СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ИСТОЧНИКОМ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 1997 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для управления источником вторичного электропитания (ИВЭП) при преобразовании постоянного тока с одним уровнем напряжения в постоянный ток с другим уровнем напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием, например, в источниках питания радиотехнической аппаратуры, которая предъявляет требования гальванической развязки нагрузки и первичной сети, а также в преобразователях для плазменных технологий.

Известен способ управления импульсными источниками вторичного электропитания, выполненными на основе двухтактных преобразователей, основанный на широтно-импульсном регулировании относительной длительности включенного состояния силовых транзисторов ключевых преобразователей [1]
Сущность данного способа управления состоит в том, что формируют две последовательности импульсов, сдвинутых относительно друг друга на половину периода, измеряют значение напряжения на выходе импульсного источника вторичного электропитания, сравнивают полученное значение с заданным уровнем, выделяют сигнал рассогласования, регулируют длительность импульсов обеих последовательностей импульсов в пределах от нуля до половины периода в зависимости от сигнала рассогласования и управляют полученными импульсами силовыми транзисторами двухтактного преобразователя. В результате этого среднее значение напряжения на выходе импульсного источника остается неизменным с определенной точностью при изменении входного напряжения питания источника или тока нагрузки.

Однако данный способ управления предполагает, что при изменении нагрузки от 0 до ∞, т.е. при необходимости обеспечить режим стабилизации тока в режиме к.з. на выходе либо при необходимости обеспечить регулировку выходного напряжения от U_макс. до 0, импульсы, управляющие силовыми транзисторами, могут становиться исчезающе короткими, что оказывается недопустимым с точки зрения обеспечения безопасной работы силовых транзисторов. Поэтому для обеспечения большого диапазона изменения относительной длительности открытого состояния силовых транзисторов требуется значительное усложнение схемы управления силовыми транзисторами, а также использование быстродействующих транзисторов.

Обеспечение широкого диапазона изменения длительности импульсов (вплоть до исчезающе короткой длительности) наиболее просто реализуется при использовании способа фазоимпульсной модуляции, при которой длительность открытого состояния транзистора стабильна во всех режимах изменения нагрузки преобразователя от х.х. до к.з. [2]
Способ управления, использующий фазоимпульсный принцип регулирования, выбран за прототип.

Известный способ управления заключается в том, что формируют две пары последовательностей импульсов, сдвинутые относительно друг друга на половину периода, измеряют значение выходного напряжения (тока) импульсного источника вторичного электропитания, сравнивают измеренное значение выходного напряжения (тока) с заданным (необходимым) уровнем, выделяют сигнал рассогласования (ошибки) уровня выходного напряжения (тока), задерживают в каждой из пар последовательностей одну из последовательностей (задержанная) относительно другой (опорной) на время, изменяющееся в пределах от 0 до половины периода следования импульсов в зависимости от сигнала рассогласования (ошибки), управляют полученными парами последовательностей силовыми транзисторами мостового преобразователя, при этом на этапе открытого состояния двух транзисторов, находящихся в диагонали моста преобразователя, передают энергию из первичного источника питания в цепь нагрузки и запасают ее в магнитном поле выходного дросселя, а на этапе закрытого состояния одного или обоих транзисторов преобразователей диагоналей моста преобразователя передают энергию из магнитного поля дросселя в цепь нагрузки.

Применение известного способа управления позволяет обеспечить широкий диапазон изменения относительной длительности выходных импульсов преобразователя при относительной простоте схем управления силовыми транзисторами. В то же время данный способ управления недостаточно эффективен при стабилизации уровня выходного тока в устройствах для плазменных технологий из-за замедленной реакции выходного тока на изменение длительности выходных импульсов преобразователя, что объясняется необходимостью при реализации данного способа управления наличия в выходной цепи преобразователя дросселя. Установка дросселя снижает скорость нарастания выходного тока в моменты подключения нагрузки (например, в момент поджига дуги), т.е. в моменты импульсного перехода состояния нагрузки от режима х.х. в режим потребления мощности или режим к. з. или при периодическом исчезновении проводящего канала плазмы в процессе сварки штучными электродами, т.е. в моменты импульсного перехода состояния нагрузки от режима потребления мощности в режим х.х. и обратно.

