Импульсный преобразователь с защитой от внутренних аварий Советский патент 1988 года по МПК H02M3/335 H02H7/12 

114

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано, в частности, для управления и защиты от внутренних аварий импульсных преобразователей постоянного напряжения и тока.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей.

На фиг. 1 приведена функциональная схема, преобразователя; на фиг.2- временные диаграммы работы устройства.

Преобразователь содержит источник 1 питания, автоматический выключатель 2, вентиль 3 защиты, основной 4 и коммутирующий 5 вентили, коммутирующий конденсатор 6, обратный диод 7, нагрузку (якорная обмотка двигателя постоянного тока) 8, датчик 9 тока генератор 10 пилообразного напряжения , источник 11 напряжения управления, представляющий собой, например, сумматор, на один вход которого поступает напряжение задания, а на другой вход напряжение отрицательной обратной связи; компаратор 12, элемент И 13 на два входа, задатчик 14 режима работы (в качестве задатчика режима работы может быть использован, например, мультивибратор с изменяемой по желанию оператора частотой и скважностью импульсов, в результате чего изменяется длительность импульсов и пауз на выходе задатчика), первый 15 и второй 16 одновибраторы, первый 17 и второй 18 формирователи импульсов управления, детектор 19 пересечения нулевого уровня, пороговый элемент |20, источник 21 опорного напряжения, формирователь 22 коротких импульсов, Ьлемент ЗАПРЕТ 23, элемент 24 задерж- ;ки, счетчик 25 импульсов, содержащий |установочный R-вход и счетный Т-вход; Ьлемент ИЛИ 26 на три входа и формирователь 27 импульсов управления, аналогичный формирователям 17 и 18.

Выход источника 1 питания подключен к входу преобразователя через автоматический выключатель 2, причем 1автоматический выключатель 2 своими Неподвижными контактами подключен к |выходу источника i, а подвижными контактами - к входу преобразователя. Первая группа контактов включена в Положительную шину, а вторая группа (сонтактов - в отрицательную шину, под : ижный контакт первой г уппы подключен к аноду вентиля 3;защиты, к ано1894

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

ду основного вентиля 4 и к первому выводу коммутирующего конденсатора 6, второй вывод которого подключен к аноду коммутирующего вентиля 5. Катоды основного 4 и коммутирующего 5 вентилей и обратного диода 7 объединены в общую точку и подключены к первому выводу нагрузки 8.

Второй вывод нагрузки 8 объединен с анодом обратного диода 7 и подключен к отрицательной шине преобразователя, в которую включен датчик 9 тока. К отрицательной шине преобразователя подключен катод вентиля 3 защиты и подвижный контакт второй группы автоматического выключателя 2. Выход генератора 10 пилообразного напряжения подключен к первому входу компаратора .12, к второму входу которого подключен выход источника 11 напряжения управления. Выход компаратора 12 подключен к первому входу элемента И 13, к второму входу которого подключен выход задатчика 14 режима работы.

Вьпсод элемента И 13, подключен к входам одновибраторов 15 и 16. Выход одновибратора 15 через формирователь

17импульсов подключен к управляющему электроду основного вентиля 4, выход одновибратора 16 через формирователь

18импульсов - к управляющему элект.- роду коммутирующего вентиля 5, выход датчика 9 - к входу детектора 19 пересечения нулевого уровня и к первому входу порогового элемента 20, к второму входу которого подключен выход источника 21 опорного напряжения.

Выход детектора 19 пересечения нулевого уровня подключен к входу формирователя 22 коротких импульсов и прямому входу элемента ЗАПРЕТ 23,. к инверсному входу которого подключен выход задатчика 14 режима работы. Выход формирователя 22 коротких импульсов через элемент 24 подключен к установочному R-входу счетчика 25, счетный Т-вход которого подключен к выходу одновибратора 15. Выход счетчика

25импульсов подключен к первому вхо,-. ду элемента ИЛИ 26, второй вход кото- рого подключен к выходу порогового элемента 20, а третий - к выходу элемента ЗАПРЕТ 23. Выход элемента ИЛИ

26через формирователь 27 импульсов подключен к управляющему электроду вентиля 3.

3 .

Преобразователь работает следующим образом.

Генератор 10 пилообразного напряжения формирует напряжение пилообразной формы (фиг. 2а),определяющее период Т широтно-импульсной модуляции преобразователя. Напряжение U сравнивается в компараторе 12 с напряжением и . Когда и и р , напряжение на выходе компаратора соответствует уровню логической единицы, а когда

нуля.

