УСТРОЙСТВО ОГРАНИЧЕНИЯ ТОКА НАМАГНИЧИВАНИЯ ТРАНСФОРМАТОРА ДВУХТАКТНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H02M1/40 

Изобретение относится к области устройств для преобразования постоянного тока в постоянный, а именно к системам управления такими системами, и может быть использовано в двухтактных статических преобразователях для ограничения тока намагничивания силового трансформатора.

Известен способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения [1], заключающийся в том, что выявляют сигнал, пропорциональный току намагничивания трансформатора, сравнивают его с заданным сигналом, пропорциональным допустимому току намагничивания, и формируют управляющий сигнал, корректирующий режим перемагничивания трансформатора. Выявление сигнала, пропорционального току намагничивания трансформатора, осуществляют путем измерения тока в короткозамкнутом витке, охватывающем часть магнитопровода трансформатора.

Недостатком способа является его нетехнологичность, т.к. достаточно сложно сделать отверстие в магнитопроводе, и, если используется хрупкий ферритовый сердечник, то даже удачно проделанное отверстие ослабляет сердечник и может впоследствии привести к его расколу. Кроме этого при отщеплении части магнитопровода уменьшается его полезное сечение, следовательно, увеличиваются размеры и стоимость трансформатора, при прочих равных условиях.

Известен способ защиты от одностороннего насыщения трансформатора преобразователя напряжения [2], заключающийся в предотвращении одностороннего насыщения силового трансформатора инвертора-преобразователя напряжения при возникновении условий работы, приводящих к асимметрии тока и напряжения, а также упрощении конструкций.

Недостатком способа является отсутствие полной информации о токе намагничивания трансформатора, что может привести к его насыщению.

Наиболее близким по технической сущности устройством, выбранным в качестве прототипа, является устройство, описанное в [3]. Симметрирование обеспечивается путем измерения тока намагничивания, измеряемого путем вычитания из тока первичной обмотки приведенного тока вторичной обмотки. При нормальной работе, когда сердечник трансформатора ненасыщен, ток намагничивания незначителен, а при насыщении сердечника становится существенным, и при превышении опорного напряжения система симметрирования отключает проводящие силовые транзисторы.

Недостатком устройства является отсутствие зависимости величины опорного напряжения от питающего, от которого существенно зависит величина тока намагничивания, в результате чего приходится завышать величину опорного напряжения, что вызовет увеличение тока намагничивания.

Целью предлагаемого изобретения является ограничение тока намагничивания на минимально допустимом уровне во всем диапазоне питающего напряжения, тем самым повышение надежности импульсного преобразователя за счет слежения за изменением питающего напряжения.

Поставленная цель решается за счет того, что в устройстве ограничения тока намагничивания трансформатора импульсного преобразователя напряжения, как и в прототипе, содержатся датчик тока первичной обмотки трансформатора и датчик тока вторичной обмотки, подключенные к блоку вычисления тока намагничивания, выход которого подключен к связанному с опорным сигналом блоку сравнения, выход которого подключен к двум триггерам, вторые входы которых связаны с широтно-импульсным модулятором, связанным с логическими элементами И, ко вторым входам которых подключен выход блока сравнения. Выходы логических элементов И подключены к двухтактному преобразователю напряжения. В отличие от прототипа к входу блока сравнения в качестве опорного сигнала подключен датчик входного напряжения, позволяющий изменять опорный сигнал для блока сравнения в зависимости от величины питающего напряжения импульсного преобразователя.

Сущность изобретения заключается в следующем. Датчики тока, находящиеся в первичной и вторичной обмотках силового трансформатора импульсного преобразователя напряжения, вырабатывают сигналы, пропорциональные протекающим через обмотки токам. Блок вычисления тока намагничивания формирует сигнал, пропорциональный току намагничивания, равному разности тока первичной обмотки и приведенного тока вторичной обмотки. Датчик входного напряжения вырабатывает сигнал, пропорциональный питающему напряжению преобразователя. Полученный сигнал используется как опорный, определяя уровень ограничения тока намагничивания трансформатора в зависимости от величины питающего напряжения. Блок сравнения формирует логическую «1», если ток намагничивания становится больше опорного сигнала, и логический «0», если ток намагничивания меньше опорного. Блок сравнения совместно с широтно-импульсным модулятором подключен к двум триггерам и двум логическим элементам И и формирует сигналы управления двухтактным преобразователем напряжения.

На фигуре приведена структурная схема устройства ограничения тока намагничивания трансформатора импульсного преобразователя напряжения.

Устройство ограничения тока намагничивания трансформатора импульсного преобразователя напряжения содержит датчик тока первичной обмотки 3 (ДТ1) и датчик тока вторичной обмотки 4 (ДТ2) трансформатора 2 (Тр), подключенные к блоку вычисления тока намагничивания 5 (БВТН). Выход блока вычисления тока намагничивания 5 и датчик входного напряжения 6 (ДВхН) соединены с блоком сравнения 8 (БС). Выход блока сравнения 8 подключен к триггерам 9 и 10 (Т), ко вторым входам триггеров 9 и 10 подключены выходы широтно-импульсного модулятора 7 (ШИМ). Выходы триггеров 9 и 10 совместно с выходами широтно-импульсного модулятора 7 подключены ко входам логических элементов И 11 и 12 (&) соответственно, выходы которых подключены к двухтактному преобразователю напряжения 1 (ДПН).

Блок вычисления тока намагничивания 5, широтно-импульсный модулятор 7, блок сравнения 8, триггеры 9, 10, логические элементы И 11, 12 могут быть алгоритмически реализованы на основе стандартного микроконтроллера для цифровой обработки сигналов, например серии TMS320x24x (производства Texas Instruments). В качестве датчиков тока 2, 3 могут быть использованы датчики тока LT100-S/SP97 (производства LEM). В качестве датчика напряжения 6 может быть использован датчик напряжения LV100/SP84 (производства LEM).

Устройство работает следующим образом:

Датчики тока 3 и 4 формируют сигналы, пропорциональные токам первичной (W1) и вторичной (W2) обмоткам трансформатора 2 соответственно. Сигналы поступают в блок вычисления тока намагничивания 5. Ток намагничивания равен разности тока первичной обмотки трансформатора 2 и приведенного тока вторичной обмотки, или

I_н=I₁-n·I₂,

где I₁ - ток первичной обмотки;

I₂ - ток вторичной обмотки;

n - коэффициент трансформации, равный

$$n=\frac{W_2}{W_1}$$ ,

где W₁ - количество витков первичной обмотки;

W₂ - количество витков вторичной обмотки.

Сигнал, пропорциональный току намагничивания, поступает на блок сравнения 8, куда также поступает сигнал с датчика входного напряжения 4, пропорциональный питающему напряжению. Сигнал с датчика используется как опорный в блоке сравнения 8, определяющий максимально допустимое значение тока намагничивания. Таким образом, датчик входного напряжения позволяет изменять допустимую величину тока, а не устанавливать ее постоянной для всего диапазона изменения питающего напряжения.

На выходе блока сравнения 8 формируется логическая «1», если ток намагничивания становиться больше допустимого уровня, и логический «0», если меньше. Блок сравнения 8 связан с триггерами 9 и 10. Триггеры формируют логический «0» по переднему фронту сигнала с выхода блока сравнения 8.

Широтно-импульсный модулятор 7 связан с триггерами 9 и 10 и вырабатывает сигналы управления для двухтактного преобразователя напряжения, по передним фронтам которых формируется логическая «1» на выходах триггера 9 и 10. Широтно-импульсный модулятор 7 и триггеры 9 и 10 подключены к логическим элементам И 11 и 12, формируя управляющие импульсы для двухтактного преобразователя напряжения 1, не позволяя трансформатору 2 войти в режим одностороннего насыщения.

Таким образом, реализуется ограничение тока намагничивания трансформатора преобразователя во всем диапазоне изменения питающего напряжения и, тем самым повышение надежности импульсного преобразователя за счет слежения за изменением входного напряжения.

Литература

1. Патент РФ на изобретение №2035833, МПК Н02К 7/538 - «Способ ограничения одностороннего насыщения трансформатора импульсного преобразователя напряжения», автор Фомин И.В.

2. Патент РФ на изобретение №2273087, МПК Н02К 7/538 - «Способ защиты от одностороннего насыщения трансформатора преобразователя напряжения», автор Грунин С.Ф.

3. Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Компенсационные методы симметрирования // Практическая силовая электроника, №(24). 2006.

Изобретение относится к области устройств для преобразования постоянного тока в постоянный, а именно к системам управления такими системами и может быть использовано в двухтактных преобразователях напряжения для ограничения тока намагничивания трансформатора.

Технический результат - ограничение тока намагничивания на минимально допустимом уровне во всем диапазоне питающего напряжения. Сущность изобретения заключается в следующем. Датчики тока вырабатывают сигналы, пропорциональные протекающим через первичную и вторичную обмотки токам. Блок вычисления тока намагничивания формирует сигнал, пропорциональный току намагничивания, равному разности тока первичной обмотки и приведенного тока вторичной обмотки. Датчик входного напряжения вырабатывает сигнал, пропорциональный питающему напряжению преобразователя. Полученный сигнал используется как опорный, определяя уровень ограничения тока намагничивания. Блок сравнения формирует логическую «1», если ток намагничивания больше опорного сигнала, и логический «0», если ток намагничивания меньше. Блок сравнения, широтно-импульсный модулятор, триггеры и логические элементы И формируют сигналы управления двухтактным преобразователем напряжения. 1ил.

Устройство ограничения тока намагничивания трансформатора двухтактного преобразователя напряжения, содержащее датчик тока первичной обмотки трансформатора и датчик тока вторичной обмотки, подключенные к блоку вычисления тока намагничивания, выход которого подключен к связанному с опорным сигналом блоку сравнения, выход которого подключен к двум триггерам, вторые входы которых связаны с широтно-импульсным модулятором, выходы которого связаны с логическими элементами И, ко вторым входам которых подключен выход блока сравнения, выходы логических элементов подключены к двухтактному преобразователю напряжения, отличающееся тем, что к входу блока сравнения в качестве опорного сигнала подключен датчик входного напряжения.