Задачей изобретения является повышение эффективности управления при импульсных изменениях сопротивления нагрузки импульсных источников вторичного электропитания в режиме стабилизации выходного тока, включая изменение нагрузки от холостого хода до короткого замыкания.

Решение поставленной задачи обеспечивается в предлагаемом способе управления, состоящем в том, что формируют две пары последовательностей импульсов, сдвинутые относительно друг друга на половину периода, измеряют значение выходного тока импульсного источника вторичного электропитания путем его измерения в цепи силовых транзисторов преобразователя, сравнивают измеренное значение выходного тока с заданным (необходимым) уровнем, выделяют сигнал рассогласования (ошибки) уровня выходного тока и управляют им полученными парами последовательностей импульсов, которыми управляют силовыми транзисторами преобразователя, отличающемся тем, что управление полученными последовательностями осуществляют путем изменения длительности импульсов всех последовательностей, при этом изменение (регулировку) длительности импульсов первой последовательности обеих пар последовательностей осуществляют в пределах от половины периода их следования (Т/2) до τ, а длительность импульсов второй последовательности обеих пар последовательностей осуществляют от половины периода до T/2 t (0 <t ≅ Т/2), при этом при положительном сигнале рассогласования (ошибки), что соответствует превышению выходным током заданного (необходимого) уровня, длительность импульсов увеличивают, длительность импульсов первой последовательности импульсов обеих пар последовательностей регулируют по фронту спада импульса, а длительность импульсов второй последовательности импульсов обеих пар последовательностей регулируют по фронту нарастания, при этом момент начала импульса первой последовательности импульса первой пары последовательностей соответствует моменту окончания импульса второй последовательности импульсов второй пары последовательностей, а момент начала импульса первой последовательности импульсов второй пары последовательностей соответствует моменту окончания импульса второй последовательности импульсов первой пары последовательностей, управляют полученными парами последовательностей транзисторами двух однотактных мостовых преобразователей, причем первую и вторую последовательности импульсов первой пары импульсов подают на транзисторы первого однотактного преобразователя, а первую и вторую последовательности второй пары последовательностей подают на транзисторы второго однотактного преобразователя, причем на этапе открытого состояния обоих транзисторов каждого из преобразователей накапливают энергию в магнитном поле дроссель-трансформатора соответствующего преобразователя, на этапе открытого состояния одного из транзисторов каждого из преобразователей поддерживают (сохраняют) энергию в магнитном поле дроссель-трансформатора соответствующего преобразователя, на этапе закрытого состояния обоих транзисторов каждого из преобразователей передают энергию в цепь нагрузки из магнитного поля дроссель-трасформатора соответствующего преобразователя, а в случае режима холостого хода нагрузки возвращают энергию из магнитного поля дроссель-трансформатора обратно в первичный источник питания.

В предлагаемом способе управления ИВЭП величина тока, накопленного в дроссель-трансформаторах преобразователей, не зависит от состояния нагрузки в каждый момент времени и поддерживается постоянной и равной заданному (необходимому) значению в режимах потребления мощности нагрузкой и к.з. Поэтому в моменты коммутации нагрузки (моменты любого изменения состояния нагрузки от х.х. до к.з.) скорость изменения тока в нагрузке зависит только от скорости изменения параметров нагрузки и не зависит от параметров реактивных элементов схемы, в которой реализуется предложенный способ управления. Поддержание заданного (необходимого) значения тока в дроссель-трансформаторах осуществляется благодаря изменению соотношения длительностей процессов накопления и сохранения энергии в магнитном поле дроссель-трансформаторов при постоянной суммарной длительности этих процессов, равной половине периода, при этом длительность процесса передачи энергии в цепь нагрузки (или возврата в первичный источник питания в режиме холостого хода цепи нагрузки) также постоянна и равна половине периода.

