Это изобретение относится к резонансному преобразователю питания.
Сигнал тока прямоугольной формы является преимущественным типом передаваемого сигнала для осуществления измерений переходного затухания в широкой полосе частот, которые используются, например, в бортовых системах электромагнитной разведки. Общепринятый инвертор источника напряжения, имеющий транзисторы и встречно-параллельные диоды, выдает, по существу, треугольный или экспоненциальный сигнал тока, и не лучшим образом подходит для данного приложения. Для этого типа приложения больше подходит инвертор источника тока, который описан в [статье] E.E. Ward, "Inverter suitable for operation over a range of freguency", Proc. IEE, vol.111, August 1964 ("Инвертор, пригодный для работы в диапазоне частот"). В инверторе источника тока обычно требуются ключи с возможностью блокировки при изменении полярности и один или более конденсаторов, подключенных параллельно нагрузке. Особенностью подобной схемы также, в общем случае, является принудительная коммутация, в результате чего требуются также тиристоры.
В канадском патенте 1064584 раскрывается генератор импульсов для бортовой электромагнитной разведки. Катушка возбуждается периодически биполярными импульсами тока заданной амплитуды, периода и частоты повторения и, в общем случае, прямоугольной формы. Конденсатор подключается параллельно к катушке, для формирования замкнутого колебательного контура с заданной частотой. Управление колебательным контуром осуществляется через первую и вторую пары управляемых выпрямителей или, альтернативно, подключение и отключение колебательного контура от источника постоянного тока и для попеременного обращения направления протекания тока от источника постоянного тока к катушке в течение последовательных импульсов тока. Прямоугольная форма импульсов, генерируемая генератором импульсов является относительно негибкой, в том смысле, что она способна использовать только фиксированные амплитудные и частотные составляющие при данной частоте повторения, составляя сигнал прямоугольной формы.
Один тип структуры схемы инвертора источника напряжения, где конденсатор низкой емкости помещается на входе транзисторного инвертора, описан J. He, N. Mohan и В. Wold в "Zerovoltage-switching PWM inverter for high-freguency AC-DC power conversion" ("Инвертор ШИМ с коммутацией нулевого напряжения для высокочастотного выпрямления питания") IEEE Transactions on Industry Applications, vol.29, N 5, September/October 1993, pp. 959-968. В этой схеме напряжение на резонансном конденсаторе не может превысить напряжение источника. Кроме того, между нагрузкой и резонансным конденсатором не происходит резонанса, но вместо этого он происходит между конденсатором и вспомогательным дросселем.
В следующей схеме, описанной A. Hava, V. Blasto и Т.А. Lipo в "A modified C-dump converter for variable reluctance machines" ("Видоизмененный преобразователь с емкостным сбросом для машин с переменным магнитным сопротивлением") 1991 IEEE IAS Conference Record, pp.886-891 для обмоток мотора с магнитным сопротивлением, предусматриваются униполярные импульсы. Предусматривается меньший конденсатор, который не резонирует с нагрузкой, и диод, подключенный последовательно с источником напряжения, подключается не к стороне постоянного тока инвертора, но, вместо этого, непосредственно к обмоткам нагрузки.
В таких приложениях, как бортовая электромагнитная разведка, желательно иметь относительно гибкое управление электромагнитным сигналом, излучаемым катушкой или рамочной антенной.
В патенте США 4410926 раскрыта схема для генерирования магнитных полей постоянного тока переменной полярности. На входе инвертора помещается конденсатор низкого значения, который может резонировать с нагрузкой. Однако управление формой волны весьма ограничено и не дает гибкости, которая требуется для нового поколения систем геофизического обнаружения. Смены полярности неизменно реализуются с использованием относительно медленных полупериодных резонансных переходов и отсутствует активное управление амплитудой тока.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно первому аспекту изобретения, предусматривается генератор импульсов для возбуждения катушки периодическими биполярными импульсами тока, имеющими, в общем случае, прямоугольную форму, заключающими в себе интервалы биполярного перехода, задающие последовательные границы интервалов униполярного импульса тока переменной частоты, генератор импульсов, заключающий в себе схему резонансного преобразователя постоянного тока в переменный, включающую в себя вход постоянного тока и выход, присоединенный к катушке, управляющую схему для управления переключением преобразователя, резонансный конденсатор, подключенный параллельно к входу постоянного тока и средство отсоединения для отсоединения резонансного конденсатора от входа постоянного тока, когда напряжение на резонансном конденсаторе превышает напряжение на входе постоянного тока, преобразователь, дополнительно включающий в себя первую и вторую подсхемы резонансной зарядки, в которых конденсатор подключается к катушке, для обеспечения возрастания амплитуды тока катушки, первую и вторую подсхемы резонансного разряда, в которых конденсатор подключается к катушке, для обеспечения убывания амплитуды тока катушки, первую и вторую подсхемы холостого хода, в которых резонансный конденсатор фактически изолируется от катушки, и предусматривается цепь тока короткого замыкания для обеспечения постепенного убывания амплитуды тока катушки, и схему экспоненциальной зарядки, в которой вход постоянного тока подключается непосредственно к катушке с тем, чтобы обеспечивать рост тока через катушку, управляющую схему, устанавливаемую для управления амплитудным и частотным составом прямоугольного волнового сигнала путем переключения работы схемы преобразователя между, по крайней мере, двумя вышеозначенными типами подсхем в, по крайней мере, одном периоде управляемого переключения в течение интервалов однополярного импульса тока.
