Устройство для управления и защиты преобразователя Советский патент 1987 года по МПК H02M3/24 H02H7/12 

Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано во вторичных источниках питаЯия со звеном повышенной частоты.

Цель изобретения - повышение надежности.

На фиг. 1 представлена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - схема порогового органа; на фиг. 3 - усилитель мощности; на фиг. 4 - схема главного ключа заш,иты; на фиг. 5 - блок задержки включения.

Устройство для управления и зашиты преобразователя (фиг. 1) содержит входом 1 подключенный к питающей сети входной выпрямитель 2, первый выход которого через датчик 3 тока соединен с первым входом инвертора 4, выход которого через выходной выпрямитель 5 подключен к входу фильтра 6, усилитель 7 мощности, выходом соединенный с управляющим входом инвертора 4, первый пороговый орган 8, входом подключенный к выходу датчика 3 тока, и усилитель 9 обратной связи, первый вход которого соединен с зажимом 10 для подключения источника опорного напряжения, а выход подключен к первому входу 11 широтно-импульсного модулятора 12. Устройство содержит также второй пороговый орган 13, входом соединенный с выходом датчика 3 тока, а выходом - с первь1м входом элемента ИЛИ 14 и анодом первого диода 15, триггер 16 защиты, установочный вход которого подключен к аноду второго диода 17 и выходу первого порогового органа 8, счетный вход - к синхронизирующему выходу 18 щирот- но-импульсного модулятора 12, инвертирующий выход - через элемент 19 памяти к первому входу главного ключа 20 защиты, а неинвертирующий выход соединен с катодом третьего диода 21, блок 22 задержки включения, вход которого подключен к зажиму 23 для подключения положительного источника питания, а выход соединен с вторым входом 24 щиротно- импульсного модулятора 12, первый пороговый элемент 25, один вход которого подключен к зажиму 23 для подключения источника положительного напряжения выход - к второму входу элемента ИЛИ 14, а второй вход соединен с выходом второго порогового элемента 26, входом подключенного к зажиму 27 для подключения отрицательного источника питания, причем выход фильтра 6 соединен с зажимом 28 для подключения нагрузки через датчик 29 выходного параметра, выход которого подключен к второму входу усилителя 9 обратной связи, выход 30 щиротно-импульсного модулятора 12 соединен с входом усилителя 7 мощности, анод третьего диода 21 подключен к третьему входу 31 щиротно- импульсного модулятора,катодам первого 15 и второго 17 диодов и аноду четвертого

5

диода 32, катодом соединенного с вторым входом главного ключа 20 защиты, третий вход которого подключен к выходу элемента ИЛИ 14. Второй выход входного выпрямителя 2 соединен с токоограничиваю- щим дросселем 33, зашунтированным пятым диодом 34, анод которого подключен к второму входу инвертора 4.

Широтно-импульсный модулятор 12 мо- 0 жет содержать (фиг. 1) задающий генератор 35, выходом подключенный к счетному входу триггера 36 управления и к входу дифцепи 37, генератор 38 пилообразного напряжения, вход которого соединен с выходом дифцепи 37 и с первым входом элемента ИЛИ 39, а выход - с первым входом компаратора 40 обратной связи, второй вход которого является первым входом 11 широтно-импульсного модулятора 12, а выход подключен к второму 0 входу элемента ИЛИ 39, третий вход которого служит вторым входом 24 щиротно- импульсного модулятора 12, а выход соединен с управляющим входом ключа 41 паузы, причем выходы триггера 36 управления через диоды 42 и 43 образуют 5 выход 30 широтно-импульсного модулятора 12 и через диоды 44 и 45 соединены с вторым входом ключа 41 паузы, являющимся третьим входом 31 широтно-импульсного модулятора 12, синхронизирующим выходом 18 которого является выход задающего генератора 35.

Пороговый орган 8 или 13 содержит (фиг. 2) компаратор 46, на входе которого включен измерительный резисторный мост 47, в плечо которого включен датчик 3 тока, а выход компаратора 46 подключен к светодиоду оптодиодной пары 48, управляющей полевым транзистором 49, выход которого является выходом порогового органа 8 или 13.

0 Усилитель 7 мощности транзисторного инвертора 4, построенного, например, по мостовой схеме, включает в себя (фиг. 1) два идентичных усилителя 50 и 51 мощности для управления силовыми транзисторами разных диагоналей моста, при5 чем каждый из них может состоять (фиг. 3) из резисторов 52, соединяющего зажим 23 для подключения положительного источника питания с входом усилителя 50 или 51 мощности и стаби- литровом 53, и блок 54 для управления силовым транзисторным ключом, вход которого соединен с анодом стабилитрона 53, через диод 55 - с общей щиной схемы управления, а через резистор 56 - с зажимом 27 для подключения источника

j питания отрицательного напряжения, причем выход блока 54 для управления силовым транзисторным ключом является выходом усилителя 50 или 51 мощности.