Рассмотрим пример реализации данного способа управления в устройстве, изображенном на фиг. 1. При этом будем полагать, что t Т/4, что является предпочтительным с точки зрения схемной реализации блока управления и снижения влияния инерционности транзистора, так как предполагает наименьшее (2-х кратное) относительное изменение длительности импульсов. При рассмотрении принципа действия предполагается, что все элементы являются идеальными. Временные диаграммы, поясняющие реализованный способ управления, приведены на фиг. 2.

Согласно фиг. 1 устройство содержит блок управления 1, первый 2 и второй 3 однотактные мостовые транзисторные преобразователи, вторичные обмотки силовых дроссель-трансформаторов 4 и 5 каждого из которых подключены к входу силового выпрямителя 6 и 7 соответственно, выходы которых подключены к цепи нагрузки, выходы первых последовательностей первой и второй пар последовательностей импульсов блока управления 1 подключены соответственно к базам первых транзисторов 8 и 9 первого 2 и второго 3 однотактных мостовых транзисторных преобразователей соответственно, базы вторых транзисторов 10 и 11 которых соединены с выходами вторых последовательностей первой и второй пар последовательностей импульсов блока управления 1 соответственно, коллекторы вторых транзисторов 10 и 11 первого 2 и второго 3 однотактных мостовых транзисторных преобразователей соединены с положительной шиной питания, а эмиттеры первых транзисторов 8 и 9 первого 2 и второго 3 однотактных мостовых транзисторных преобразователей соединены с отрицательной шиной питания, кроме того между коллекторами первых транзисторов 9 и 8 обоих преобразователей и положительной шиной питания включены рекуперационные диоды 12 и 13, а между эмиттерами вторых транзисторов 10 и 11 и отрицательной шиной питания включены рекуперационные диоды 14 и 15, при этом начала первичных обмоток дроссель-трансформаторов 4 и 5 подключены к эмиттерам вторых транзисторов 10 и 11 соответственно, а концы вторичных обмоток дроссель-трансформаторов 4 и 5 к аноду силовых выпрямителей 6 и 7. Блок управления состоит из четырехканального широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 1а, компаратора 1б и источника опорного сигнала 1в, а в коллекторах первых транзисторов 8 и 9 первого 2 и второго 3 однотактных мостовых преобразователей включены трансформаторы тока 16 и 17.

Принцип предлагаемого способа управления поясним с помощью временных диаграмм (фиг. 2) и рассмотрим для трех режимов: режима холостого хода цепи нагрузки, режима короткого замыкания цепи нагрузки и режима передачи мощности.

При работе импульсного источника вторичного электропитания в режиме холостого хода цепи нагрузки блок управления 1 вырабатывает две пары последовательностей импульсов, сдвинутые относительно друг друга на половину периода (фиг. 2, а), с длительностью всех импульсов, равной половине периода. В результате этого во время открытого состояния обоих транзисторов 8, 10 (9, 11) каждого из преобразователей 2 (3) в первичной обмотке дроссель-трансформатора 4 (5) прикладывается положительное напряжение (+ к началу обмотки) U4 (U5), при этом ток, протекающий через открытые транзисторы 18, I10 (19, I11) и первичную обмотку 14/15/ начинает медленно нарастать относительно значения тока, существовавшего в ней в момент включения транзисторов 6 и 10 (9 и 11), т. е. происходит накапливание энергии в магнитном поле дроссель-трансформатора 4/5/. Для наглядности на временных диаграммах изменение тока в первичных обмотках дроссель-трансформаторов 4, 5 показано в увеличенном масштабе. После окончания импульсов каждой из пары импульсов, т.е. после выключения обоих транзисторов каждого из преобразователей ток в первичной обмотке дроссель-трансформатора 4/5/ продолжает протекать через рекуперационные диоды 12,14 /13,15/, I12, I14 (I13, I15). При этом к первичной обмотке дроссель-трансформатора 4/5/ приложено отрицательное напряжение, т.е. происходит возвращение энергии из магнитного поля дроссель-трансформатора 4/5/ обратно в источник питания, а ток в первичной обмотке дроссель-трансформатора уменьшается. Вследствие равенства величин напряжений, прикладываемых к первичной обмотке дроссель-трансформатора на этапе включенного и выключенного состояния транзисторов 8,10 /9,11/, а также равенства времени их приложения, среднее значение тока в первичной обмотке дроссель-трансформатора 4/5/ за период остается постоянным и неизменным от периода к периоду. В случае, если преобразователь подключается к первичной сети в режиме холостого хода цепи нагрузки, ток в дроссель-трансформаторах определяется только током намагничивания (близок к нулю), а в случае, если он достиг заданного (необходимого) значения, что имеет место при первом возникновении режима короткого замыкания или режима потребления мощности, то его значение поддерживается постоянным на заданном уровне. При этом напряжение, прикладываемое к разомкнутой цепи нагрузки, равно напряжению питания преобразователей, пересчитанному к вторичной обмотке дроссель-трансформаторов 4, 5.