Изобретение также предусматривает генератор импульсов для возбуждения катушки периодическими биполярными импульсами тока, имеющими, в общем случае, прямоугольную форму, заключающими в себе интервалы биполярного перехода, задающие последовательные границы интервалов однополярного импульса тока переменной частоты, генератор импульсов, заключающий в себе схему резонансного преобразователя постоянного тока в переменный, включающую в себя вход постоянного тока и выход, присоединенный к катушке, управляющую схему для управления переключением преобразователя, резонансный конденсатор, подключенный параллельно к входу постоянного тока и средство отсоединения для отсоединения резонансного конденсатора от входа постоянного тока, когда напряжение на резонансном конденсаторе превышает напряжение на входе постоянного тока, схему преобразователя, дополнительно включающую в себя первую и вторую подсхемы резонансной зарядки, в которых конденсатор подключается к катушке, для обеспечения возрастания амплитуды тока катушки, первую и вторую подсхемы резонансного разряда, в которых конденсатор подключается к катушке, для обеспечения убывания амплитуды тока катушки, схему экспоненциальной зарядки, в которой вход постоянного тока подключается непосредственно к катушке с тем, чтобы обеспечить рост тока через катушку, и схему отсечки, включенную параллельно источнику постоянного напряжения, схему отсечки, устанавливаемую для подачи на катушку фактически неизменного постоянного напряжения, более высокого, чем напряжение на входе постоянного тока.
Предпочтительно, генератор импульсов включает в себя первую и вторую подсхемы холостого хода, в которых резонансный конденсатор фактически изолируется от катушки, и предусматривается цепь тока короткого замыкания для обеспечения постепенного убывания амплитуды тока катушки, управляющую схему, устанавливаемую для управления амплитудным и частотным составом прямоугольного волнового сигнала путем переключения работы схемы преобразователя между, по крайней мере, двумя типами подсхем в, по крайней мере, одном периоде управляемого переключения в течение интервалов униполярного импульса тока.
В целях удобства, управляющая схема устанавливается для управления амплитудным и частотным составом сигнала прямоугольной формы путем переключения работы схемы преобразователя между, по крайней мере, тремя вышеозначенными типов подсхем в, по крайней мере, одном периоде управляемого переключения в течение интервалов однополярного импульса тока.
Для выгоды, преобразователь заключает в себе инвертор в виде полного моста, имеющий первое и второе плечи переключения, первое плечо переключения, имеющее первый и второй управляемые ключи, и второе плечо переключения, имеющее третий и четвертый управляемые ключи, при этом первый, второй, третий и четвертый диоды подключаются встречно параллельно к, соответственно, первому, второму, третьему и четвертому управляемым ключам, чтобы обеспечивать соответствующие первую, вторую, третью и четвертую ключ-диодные пары.
Обычно, первая подсхема резонансной зарядки заключает в себе первый управляемый ключ, катушку, третий управляемый ключ и резонансный конденсатор, а вторая подсхема резонансной зарядки заключает в себя второй управляемый ключ, катушку, четвертый управляемый ключ и резонансный конденсатор, и первая подсхема резонансного разряда заключает в себе второй диод, катушку, четвертый диод и резонансный конденсатор, а вторая подсхема резонансного разряда заключает в себя третий диод, катушку, первый диод и резонансный конденсатор.
Первая подсхема холостого хода может заключать в себе первый управляемый ключ, катушку и четвертый диод, а вторая подсхема холостого хода заключает в себе второй управляемый ключ, катушку и третий диод.
Схема отсечки предпочтительно включает в себя конденсатор отсечки и средство переключения для управления работой конденсатора отсечки, конденсатор, величина которого подбирается таким образом, чтобы он выдавал фактически неизменное постоянное напряжение.
Обычно, схема отсечки образует часть схемы быстрой экспоненциальной зарядки для зарядки катушки и схемы быстрого экспоненциального разряда для разряда катушки в конденсатор отсечки.
Для удобства, схема быстрой экспоненциальной зарядки заключает в себе конденсатор отсечки, пятый управляемый ключ, образующий часть средства переключения, первый ключ, катушку и третий ключ.
Обычно, схема быстрого экспоненциального разряда заключает в себе пятый диод, подключенный встречно-параллельно с пятым управляемым ключом, конденсатор отсечки, второй диод, катушку и четвертый диод.
Для выгоды, схемы быстрой экспоненциальной зарядки и быстрого экспоненциального разряда устанавливаются, чтобы действовать в течение интервала биполярного перехода, в сочетании со схемами резонансных зарядки и разряда.
Согласно еще одному аспекту изобретения, предусматривается способ генерирования последовательности периодических биполярных импульсов тока, имеющих, по существу, прямоугольную форму, заключающей в себе интервалы биполярного перехода, задающие последовательные границы интервалов однополярного импульса тока переменной частоты, путем использования резонансного преобразователя постоянного тока в переменный, имеющего вход постоянного тока, выход, присоединенный к катушке, и резонансный конденсатор, подключенный параллельно ко входу и устанавливаемый для образования резонансного контура в сочетании с катушкой, способ, включающий в себя этапы управления амплитудным и частотным составом сигнала прямоугольной формы посредством задействования генератора импульсов в режиме резонансной зарядки, в котором резонансный конденсатор подключается к катушке для обеспечения возрастания амплитуды тока катушки, в режиме резонансного разряда, в котором конденсатор подключается к катушке для обеспечения убывания амплитуды тока катушки, в режиме экспоненциальной зарядки, в котором вход постоянного тока подключается непосредственно к катушке, и в режиме холостого хода, в котором резонансный конденсатор фактически изолируется от катушки, и предусматривается цепь тока короткого замыкания для обеспечения постепенного убывания амплитуды тока катушки.
Предпочтительно, способ включает в себя этап задействования генератора импульсов в режиме быстрой зарядки, в котором катушка заряжается через конденсатор отсечки, который подключается параллельно ко входу постоянного тока, и устанавливается, чтобы выдавать фактически неизменное постоянное напряжение, более высокое, чем напряжение на входе постоянного тока, и в режиме быстрого экспоненциального разряда, в котором катушка разряжается в схему отсечки.