0

5

Главный ключ 20 защиты содержит (фиг. 4) биполярный транзистор 57, базо- эмиттерный переход которого через стабилитрон, образует третий вход главного ключа 20 защиты, и гибридную полупроводниковую пару 58, эмиттер однопереход- ного транзистора которой является первым входом ключа 20, а анод тиристора составляет второй вход главного ключа 20 защиты.

Блок 22 задержки включения представляет собой (фиг. 5) пороговый элемент с времязадающей цепью по входу.

Устройство для управления и защиты преобразователя работает следующим образом.

При подаче сетевого напряжения на вход 1 входного выпрямителя 2, в качестве которого может быть использован диодный мост с LC-фильтром на выходе, на его выходах возникает постоянное напряжение, поступающее через датчик 3 тока и токоогра- ничи вающий дроссель 33 на входы инвертора 4. Одновременно поступает напряжение на схему управления, и канал управления, образованный задающим генератором 35 и триггером 36 управления, формирует импульсы управления с коэффициентом заполнения ,5.

При наличии на выходе триггера 36 управления напряжения логической единицы диод 42 или 43 закрыт и ток от положительного источника 23, протекая через резистор 52, стабилитрон 53 и диод 55, запирает управляющий ключ блока 54 для управления силовым транзисторным ключом. При этом силовой ключ инвертора открывается. При наличии на выходе триггера 36 управления напряжения логического нуля диод 42 или 43 открыт, ток положительного источника 23 протекает через него, диод 55 запирается, а управляющий ключ блока 54 отпирается током источника 27 отрицательного напряжения через резистор 56. При этом силовой ключ инвертора закрывается. Выходные импульсы задающего генератора 35, продифференцированные дифцепью 37, через элемент ИЛИ 39 открывают ключ 41 паузы на время бестоковой паузы, перекрывающей по длительности, например, для мостового преобразователя суммарное время задержки канала управления и выключения силовых транзисторов инвертора, которое складывается из времени спада и времени рассасывания неосновных носителей.

Ключ 41 паузы через диоды 44 и 45 отсекает от импульса управления на выходе триггера 36 временной интервал, равный длительности бестоковой паузы. В момент пуска, до истечения промежутка времени, достаточного для окончания переходных процессов во входном выпрямителе 2 и в источнике питания схемы управления, на выходе блока 22 задержки включения присутствует положительное напряжение, через элемент ИЛИ 39 отпирающее ключ 41 паузы, который через диоды 44 и 45 блокирует выходы триггера 36 управления, и силовые транзисторы инвертора 4 остаются закрытыми. По истечении времени задержки, определяемой блоком 22 задержки включения, на его выходе формируется напряжение,

.. близкое к нулю, и с третьего входа элемента ИЛИ 39 снимается сигнал запрета. Импульсы управления с выхода 30 щирот- но-импульсного модулятора 12 усиливаются усилителем 7 мощности и поступают на базы силовых транзисторных ключей инвер5 тора 4. Инвертор запускается, и его выходное напряжение, выпрямленное, например, двухполупериодным выпрямителем 5 и отфильтрованное LC-фильтром 6, поступает через датчик 29 выходного параметра на зажим 28 для подключения нагрузки.

0 С выхода датчика 29 выходного параметра напряжение обратной связи и опорное напряжение зажима 10 подаются на входы усилителя 9 обратной связи, с выхода которого их усиленная разность поступает

5 на второй вход компаратора 40 обратной связи. На первый вход компаратора 40 подается линейно нарастающее напряжение с выхода генератора пилообразного напряжения, синхронизируемого выходными импу,1ь- сами дифцепи 37. В случае возникновения

0 разницы между напряжением обратной связи и опорным напряжением на выходе компаратора 40 формируются положительные импульсы длительностью, пропорциональной величине указанной разницы, которые через элемент ИЛИ 39 открывают ключ 41 пау5 зы, блокирующий выходы триггера 36 управления, и тем самым изменяют коэффициент заполнения инвертора в сторону умень- щения или увеличения в зависимости от знака возмущающего воздействия.