При переходе в режим короткого замыкания (к.з.) потребление энергии (возвращение ее обратно в источник питания) из магнитного поля дроссель-трансформатора 4 (5) на этапе выключенного состояния обоих транзисторов 8, 10 (9, 11) каждого из преобразователей 2 и 3 отсутствует, вследствие закорачивания их вторичных обмоток через отпирающиеся силовые выпрямители 6 и 7 и короткозамкнутую цепь нагрузки. Поэтому энергия в магнитном поле дроссель-трансформаторов 4, 5, а следовательно, и ток в их первичных обмотках на этапе включенного состояния транзисторов преобразователей от периода к периоду будет нарастать. Значение тока в первичных обмотках дроссель-трансформаторов 4 и 5, измеренное трансформаторами тока 16 и 17, поступает на один из входов компаратора 16 и вследствие отклонения значения тока от заданного значения на выходе компаратора 1б появляется сигнал рассогласования (ошибки). При включении преобразователя сигнал ошибки (рассогласования) появляется при достижении током заданного значения. В соответствии с уровнем этого сигнала рассогласования ШИМ 1а уменьшает длительность импульсов обеих пар последовательностей импульсов до предельно малого значения, т.е. до 1/4 периода их следования (T/4). В этом режиме транзистор 8 (9) преобразователя 2 (3) открыт в интервале времен 0-T/4 (T/2 3T/4), а транзистор 10 (11) в интервале Т/4 T/2 (3T/4-T). В результате этого ток, существующий в дроссель трансформаторе 4 /5/, как на этапе закрытого состояния транзисторов преобразователя 2/3/ T/2-T (0-T/2), так и на этапе открытого состояния транзисторов 0-Т (Т/2-T) замыкается через короткозамкнутые цепи. На этапе выключенного состояния обоих транзисторов преобразователя через силовые выпрямители 6/7/ и короткозамкнутую цепь нагрузки. На этапе включенного состояния транзисторов через транзисторы и рекуперационные диоды. На интервале времени 0-T/4 (T/2-3T/4) ток протекает через транзистор 8/9/ и рекуперирующий диод 12/13/ /фиг. 2, б/. Учитывая, что длительность процесса передачи энергии /тока/ в цепь нагрузки из магнитного поля каждого из дросселей-трансформаторов 4, 5 составляет половину периода, а ток в цепи нагрузки суммируется от обоих преобразователей 2 и 3, ток в цепи нагрузки остается практически постоянным. Таким образом, на этапе включенного состояния одного из транзисторов 8/9/ или 10/11/ преобразователя 2/3/ реализуется сохранение энергии в магнитном поле дроссель-трансформатора 4/5/. При этом отсутствует процесс накопления энергии в магнитном поле дроссель-трансформатора 4/5/, так как отсутствует интервал времени, в течение которого одновременно включены оба транзистора 8/9/ и 10/11/ каждого преобразователя, а значение тока в дроссель-трансформаторе 4/5/ поддерживается на постоянном /заданном/ уровне.