Для выгоды, способ включает в себя этап отсечки напряжения катушки, задействования генератора импульсов в режиме быстрого разряда путем переключения тока катушки на схему отсечки, и, затем, задействования схемы отсечки в режиме быстрой зарядки при смене полярности тока отсечки.
Для удобства, способ включает в себя этапы обеспечения, по крайней мере, одного периода управляемого переключения в течение каждого интервала однополярного импульса, каждый период переключения, включающий в себя интервал зарядки и интервал разряда, соответствующие вышеупомянутым режимам.
Обычно, каждый период переключения дополнительно включает в себя интервалы быстрых экспоненциальных зарядки и разряда.
Для удобства, каждый период переключения также включает в себя интервалы медленных экспоненциальных зарядки и разряда.
Обычно, предусматривается от двух до пяти периодов переключения, причем каждый период является периодом, управляемым широтно-импульсной модуляцией.
Для выгоды, способ включает в себя этапы задействования генератора импульсов в течение каждого интервала биполярного перехода, по крайней мере, в режимах резонансной зарядки и резонансного разряда.
Согласно еще одному аспекту изобретения, предусматривается способ генерирования последовательности периодических биполярных импульсов тока, имеющих, по существу, прямоугольную форму, заключающей в себе интервалы биполярного перехода, задающие последовательные границы интервалов однополярного импульса тока переменной частоты, путем использования резонансного преобразователя постоянного тока в переменный, имеющего вход постоянного тока, выход, присоединенный к катушке, и резонансный конденсатор, подключенный параллельно ко входу, и устанавливаемый для образования резонансного контура в сочетании с катушкой, способ, включающий в себя этапы управления амплитудным и частотным составом сигнала прямоугольной формы путем задействования генератора импульсов в режиме резонансной зарядки, в котором резонансный конденсатор подключается к катушке для обеспечения возрастания амплитуды тока катушки, в режиме резонансного разряда, в котором конденсатор подключается к катушке для обеспечения убывания амплитуды тока катушки, в режиме быстрой зарядки, в котором катушка заряжается через схему отсечки, которая подключается параллельно входу постоянного тока, и в режиме быстрого разряда, в котором катушка разряжается в схему отсечки.
Предпочтительно, способ включает в себя этапы задействования генератора импульса в течение каждого интервала биполярного перехода, по крайней мере, в режимах резонансного разряда, быстрого экспоненциального разряда, быстрой экспоненциальной зарядки и резонансной зарядки.
Для удобства, способ включает в себя этап задействования генератора импульсов в течение каждого интервала биполярного перехода в режиме бездействия, в котором ток не протекает в катушке, которая в этом режиме фактически отключается.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг. 1 изображает принципиальную схему первого варианта реализации отвечающего изобретению преобразователя постоянного тока в переменный;
Фиг. 2 изображает пример одной последовательности единственного положительного периода переключения, имеющей место в схеме, изображенной на фиг.1;
Фиг.3 изображает диаграмму волнового сигнала тока катушки, когда интервал холостого хода уменьшается до нуля;
Фиг.4 изображает диаграмму волнового сигнала тока катушки, когда интервал разряда уменьшается до нуля;
Фиг. 5 изображает отчасти схематизированную принципиальную схему аналоговой управляющей схемы для управления схемой преобразователя постоянного тока в переменный, изображенной на фиг.1;
Фиг. 6 и 6А изображают диаграммы различных логических волновых сигналов, имеющих место в различных нумерованных положениях в управляющей схеме, изображенной на фиг.5;
Фиг.7 изображает принципиальную схему второго варианта реализации отвечающей изобретению схемы преобразователя постоянного тока в переменный;
Фиг. 8 изображает таблицу различных возможных режимов проводимости, относящихся к единственному положительному периоду переключения для положительного тока Ix;
Фиг. 9А изображает диаграмму состояний, иллюстрирующую все возможные переходные состояния между режимами проводимости, иллюстрируемыми на фиг.8, в течение отдельного периода переключения;
Фиг.9Б изображает диаграммы состояний различных возможных переходных состояний между режимами проводимости в течение интервала смены полярности;
Фиг.10 изображает диаграмму формы волны волнового сигнала тока катушки с использованием интервалов бездействия, зарядки и разряда;
Фиг. 11А-11В изображают волновые сигналы тока конденсатора, напряжения катушки и тока катушки, относящиеся к первому варианту реализации отвечающей изобретению схемы фиксированного преобразователя постоянного тока в переменный;
Фиг. 12А-12Г изображают волновые сигналы тока конденсатора, напряжения катушки, тока катушки и тока отсечки, относящиеся ко второму варианту реализации схемы преобразователя с отсечкой постоянного тока в переменный, изображенной на фиг.7.
ОПИСАНИЕ ПРЕИМУЩЕСТВЕННЫХ ВАРИАНТОВ РЕАЛИЗАЦИИ
Согласно фиг. 1, схема 10 преобразователя постоянного тока в переменный заключает в себе схему 12 инвертора в виде полного моста, заключающую в себе четыре ключа Q1, Q2, Q3 и Q4, имеющие соответствующие диоды D1, D2, D3 и D4, подключенные встречно параллельно ключам. Катушка 14, представленная сопротивлением R и индуктивностью L, проходит между левым и правым плечами переключения, заданными переключателями Q1, Q2 и Q3, Q4. Конденсатор С подключается параллельно источнику Vи постоянного напряжения и входу инвертора 12 в виде полного моста. Диод D5 подключается непосредственно к положительному выводу источника Vи постоянного напряжения и устанавливается для отсоединения резонансного конденсатора С от источника постоянного напряжения, когда напряжение на резонансном конденсаторе С превышает постоянное напряжение на источнике напряжения Vи.