При уменьщении напряжений питания схемы управления на зажимах 23 и 27 до недопустимой величины срабатывают пороговые элементы 25 и 26, которые могут быть построены по схеме триггера Шмидта, и через элемент ИЛИ 14 и тран5 зистор 57 на управляющий электрод тиристора гибридной пары 58 главного ключа 20 защиты поступает отпирающий импульс. Тиристор открывается и через диод 32 и диоды 44 и 45 блокирует выходы триггера 36 управления, после чего

0 преобразователь полностью отключается. Наличие этой защиты диктуется как необходимостью поддержания нормальной работы схемы управления, так и жесткими требованиями по обеспечению номинальной величины базового тока силовых транзис5 торных ключей, недостаточность которого при максимальном токе коллектора может привести к перегреву си.повых транзисторов и выходу их из строя.

Пороговые органы 8 и 13 настроены на разные уровни тока, причем пороговый орган 8, настроенный на уровень, незначительно превышающий уровень номинального тока первичной обмотки силового трансформатора, работает в системе токовой отсечки, а пороговый орган 13, настроенный на большую величину тока относительно порогового органа 8, через элемент ИЛИ 14 и главный ключ 20 заш.иты полностью отключает преобразователь. Такое построение вызвано необходимостью повышения надежности преобразователей. Оно позволяет осуш.ествить страховку системы токовой отсечки в случае ее сбоя.

При увеличении тока нагрузки, коротком замыкании на выходе преобразователя, возникновения сквозного тока в инверторе 4 или замагничивании сердечника силового трансформатора инвертора на интервале пуска выходной ток входного выпрямителя 2, представляюш,ий собой сумму тока первичной обмотки силового трансформатора инвертора 4 и его тока намагничивания, возрастает, при этом возрастает величина напряжения снимаемого с датчика 3 тока на вход порогового органа 8.

При достижении пороговой величины напряжение на выходе резисторного моста 47 меняет знак и компаратор 46 формирует на светодиоде оптопары 48 положительный импульс, после чего транзистор 49 запирается током фотодиода оптопары 48 и триггеры 16 защиты, ранее приведенный в исходное состояние по счетному входу импульсом задающего генератора 35, опрокидывается. На его неинвертирующем выходе возникает напряжение логического нуля, в связи с чем выходы триггера 36 управления блокируются через диоды 44 и 45 и диод 21, а силовые транзисторы инвертора 4 запираются. На инвертирующем выходе триггера 16 защиты появляется напряжение логической единицы, которым заряжается конденсатор элемента 19 памяти до величины, пропорциональной отсекаемому интервалу импульса управления.

Следующий тактовый импульс задающего генератора 35 возвращает триггер 16 защиты по счетному входу в исходное состояние, и через силовые ключи инвертора 4 снова протекает ток. При наличии устойчивой перегрузки триггер 16 защиты многократно срабатывает, отсекая по времени перегрузки и уменьшая длительность импульсов инвертора, одновременно заряжая конденсатор элемента 19 памяти. По достижении напряжения на конденсаторе величины, достаточной для срабатывания одно- переходного транзистора гибридной пары 58, тиристор главного ключа 20 защиты отключает преобразователь в целом. Если перегрузка кратковременная, токовая отсечка защищает инвертор без отключения преобразователя. Постоянную времени элемента

5

0

5

0

5

0

5

0

5

19 памяти выбирают из условия недопустимости перегрева силовых транзисторов. В связи с тем, что время запирания силовых транзисторов инвертора 4 с момента выдачи команды на выключение определяется его временем спада и рассасывания, для ограничения тока в течение этого промежутка времени в цепь питания инвертора 4 включен токоограничиваю- щий дроссель с обратным диодом.

В реальных преобразователях осуществление разноса уровней срабатывания пороговых органов 8 и 13 на небольшую величину связано с большими трудностями, в частности с повыщенными помехами, источником которых является сам преобразователь. В связи с этим прецизионные пороговые органы 8 и 13 начинают срабатывать на помехи при величинах реального тока первичной обмотки силового трансформатора гораздо меньших, чем величины уставки уровней пороговых органов. Уничтожение данной помехи с помощью конденсаторов не согласуется с требованием максимального быстродействия исполнительных устройств защиты, так как вводит дополнительную задержку. Все это относится как к двухуровневым системам защиты, так и одноуровневым. Увеличение разноса пороговых уровней или же просто увеличение уровня уставки пороговых органов с учетом помехи заставляет заведомо завышать максимальную величину тока через транзисторы, что ведет к резкому снижению надежности преобразователей или неоправданному завышению массы и габаритов. Для устранения этого недостатка в предлагаемом устройстве комплексной защиты преобразователя введены диоды 15 и 17, которые блокируют срабатывание пороговых органов 8 и 13 на время действия бестоковой паузы, когда функцию защиты берет на себя ключ 41 паузы, так как установлено, что максимальная помеха возникает в момент выключения силовых транзисторов инвертора, который приходится по времени на интервал бестоковой паузы.