При переходе в режим потребления мощности нагрузкой, например, из режима к.з. нагрузки ток в дроссель-трансформаторе 4/5/ за время выключенного состояния обоих транзисторов 8, 10 /9, 11/ уменьшается, вследствие передачи части энергии из магнитного поля дроссель-трансформатора в цепь нагрузки. При этом уменьшается сигнал с трансформатора тока 16/17/, появляется сигнал рассогласования (ошибки) на выходе компаратора 1б, который увеличивает длительность импульсов пар импульсов на выходе модулятора 1а. При этом появляется интервал времени, в течение которого оба транзистора 8 и 10 /9 и 11/ открыты одновременно фиг. 2,в. При одновременном отпирании обоих транзисторов преобразователя ток в первичной обмотке дроссель-трансформатора нарастает, компенсируя его снижение на интервале времени закрытого состояния обоих транзисторов. В результате этого энергия, запасаемая в магнитном поле дроссель-трансформатора, остается практически постоянной вне зависимости от режима цепи нагрузки, а ток в цепи нагрузки остается постоянным и равным по величине току в режиме короткого замыкания цепи нагрузки, при этом напряжение на нагрузке определяется ее сопротивлением. При его увеличении напряжение на нагрузке увеличивается до значения, равного напряжению в режиме холостого хода цепи нагрузки, при этом ток в нагрузке остается постоянным по величине. При дальнейшем увеличении сопротивления нагрузки напряжение на ней остается постоянным, а ток уменьшается. При этом среднее значение тока в первичных обмотках дроссель-трансформаторов 4 и 5 остается постоянным и на этапе закрытого состояния обоих транзисторов 8 и 10 /9 и 11/ он распределяется между цепью нагрузки и рекуперирующими диодами 12 и 14 (13 и 15).

Измерение тока в первичной цепи дроссель-трансформаторов 4 и 5 позволяет получать информацию о величине накопленного в них тока как в режимах короткого замыкания цепи нагрузки или потребления мощности, так и в режиме холостого хода, когда ток во вторичных обмотках дроссель-трансформаторов отсутствует. При этом включение трансформаторов тока 16 и 17 в коллекторные транзисторов 8 и 9, в которых ток всегда имеет импульсный характер, позволяет получать информацию о величине тока в первичных обмотках дроссель-трансформаторов в режиме холостого хода цепи нагрузки, т.е. режиме, при котором в первичных обмотках протекает постоянный ток.

Таким образом, в дроссель-трансформаторах 4 и 5 поддерживается постоянное (заданное) значение тока вне зависимости от режима работы цепи нагрузки, при этом скорость нарастания тока в цепи нагрузки определяется только скоростью изменения ее сопротивления.

В качестве принципиальной схемы однотактных мостовых транзисторных преобразователей 2 и 3 может быть использована схема, показанная на рис. 10, 3б, с. 406. Справочник. Источники электропитания РЭА. /Под ред. Г.С. Нейвельта, М. Радио и связь, 1985. В качестве компаратора может быть использована МС 521СА3 источника опорного напряжения стабилитрон типа КС133-КС191. Широтноимпульсный генератор может быть выполнен по одной из схем, описанных в разделе 9.7 Устройства управления стабилизирующими преобразователями, с. 380-386. Справочник. Источники электропитания РЭА. /Под ред. Г.С. Нейвельта, М. Радио и связь, 1985 или разделе 4.3 Устройства управления, с. 106-112. Стабилизаторы попеременного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием. А.В. Кобзев и др. М. Энергоатомиздат, 1986. Выпрямители 6 и 7 могут быть выполнены на диодах КД2997А.

Использование: для управления источниками вторичного электропитания при преобразовании постоянного тока с одним уровнем напряжения в постоянный ток с другим уровнем напряжения с промежуточным высокочастотным преобразованием. Задачей изобретения является повышение эффективности управления при импульсных изменениях сопротивления нагрузки импульсных источников вторичного электропитания /ИВЭП/ в режиме стабилизации выходного тока, включая изменение нагрузки от холостого хода до короткого замыкания. Сущность изобретения: в способе управления, при котором формируются две пары последовательностей импульсов, сдвинутые относительно друг друга на половину периода, измеряют значение выходного тока ИВЭП, сравнивают измеренное значение выходного тока с заданным уровнем, выделяют сигнал рассогласования и управляют им полученными парами последовательностей импульсов, которыми управляют силовыми транзисторами двух однотактных мостовых преобразователей, включенных по выходу параллельно, при этом особенностью является то, что управление осуществляют путем изменения длительности импульсов всех последовательностей, при котором изменяется соотношение длительностей процесса накопления и сохранения энергии в магнитном поле дроссель-трансформаторов при постоянной суммарной длительности этих процессов, равной половине периода, а длительность процесса передачи энергии в цепь нагрузки /или возврата в первичный источник питания в режиме х. х цепи нагрузки/ поддерживается постоянной и равной половине периода. 2 ил.

Способ управления импульсным источником вторичного электропитания в режиме стабилизации выходного тока, состоящий в том, что формируют две пары последовательностей импульсов, сдвинутые друг относительно друга на половину периода, измеряют значение выходного тока импульсного источника вторичного электропитания путем его измерения в цепи силовых транзисторов преобразователя, сравнивают измеренное значение выходного тока с заданным (необходимым) уровнем, выделяют сигнал рассогласования (ошибки) уровня выходного тока и управляют им полученными парами последовательностей импульсов, которыми управляют силовыми транзисторами преобразователя, отличающийся тем, что управление полученными последовательностями осуществляют путем изменения длительности импульсов всех последовательностей, при этом изменение (регулировку) длительности импульсов первой последовательности обеих пар последовательностей осуществляют в пределах от половины периода их следования (T/2) до τ, а длительность импульсов второй последовательности обеих пар последовательностей осуществляют от половины периода до T/2-T, (o<τ≅T/2), при этом при положительном сигнале рассогласования (ошибки), что соответствует превышению измеренным значением тока заданного (необходимого) значения, длительность импульсов обеих последовательностей обеих пар последовательностей уменьшают, а при отрицательном сигнале рассогласования (ошибки), что соответствует уменьшению измеренного значения тока ниже заданного (необходимого) уровня, длительность импульсов увеличивают, длительность импульсов первой последовательности импульсов обеих пар последовательностей регулируют по фронту спада импульса, а длительность импульсов второй последовательности импульсов обеих пар последовательностей регулируют по фронту нарастания, при этом момент начала импульса первой последовательности импульсов первой пары последовательностей соответствует моменту окончания импульса второй последовательности импульсов второй пары последовательностей, а момент начала импульса первой последовательности импульсов второй пары последовательностей соответствует моменту окончания импульса второй последовательности импульсов первой пары последовательностей, управляют полученными парами последовательностей транзисторами двух однотактных мостовых преобразователей, причем первую и вторую последовательности импульсов первой пары импульсов подают на транзисторы первого однотактного преобразователя, а первую и вторую последовательности второй пары последовательностей подают на транзисторы второго однотактного преобразователя, при этом на этапе открытого состояния обоих транзисторов каждого из преобразователей накапливают энергию в магнитном поле дросселя-трансформатора соответствующего преобразователя, на этапе открытого состояния одного из транзисторов каждого из преобразователей поддерживают (сохраняют) энергию в магнитном поле дросселей-трансформаторов соответствующего преобразователя, на этапе закрытого состояния обоих транзисторов каждого из преобразователей передают энергию в цепь нагрузки из магнитного поля дросселя-трансформатора соответствующего преобразователя, а в случае режима холостого хода нагрузки возвращают энергию из магнитного поля дросселя-трансформатора обратно в первичный источник питания.