Ключи Q1, Q2, Q3 и Q4 являются полностью контролируемыми и обычно являются биполярными транзисторами с изолированной базой (ВТИБ). Альтернативно, ключи представляют собой биполярные транзисторы, МОП-транзисторы, тиристорные выключатели или любые аналогичные управляемые устройства переключения. Управление ключами осуществляется посредством управляющей схемы, которая будет описана ниже в описании изобретения со ссылкой на фиг.7-10Б.
Управление ключами Q1-Q4 приводит к тому, что схема имеет три состояния как для положительного, так и для отрицательного тока в катушке 14. Эти три состояния более подробно иллюстрируются на фиг.2, которая представляет один положительный период переключения. Первое состояние 16 заключает в себе интервал зарядки, в течение которого два ключа, а именно, Q1 и Q3 являются проводящими, а на диоды D2 и D4 подается обратное напряжение смещения. В течение этого периода амплитуда тока возрастает. Последующий интервал 18 холостого хода имеет место, когда ключ Q1 и диод D4 являются проводящими или, когда ключ Q2 и диод D3 являются проводящими. В течение этого периода амплитуда тока убывает с относительно малой скоростью. В течение интервала 20 разряда диоды D2 и D4 проводят положительный ток катушки, и ключи Q1 и Q3 выключены.
Интервалы 16, 18 и 20 зарядки, холостого хода и разряда вместе образуют единственный положительный период переключения.
Интервал 16 зарядки важен для работы инвертора, поскольку в это время он отбирает энергию либо у источника напряжения Vи, либо у резонансного конденсатора С. Интервалы 18 и 20 холостого хода и разряда обеспечивают два способа уменьшения тока, и любой из этих интервалов или оба вместе можно использовать в ходе работы схемы. Эта особенность схемы обеспечивает гибкость не только в управлении амплитудой или формой сигнала выходного тока, но и состава и распределения частотного спектра сигнала, что особенно важно для генерирования биполярного сигнала прямоугольной формы.
Диапазон управления проходит между двумя экстремумами, одним, в котором уменьшение тока катушки осуществляется исключительно в течение интервала холостого хода, и другим, в котором уменьшение тока катушки происходит исключительно в течение интервала разряда. Сигналы тока, соответствующие этим двум режимам работы, изображены на фиг.3 и 4.
В сигнале 24, иллюстрируемом на фиг.4, где интервал разряда устанавливается равным нулю, максимальный ток почти неизменный, с низким коэффициентом пульсации. Когда интервал холостого хода устанавливается равным нулю, сигнал тока имеет более высокий коэффициент пульсации переменного тока, что иллюстрируется позицией 25 фиг.3, в результате чего частотный состав сигнала тока расширяется. Непрерывная регулировка формы сигнала оказывается возможной, благодаря регулировке весовых коэффициентов интервалов зарядки, холостого хода и разряда, совместно с числом импульсов тока в каждом положительном и отрицательном периоде.
Смена полярности в течение интервалов 3 и 11, изображенных на фиг.3 и 4, инициируется выключением всех ключей Q1-Q4 и предоставлением цепи разряда через диагонально противоположные диоды D2 и D4 или D1 и D3. Когда ток проходит через ноль, ключи, параллельные проводящим диодам, запираются, тем самым перенося ток, который теперь течет в противоположном направлении. Это инициирует интервал резонансной зарядки, при которой ток доходит почти до максимального значения. Этот интервал резонансной зарядки задействует резонанс между резонансным конденсатором С и индуктивностью L катушки. Пиковое напряжение на резонансном конденсаторе С обычно в десять раз больше, чем напряжение питания Vи. Нижеследующие уравнения описывают изменение напряжения катушки vx и тока катушки ix при переходе:
где
и In - это пик тока приблизительно прямоугольной волны.
Для управления амплитудой тока и пульсацией на вершине положительной и отрицательной частей прямоугольного сигнала в течение интервалов 2, 4, 10 и 12 применяется широтно-импульсная модуляция. Интервал 15 является положительным периодом переключения, заключающим в себе два подинтервала, а именно, интервалы 13 и 14. Интервал 13 является интервалом зарядки, а интервал 14 является интервалом холостого хода, причем оба интервала относятся к типу, иллюстрируемому позициями 10 и 12 на фиг.4, которая также указывает, какие устройства в схеме являются проводящими. Нижеприведенный список дает возможность подытожить назначение различных нумерованных интервалов:
интервалы 1, 3: смена полярности тока;
интервалы 2, 4: широтно-импульсная модуляция;
интервал 5: один период переключения широтно-импульсной модуляции;
интервал 6: резонансный разряд катушки;
интервал 7: резонансная зарядка катушки от конденсатора;
интервал 8: медленная экспоненциальная зарядка катушки от источника напряжения;
интервалы 9, 11: смена полярности тока;
интервалы 10, 12: широтно-импульсная модуляция;
интервал 13: медленная экспоненциальная зарядка катушки от источника напряжения;
интервал 14: холостой ход (медленный экспоненциальный разряд);
интервал 15: один положительный период переключения широтно-импульсной модуляции.
Сигналы в течение интервалов 13 и 8 медленной экспоненциальной зарядки от источника напряжения заданы следующими уравнениями:
vx(t) = Vи; (5)
где Ix - это ток катушки в начале интервала.
В течение интервала 14 холостого хода или медленного экспоненциального разряда, изображенного на фиг. 4, на катушку 14 подается ноль вольт. Это обеспечивает потерю проводимости диодом D4 и ключом Q1 или диодом D2 и ключом Q3, в зависимости от того, какая пара диод/ключ работает. Волновые сигналы в течение этого интервала задаются следующими уравнениями:
vx(t) = 0; (7)
где 
Интервал 5 является положительным периодом переключения тока, когда интервал холостого хода уменьшается до нуля, использующим только интервал резонансного разряда для уменьшения тока в ходе управления посредством широтно-импульсной модуляции. Интервал 6 резонансного разряда можно описать посредством предыдущих уравнений (1) и (2) резонансной зарядки.