Формула изобретения

Устройство для управления и защиты преобразователя, включающего в себя последовательно соединенные входной выпрямитель, инвертор и выходной выпрямитель с фильтром, содержащее усилитель мощности, выходом предназначенный для подключения к управляющему входу инвертора, датчик тока, предназначенный для включения в одну из силовых щин между входным выпрямителем и инвертором, первый пороговый орган, входом подключенный к выходу датчика тока, усилитель обратной связи, первый вход которого подключен к зажиму для подключения источника опорного напряжения, второй вход подключен к выходу

7

датчика выходного параметра, предназначенного для включения на выходе выходного выпрямителя с фильтром, выход усилителя обратной связи подключен к первому входу широтно-импульсного модулятора и триггер защиты, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности, оно снабжено клеммами для подключения источников питания положительным и отрицательным напряжением, вторым пороговым органом, элементом ИЛИ, пятью диодами, элементом памяти, главным ключом защиты, блоком задержки включения, двумя пороговыми элементами и токоограничивающим дросселем, а широтно-импульсный модулятор включает в себя задающий генератор, триггер управления, дифференцирующую цепь, генератор пилообразного напряжения, элемент ИЛИ, компаратор, ключ паузы и четыре диода, причем выход задающего генератора использован в качестве синхронизирующего выхода широтно-импульсного модулятора и подключен к счетному входу триггера управления и к входу дифференцирующей цепи, выходом соединенной с первым входом элемента ИЛИ и входом генератора пилообразного напряжения, выход которого подключен к первому входу компаратора, второй вход которого использован в качестве первого входа щиротно-импульсного модулятора, а выход соединен с вторым входом элемента ИЛИ, третий вход которого использован в качестве второго входа щиротно- импульсного модулятора, а выход подключен к управляющему входу ключа паузы, выходы триггера управления через первый и второй диоды образуют выход щиротно-импульсного модулятора, а через третий и четвертый диоды соединены с силовым

8

входом ключа паузы, использованным в качестве третьего входа широтно-импульсного модулятора, причем второй пороговый орган входом соединен с выходом датчика тока,

а выходом -. с первым входом элемента ИЛИ . и анодом первого диода, установочный вход триггера защиты подключен к аноду второго диода и выходу первого порогового органа, счетный вход триггера защиты - к синхронизирующему вы0 ходу щиротно-импульсного модулятора, неинвертирующий выход соединен с катодом третьего диода, а инвертирующий выход через элемент памяти и главный ключ защиты подключен к катоду четвертого дио да, вход блока задержки включения подключен к зажиму для подключения источника питания положительным напряжением, а выход соединен с вторым входом щиротно-импульсного модулятора, один вход первого порогового элемента подключен к 0 зажиму для подключения источника питания, положительным напряжением, выход - к второму входу элемента ИЛИ, а второй вход соединен с выходом второго порогового элемента, входом подключенного к зажиму для подключения источника питания отрицательным напряжением, выход щиротно-импульсного модулятора соединен с управляющим входом усилителя мощности, анод третьего диода подключен к третьему входу щиротно-импульсного модулятора, катодом первого и второго диодов и аноду четвертого диода, управляющий вход ключа защиты подключен к выходу элемента ИЛИ, а токоограничивающий дроссель защунтиро- ван пятым диодом и предназначен для включения в другую силовую щину между входным выпрямителем и инвертором.

5

0

-I- 5

-

Фиг Z

фиг.З

фиг. it

Фиг. 5

Изобретение относится к электротехнике, а именно к преобразовательной технике, и может быть использовано во вторичных источниках питания со звеном повышенной частоты. Целью изобретения является повышение надежности. Устройство содержит входной выпрямитель 2, подключенный через токоограничивающий дроссель 33 и датчик тока 3 к входу инвертора 4, выход которого через выходной выпрямитель 5 и фильтр 6 соединен с нагрузкой 28, усилитель обратной связи 9, широтно- импульсный модулятор 12 и усилитель мош,- ности 7, а два пороговых органа 8 и 13, триггер зашиты 16, элемент памяти 19, элемент ИЛИ 14, главный ключ зашиты 20, блок задержки включения 22, два пороговых элемента 25, 26 и четыре диода 15, 17, 21, 32. Осуществлена зашита от снижения питания схемы управления, задержка включения инвертора от момента включения в сеть до момента окончания переходных процессов во входном выпрямителе 2, защита, по максимальному току и токовая отсечка, причем на этапе бестоковой паузы функция защиты передается формирователю паузы на ключе 41. 5 ил. i W СО со о: