дросселя, поскольку в установившемся режиме сигнал рассогласования будет соответствовать пульсирующей составляющей тока дросселя, а в момент коммутации ключевого элемента 13 будет выполняться условие _L=-Y_p.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2249842, кл. G05F 1/56, опубл. 10.04.2005. БИМП №10.

2. Казанцев Ю.М., Лекарев А.Ф., Тихонов Е.Г. Синтез управления следящими инверторами систем электропитания // Приборы и системы. Сер. Управление, контроль, диагностика. 2004. №6. С.20-25.

3. Казанцев Ю.М., Чернышев А.И., Лекарев А.Ф. Формирование квазискользящих процессов в импульсных преобразователях с ШИМ // Электричество. 1993. №12. С.45-49.

Способ управления импульсным преобразователем постоянного напряжения, основанный на широтно-импульсной модуляции напряжения питания ключевыми элементами, заключающийся в том, что определяют сигнал рассогласования по напряжению как разность измеренного и заданного значения выходного напряжения, определяют пульсирующую составляющую тока дросселя как разность измеренных значений тока дросселя и тока нагрузки, формируют сигнал развертки как прогнозируемое после коммутации ключевого элемента значение пульсирующей составляющей тока дросселя с противоположным знаком, широтно-импульсный сигнал, управляющий выходным напряжением преобразователя реализуют в канале управления напряжением из суммы сигнала рассогласования, сигнала пульсирующей составляющей тока дросселя и сигнала развертки, отличающийся тем, что дополнительно задают значение тока нагрузки и тока рекуперации, определяют сигнал рассогласования по току потребления как разность измеренного тока дросселя и заданного значения тока потребления, определяют сигнал рассогласования по току рекуперации как разность измеренного тока дросселя и заданного значения тока рекуперации, управление преобразователем осуществляют в соответствии с законом управления вида

при модуляции заднего фронта импульса:

t_U определяется корнем уравнения F_U=0 при ₀>0;

t_I(+) определяется корнем уравнения F_I(+)=0 при _I(+)>0;

t_I(-) определяется корнем уравнения F_I(-)=0 при _I(-)>0.

при модуляции переднего фронта импульса:

t_U определяется корнем уравнения F_U=0 при _u<0;

t_I(+) определяется корнем уравнения F_I(+)=0 при _I(+)<0;

t_I(-) определяется корнем уравнения F_I(-)=0 при _I(-)<0.

где F_U, F_I(+), F_I(-) - сигналы управления напряжением, током потребления, током рекуперации; k_m - коэффициент связи; _L=i_L-i_H - пульсирующая составляющая тока дросселя; i_L -ток дросселя; i_H - ток нагрузки; Y_p - сигнал развертки; х_U=U_н-U_оп - сигнал рассогласования по напряжению; U_H -выходной сигнал напряжения; U_оп^_ сигнал задания напряжения; Х_i(+)=i_L-I_оп(+) - сигнал рассогласования по току потребления; I_оп(+) - сигнал задания тока потребления; x_i(-)=i_L-I_оп(-) - сигнал рассогласования по току потребления; I_оп(+) - сигнал задания тока потребления; x_I(-)=i_L-I_оп(-) - сигнал рассогласования по току рекуперации; I_оп(+) - сигнал задания тока рекуперации; V_T1, V_T2 - сигналы управления ключевым элементом преобразователя для режимов потребления и рекуперации энергии; V_U, V_I(+), V_I(-) - широтно-импульсный сигнал каналов управления напряжением, током потребления и током рекуперации; 3н - сигнал знака тока преобразователя; U_п - напряжение питания преобразователя; L - индуктивность дросселя; t_p=T{t/T} - временная координата для формирования сигнала развертки ({α} - дробная часть числа α); Т - длительность периода модуляции; t_U, t_I(+), t_I(-) - момент времени переключения управляемого фронта широтно-импульсного сигнала каналов управления напряжением, током потребления и током рекуперации.