Интервалы 7 и 8 являются, соответственно, интервалами резонансной и экспоненциальной зарядки, соответствующими ключами Q1 и Q3, проводящим в течение положительной части периода, и аналогично, ключам Q2 и Q4, проводящим в течение его отрицательной части. Интервал 8 имеет место, когда напряжение на входе моста 12 инвертора равно напряжению питания Vи, и уравнения (5) и (6) описывают сигналы напряжения и тока в течение этого периода. В течение интервала 7, когда нагрузка 14 заряжается от резонансного конденсатора С, импеданс R+jωL нагрузки катушки резонирует с конденсатором С, и сигналы задаются следующими уравнениями:
где
при этом Vx и Ix являются начальными напряжением и током нагрузки.
Сигналы, показанные на фиг.3-6, применяются, когда для каждого положительного и отрицательного полупериода тока катушки существует некоторое число интервалов переключения. Эти интервалы переключения предусматривают средство управления амплитудой тока катушки. Однако в случаях, когда сопротивление катушки достаточно велико, чтобы ограничивать ток катушки до надлежащего уровня, или, альтернативно, когда осуществляется управление значением напряжения питания, чтобы ограничивать ток катушки до надлежащего уровня, возможно иметь только один интервал зарядки или разряда на положительный или отрицательный полупериод тока катушки.
На фиг.5 изображена аналоговая управляющая схема 30 для обеспечения независимого управления интервалом смены полярности, а также для непрерывной регулировки соотношения между интервалами зарядки и холостого хода. Альтернативно и предпочтительно, управляющие импульсы могут генерироваться посредством микроконтроллера. Аналоговая управляющая схема 30 заключает в себе 8-разрядный двоичный счетчик 32, имеющий входную линию 34 синхросигнала и выходные линии 36, 38, 40 и 42, используемые для выдачи сигналов а, b, с и d на фиг.6. Синхросигнал счетчика поступает на входную линию 34 синхросигнала из генератора синхросигнала 42 ШИМ (широтно-импульсной модуляции), который, в свою очередь, является ведомым по отношению к ведущему контроллеру 44 ШИМ. Контроллер 44 ШИМ, который обозначает как ШИМ1, также является ведущим по отношению к двум дополнительным контроллерам 46 и 48 ШИМ, указанным, соответственно, как ШИМ2 и ШИМ3. Структура "ведущий-ведомый", в которой ведущий контроллер 44 ШИМ управляет синхронизацией счетчика 32, а также другими ведомыми контроллерами 42, 46 и 48 ШИМ, гарантирует, что все волновые сигналы ШИМ имеют одну и ту же частоту и синфазны друг другу и счетчику 32. Ширина импульсов ШИМ на контроллерах ШИМ-ШИМ1, ШИМ2 и ШИМ3 - регулируется соответствующими потенциометрами 44А, 46А и 48А.
Выходы 36, 38, 40 и 42 инвертируются, соответственно, на вентилях НЕ 50, 52, 54 и 56, причем инвертированные выходы вентилей НЕ 52 и 54 образуют вход вентиля И 58. Выход вентиля И 58, в свою очередь, образует вход следующего вентиля И 60, который также принимает вход от вентиля НЕ 50. Выход вентиля И 60, в свою очередь, подается на вход вентиля И 62, который также принимает вход 64 от ведущего контроллера 44 ШИМ.
Сигналы е и f, которые представляют выходы соответствующих вентилей И 58 и 60, показывают, как сигналы а, b и с используются для формирования последовательности импульсов, в которой только одна из восьми частей представляет логическую единицу, а остальные семь из восьми частей представляют логический ноль. Выходной сигнал f инвертируется посредством вентиля НЕ 66, и инвертированный сигнал затем поступает в качестве входа на вентили И 68 и 70. Вентиль И 70 имеет в качестве другого своего входа выход из вентиля И 72, который, в свою очередь, принимает входы через входные линии 74 и 70 от контроллеров ШИН: ШИМ2 и ШИМ3. Выходная линия 74 ШИМ2 также подает сигнал на вентиль И 68, при этом выходные волновые сигналы g, h и i представляют выходы соответствующих вентилей И 62, 68 и 70. Выходные сигналы g и h комбинируются и инвертируются на вентиле НЕ 78, чтобы обеспечивать комбинированный инвертированный выходной сигнал j, который образует вход вентилей НЕ-И 80 и 82. Выходной сигнал i вентиля И 70 инвертируется, чтобы обеспечивать выходной сигнал k, который, в свою очередь, подается на входы соответствующих вентилей НЕ-И 88 и 90. Выходные сигналы вентилей НЕ-И 80, 88, 90 и 82 инвертируются на соответствующих вентилях НЕ 92, 94, 96 и 98, на каковой стадии они становятся управляющими сигналами ШИМ, указанными в качестве сигналов g1, g2, g3 и g4, для переключения соответствующих ключей Q1, Q2, Q3 и Q4. Каждый период переключения можно разбить на шестнадцать частей, из которых восемь частей всегда являются включением, а другие восемь частей являются либо всегда, либо частично включением, в зависимости от того, как установлены широтно-импульсные модуляторы.
Четыре различных последовательности импульсов периодов переключения, иллюстрируемых позициями q1-q4, относятся к частному примеру, в котором ширина импульса ШИМ2 меньше, чем у ШИМ3, в результате чего ШИМ2 преобладает. На фиг.6А дается другой пример выходных сигналов r1, r2, r3 и r4, чтобы показать, что происходит, когда ширина импульса ШИМ3 меньше, чем у ШИМ2.
При рассмотрении сигналов q1-q4 и r1-r4 оказывается, что существует только две различных последовательности импульсов, и что q3 и q4 с одной стороны и r3 и r4 с другой стороны представляют те же последовательности, что и, соответственно, q1, q2 и r1, r2, но фазовым - с сдвигом 180o. Это нужно для того, чтобы гарантировать, что два переключателя в каждом фазовом плече четырех преобразователей никогда не будут включены в одно и то же время.
Из рассмотрения конечных выходов управляющей схемы 30 ясно, что путем установления ШИМ1 устанавливается первая часть из восьми частично включенных долей из двух последовательностей импульсов. Другие семь частей устанавливаются с использованием ШИМ2. Другие две последовательности импульсов r1 и r2 являются полностью включенными для первой из каждых восьми включенных частей, а другие семь частей устанавливаются путем установления ШИМ2 и ШИМ3, причем преобладает большая из двух ширин импульса (в действительности, будет преобладать наименьшая ширина импульса, но используется инверсия импульсов ШИМ).
Согласно схеме, микросхема 42 генератора синхросигнала ШИМ управляет числом импульсов, относящимся к полному периоду сигнала прямоугольной формы, заключающей в себе интервалы 1-4 на фиг.3 или интервалы 9-14 на фиг.4. Максимальное возможное количество импульсов на полный период равно 16, причем 8 импульсов приходится на положительный и 8 импульсов - на отрицательный полупериод. Контроллер 44 ШИМ1 управляет длительностью переходных интервалов 1 и 3 или 9 и 11 смены полярности. Контроллеры ШИМ - ШИМ2 и ШИМ3 - эффективно управляют степенью "пульсации" тока на вершине, обозначенной интервалами 2 и 4 на фиг.3 и 10 и 12 на фиг.4. Это достигается путем регулировки относительной длительности интервалов зарядки, холостого хода и разряда по каждому периоду переключения. Путем регулировки относительных длительностей интервалов зарядки можно варьировать амплитуду сигнала, что видно из фиг.3 и 4.
На фиг. 7 изображен второй вариант реализации схемы 100 преобразователя постоянного тока в переменный. Она во многом идентична схеме, изображенной на фиг.1, но отличается наличием дополнительного конденсатора отсечки СОТС, подключенного параллельно источнику Vи постоянного напряжения последовательно с диодом D6, который подключен ветречно параллельно с ключом Q5. Наличие ключа Q5, встречно-параллельного диода D6 и конденсатора отсечки CОТС, который фактически действует как второй источник постоянного напряжения, имеющий более высокое постоянное напряжение (190 В), чем первый источник постоянного напряжения (70 В), обеспечивает два дополнительных режима работы. Этот режим быстрой экспоненциальной зарядки, в котором нагрузка заряжается от конденсатора отсечки через ключ Q5, и режим быстрого экспоненциального разряда, в котором нагрузка разряжается в конденсатор отсечки СОТС через диод D6. Схема 100 преобразователя управляет током в катушке 14 магнитного поля, применяя последовательность следующих конкретных интервалов, которые подробнее описаны ниже.
a) Интервал резонансной зарядки, который использует резонанс, в котором частота, по существу, меньше, чем частота повторения сигнала, который имеет место между индуктивностью катушки и конденсатором, и в течение которого амплитуда тока катушки возрастает.
b) Интервал резонансного разряда, который использует резонанс, который противоположен резонансу в пункте а), в котором амплитуда тока катушки убывает.
c) Интервал медленного экспоненциального разряда или интервал холостого хода, в течение которого параллельно катушке 14 подключается цепь короткого замыкания, что приводит к медленному экспоненциальному спаду тока.
d) Интервал быстрого экспоненциального разряда, в течение которого на катушку подается напряжение отсечки конденсатора СОТС, что приводит к быстрому экспоненциальному спаду тока, возникающему из-за подачи более высокого напряжения (190 В), чем входное постоянное напряжение 70 В.
е) Интервал медленной экспоненциальной зарядки, в течение которого на катушку подается напряжение питания, что приводит к медленному экспоненциальному росту тока.
f) Интервал быстрой экспоненциальной зарядки, в течение которого на катушку подается напряжение отсечки, что приводит к быстрому экспоненциальному росту тока.
g) Состояние бездействия, в течение которого ток в катушке не протекает, и катушка фактически отключается.
Фиг.7 и 8 иллюстрируют различные цепи тока в принципиальной схеме и состояния диодов и ключей, соответствующие различным режимам проводимости или вышеозначенным интервалам от а) до g). Эти цепи тока составляют первый набор подсхем, образующих главную схему преобразователя, относящуюся к периоду положительного тока. В периоде отрицательного тока направление тока меняется на противоположное, и вступают в действие ключи Q2 и Q4 и диоды D1 и D3. Режимы проводимости, таким образом, идентичны тем, что изображены на фиг.7 и 8, за исключением того, что ключи Q1 и Q3 заменяются, соответственно, ключами Q2 и Q4, а диоды D2 и D4 заменяются, соответственно, диодами D1 и D3, что образует второй набор подсхем, работающих в идентичных режимах, с той оговоркой, что диоды и ключи пропускают ток в противоположном направлении. В режиме холостого хода первая схема холостого хода может составляться либо цепью тока с), либо цепью тока, образованной диодом D2, катушкой 14 и ключом Q3. Аналогично, вторая схема тока холостого хода может заключать в себе, совместно с катушкой 14, либо ключ Q4 и диод D1, либо ключ Q2 и диод D3.
Ток в катушке циклически изменяется между периодом положительного тока и периодом отрицательного тока. В течение как положительного, так и отрицательного периода осуществляется управление током с последовательным применением вышеозначенных интервалов, чтобы управлять амплитудным и частотным составом сигнала. Диаграмма состояний, изображенная на фиг.9А, указывает все возможные последовательности переключения между различными режимами внутри управляемого ШИМ униполярного периода переключения. Заметим, что интервал покоя или бездействия не используется.
Согласно фиг. 9Б, когда ток в катушке меняется с положительного на отрицательный или наоборот в интервале перехода полярности тока, можно достичь применением резонансного разряда, за которым следует необязательное состояние бездействия, за которым следует интервал резонансной зарядки. Альтернативно, полярность можно менять путем использования интервала медленного экспоненциального разряда, за которым следует необязательный интервал бездействия, за которым следует интервал медленной экспоненциальной зарядки. Третий вариант дает наиболее быструю смену полярности для данного перепада напряжения на устройствах и состоит из резонансного разряда, за которым следует интервал быстрого экспоненциального разряда, быстрой экспоненциальной зарядки и резонансной зарядки.
Ниже приводится математическое описание различных вышеозначенных интервалов. В этом втором варианте реализации рассматривается больше состояний и большее число взаимосвязей. Соответственно, представленная система уравнений, является более общей и более гибкой.
ИНТЕРВАЛ РЕЗОНАНСНОЙ ЗАРЯДКИ
В течение интервала резонансной зарядки индуктивность L катушки заряжается резонансным конденсатором С, и ток подается от конденсатора С на катушку L через ключи Q1 и Q3. Аналогично, отрицательный ток проводится ключами Q2 и Q4.
Сигналы тока и напряжения для этого интервала задаются следующими уравнениями, которые являются, в основном, аналогичными, но более обобщенными, чем, соответственно, уравнения (2) и (1).
где ω2 и σ2 определены в уравнениях (3) и (4).
Ток Ix катушки в этом интервале возрастает в то время, как напряжение Vx, убывает.
ИНТЕРВАЛ МЕДЛЕННОЙ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНОЙ ЗАРЯДКИ
Этот интервал также задействует проводимость двух ключей, аналогично интервалу резонансной зарядки. Вместо того, чтобы разряжать конденсатор С, ток извлекается из источника напряжения, и диод D5 проводит.
Сигналы для этого интервала, когда ключи Q1 и Q3 являются проводящими, задаются прежними уравнениями (5) и (6).
БЫСТРЫЙ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РАЗРЯД
Этот интервал аналогичен интервалу медленной экспоненциальной зарядки, с единственной разницей, что вместо Vи на катушку подается VОТС Q5 подключает конденсатор СОТС к транзисторному мосту, и ключи Q1 и Q3 или Q2 и Q4 переключаются в открытое состояние.
Сигналы описываются прежними уравнениями (5) и (6), но с заменой Vи на VОТС.
МЕДЛЕННЫЙ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РАЗРЯД (ХОЛОСТОЙ ХОД)
Он уже был описан со ссылкой на интервал 14 фиг.4 в уравнениях (7) и (8).
РЕЗОНАНСНЫЙ РАЗРЯД
Он задается следующими уравнениями, которые, в основном, идентичны уравнениям (13) и (14), за исключением смены полярности.
Поскольку все ключи выключены, уменьшение тока происходит с нарастающей скоростью, в силу увеличения отрицательного напряжения, которое подается на катушку L. Для периода ШИМ положительного тока ток будет проводиться диодами D2 и D4, тогда как для отрицательного периода ШИМ будут проводить диоды D1 и D3.
Как видно из уравнения (16), напряжение на катушке L является отрицательным, и это объясняет уменьшение тока, указываемое уравнением (15).
БЫСТРЫЙ ЭКСПОНЕНЦИАЛЬНЫЙ РАЗРЯД
Этот интервал не дает напряжению на резонансном конденсаторе расти выше значения VОТС. Дроссель должен разряжаться экспоненциально в большой конденсатор СОТС.
Волновые сигналы для этого интервала задаются следующими уравнениями:
vx(t) = - Vотс; (17)
На фиг. 10, которая аналогична фиг.3, показана диаграмма сигнала тока катушки, в которой интервал 9 бездействия используется в течение интервала 3 смены полярности тока, чтобы обеспечить необязательное переменное время покоя между положительным и отрицательным импульсами. Интервалу бездействия предшествует интервал 6 резонансного разряда, и за ним следует интервал 7 резонансной зарядки.
На фиг. 11А-11В показаны соответствующие диаграммы сигналов тока конденсатора, напряжения катушки и тока катушки, относящиеся к первому варианту реализации преобразователя, в котором R=0,0124 Ом, С=12,8 мФ, и L=150 мГн. Интервал 1 смены полярности заключает в себе интервал 3 резонансного разряда, за которым следует интервал 4 резонансной зарядки. Интервал 2 простой ШИМ заключает в себе только единичный интервал 5 медленной экспоненциальной зарядки, за которым следует интервал 6 медленного экспоненциального разряда. В начале интервала смены полярности ток Ix катушки переключается на втекание в конденсатор С. Начальное напряжение Vx катушки возрастает от 70 вольт до максимума в 190 вольт по мере того, как амплитуда тока уменьшается. Когда ток конденсатора достигает нуля, это сигнализирует о начале интервала резонансной зарядки, в котором амплитуда токов катушки и конденсатора возрастает, и напряжение катушки падает обратно до 70 вольт. Когда ток полностью сменит полярность, амплитуда тока будет чуть меньше, чем она была до интервала смены полярности тока вследствие потерь в схеме. В результате, интервал 2 однополярной ШИМ начинается с интервала медленной экспоненциальной зарядки, чтобы восстановить амплитуду тока, после чего следует интервал медленной экспоненциальной зарядки, чтобы завершить единичный период ШИМ.
На фиг.12А-12Г показаны сигналы тока и напряжения, относящиеся к фиксированной схеме типа той, что изображена на фиг.7. Когда напряжение катушки достигает уровня напряжения отсечки 190 вольт, ток конденсатора перестает втекать в конденсатор и переключается на схему отсечки в течение перехода от интервала 3 резонансного разряда к интервалу быстрого экспоненциального разряда. Когда ток отсечки течет, диод D6 проводит, и конденсатор отсечки поглощает энергию от катушки, что приводит к интервалу 7 быстрого экспоненциального разряда. Когда полярность тока отсечки изменяется, ключ Q5 перехватывает проводимость от диода D6, и конденсатор отсечки разряжается обратно в катушку в течение интервала 8 быстрой экспоненциальной зарядки. В течение этого времени амплитуда тока возрастает почти до того же, но противоположного значения, какое было в начале интервала отсечки. Эффект от подсхемы отсечки, образованной конденсатором отсечки СОТС, ключом Q5 и встречно параллельным диодом D6, приводит к значительному увеличению времени смены полярности. В этой схеме преобразователя сопротивление и индуктивность оставались неизменными, емкость конденсатора С составляла 4 мФ, емкость конденсатора отсечки составляла 100 мФ, и напряжение отсечки составляло 190 вольт. Результирующий интервал смены полярности сократился с 4.36 мс до 2.43 мс.
Управляющая схема, выдающая стробирующие импульсы на Q5, будет обычно измерять ток, когда диод D6 начинает проводить, и будет выключать ключ Q5, когда ток достигает одного и того же значения, для достижения равновесия заряда в конденсаторе отсечки СОТС. Значение напряжения отсечки на конденсаторе СОТС регулируется путем варьирования тока выключения ключа Q5, когда он делается либо чуть меньше, либо чуть больше тока включения диода D6.
Исключительная универсальность схемы обнаруживает частное применение в бортовых системах электромагнитной разведки, поскольку она обеспечивает широкое управление как амплитудным, так и частотным составом передаваемого сигнала, до такой степени, что амплитуда отдельных частотных составляющих сигнала может быть управляемой, чтобы достигнуть оптимальных передаваемых амплитудных и частотных составляющих, по существу, сигнала прямоугольной формы для частного применения в разведке. В частности, составляющие более высокой частоты, амплитуда которых инверсно подавляется как функция частоты в идеально прямоугольной форме, и даже более подавляется в квази-прямоугольной трапецеидальной форме, может быть увеличена, где нужно, управляемым образом. Далее, схема фиксации обеспечивает рабочие режимы быстрой экспоненциальной зарядки и разрядки, что значительно уменьшает интервал биполярного перехода, тем самым, увеличивая эффективность работы и обеспечивая передачу дискретных составляющих более высокой частоты по всему широкому частотному спектру в сигнале, который приближается к идеально прямоугольной форме.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ ДЛЯ ПРИВОДА ТРОСОВОГО БАРАБАНА ШАХТНОЙ ПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ И ТРОСОВОЙ СИСТЕМЫ | 1991 |
|
RU2072315C1 |
| РЕШЕТЧАТЫЙ СЕПАРАТОР | 1992 |
|
RU2069098C1 |
| Устройство для извлечения металла из растворов или пульп адсорбцией | 1989 |
|
SU1838439A3 |
| Способ выщелачивания никеля и кобальта | 1973 |
|
SU563926A3 |
| Способ выщелачивания меди из окисленных соединений | 1973 |
|
SU656537A3 |
| Газоанализатор | 1975 |
|
SU703038A3 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ТЕТРАХЛОРИДА ТИТАНА | 1991 |
|
RU2080295C1 |
| НЕИЗОЛИРОВАННОЕ ЗАРЯДНОЕ УСТРОЙСТВО С ДВУХПОЛЯРНЫМИ ВХОДАМИ | 2009 |
|
RU2501152C2 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИМПУЛЬСА ДЕФИБРИЛЛЯЦИИ | 2016 |
|
RU2648868C2 |
| ИМПУЛЬСНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ ТЕЛЕВИЗОРА ДЛЯ ВЫРАБАТЫВАНИЯ ВЫХОДНОГО НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ ВО ВРЕМЯ ДЕЖУРНОГО РЕЖИМА И РАБОЧЕГО РЕЖИМА | 1990 |
|
RU2113756C1 |
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в цепях бортовой разведки. Техническим результатом является повышение эффективности работы с обеспечением передачи дискретных составляющих более высотой частоты по всему широкому спектру в сигнале, который приближается к идеально прямоугольной форме. Резонансный преобразователь питания для возбуждения катушки содержит преобразователь постоянного тока в переменный с входом постоянного тока и выходом, присоединенным к катушке. Управляющая схема предусматривается для управления переключением преобразователя, и резонансный конденсатор подключается параллельно входу постоянного тока. Отсоединяющий диод предусматривается для отсоединения резонансного конденсатора от входа постоянного тока, когда напряжение на резонансном конденсаторе превышает напряжение на входе постоянного тока. Преобразователь постоянного тока в переменный включает в себя схемы резонансной зарядки, схемы резонансного разряда, схемы холостого хода и схемы экспоненциальной зарядки. Управляющая схема устанавливается для управления амплитудным и частотным составом прямоугольного волнового сигнала путем переключения работы схемы преобразователя между вышеозначенными типами схем в, по крайней мере, одном периоде управляемого переключения в течение интервалов униполярного импульса тока. Схема также включает в себя схему отсечки, устанавливаемую для подачи на катушку фактически неизменного постоянного напряжения, более высокого, чем на входе постоянного тока. 4 с. и 16 з.п. ф-лы, 19 ил.
| US 4410926 A, 18.10.1983 | |||
| ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА | 1991 |
|
RU2046538C1 |
| Электропривод | 1983 |
|
SU1103337A1 |
| Двухтактный инвертор | 1987 |
|
SU1578796A1 |
| US 3263150 A, 26.07.1966 | |||
| СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЕХСЛОЙНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ | 2000 |
|
RU2170663C1 |
| Способ обработки кобальтсодержащих ферритов | 1987 |
|
SU1588509A1 |
| В П Т Ь;>& Л ГНИЯ ( У.!]Ьч>&()К(ли!(Я>&1?;;нд^?^:;^1^в | 0 |
|
SU397514A1 |
| Пожарный двухцилиндровый насос | 0 |
|
SU90A1 |