12 проходят

через элемент И 13 на входы одновиб- .раторов 15 и 16 в том случае, если напряжение на выходе задатчика 14 режима работы соответствует уровню логической единицы, например интервал tjj-t (фиг. 26, в). Если напряжение на выходе задатчика 14 режима работы

и 10 уровню логического Сигналы с компаратора

уровню логического нуля , фиг. 26), сигналы 12 на входы одновибра25

35

соответствует (интервал с компаратора

торов 15 и 16 не поступают (фиг. 2в) Таким образом, в зависимости от выходного сигнала задатчика 14 режима работы производится разрешение или запрет прохождения управляющих импульсов к преобразователю, что позволяет п осуществлять работу двигателя постоянного тока 8 в режиме Старт-стоп.

Одновибратор 15 по переднему фронту поступающих на его вход импульсов от элемента И 13 формирует импульсы длительностью, необходимой для отпирания основного вентиля 4. Эти импульсы усиливаются формирователем 17 импульсов и через трансформатор тока, входящий в состав формирователя импульсов (не показан), поступают на управляющий электрод основного вентиля 4. Вентиль 4 открывается и через нагрузку 8 по цепи положительная шина источника 1 питания - первая группа контактов выключателя 2 - вентиль 4 - нагрузка 8 - датчик 9 тока - вторая группа контактов выключателя 2 - отрицательная шина источника 1 начинает протекать ток

Одновибратор 16 по заднему фронт поступающих на его вход импульсов от элемента И 13 формирует импульсы длительностью, необходимой для отпи рания коммутирующего вентиля 5. Эти импульсы усиливаются формирователем 18 импульсов и поступают на управляющий электрод коммутирующего вентиля 5 j отпирая его. Коммутирующий конденсатор 6, заряженный предварительно с полярностью, указанной на фиг. 1, начинает разряжаться и запи рает основной вентиль 4, так как к последнему прикладывается напряжени обратной.полярности. Ток под действ ем ЭДС самоиндукции нагрузки 8 прот кает в контуре диод 7 - нагрузка 8. Напряжение на выходе датчика 9 тока становится равным нулю и детектор 1 пересечения нулевого уровня возвращ ется в исходное состояние, т.е. на его выходе устанавливается напряжение , соответствующее уровню логичес кого нуля.

Таким образом, при отсутствии ав рийной ситуации: потеря управляющей способности, пробой электрический и тепловой, невключение вентиля в люб из режимов заданным системой управления - режим регулируемой передачи энергии от источника 1 к нагрузке 8 интервал (фиг. 2д), режим не прерывной передачи энергии от источ ника 1 к нагрузке 8 (работа двигате на естественной характеристике), ин тервал t , или интервал паузы при работе двигателя в режиме

40

45

Сигнал с одновибратора 15, посту- ° Старт-стоп, за каждым импульсом.

пая на счетный Т-вход счетчика 25, записывает в его память единицу. Наличие тока в цепи нагрузки, контролируемое датчиком 9, заставляет срабатывать детектор 19 пересечения нулевого уровня, по переднему фронту выходных сигналов которого формирователь 22 коротких импульсов формирует

0

5

5

п

1894

импульсы малой длительности. Импульсы, формирователя 22 через элемент 24 задержки поступают на установочный R-вход счетчика 25 импульсов, стирая из его памяти записанное количество импульсов. Время задержки элемента 24 задержки выбирается так, чтобы импульсы с одновмбратора 15 и формирователя 22 коротких и fflyльcoв не поступали на входы счетчика 25 импульсов одновременно, что недопустимо с точки зрения эксплуатации счетчика.

Одновибратор 16 по заднему фронту поступающих на его вход импульсов от элемента И 13 формирует импульсы длительностью, необходимой для отпирания коммутирующего вентиля 5. Эти импульсы усиливаются формирователем 18 импульсов и поступают на управляющий электрод коммутирующего вентиля 5 j отпирая его. Коммутирующий конденсатор 6, заряженный предварительно с полярностью, указанной на фиг. 1, начинает разряжаться и запирает основной вентиль 4, так как к последнему прикладывается напряжение обратной.полярности. Ток под действием ЭДС самоиндукции нагрузки 8 протекает в контуре диод 7 - нагрузка 8. Напряжение на выходе датчика 9 тока становится равным нулю и детектор 19 пересечения нулевого уровня возвращаг ется в исходное состояние, т.е. на его выходе устанавливается напряжение , соответствующее уровню логического нуля.

Таким образом, при отсутствии аварийной ситуации: потеря управляющей способности, пробой электрический или тепловой, невключение вентиля в любом из режимов заданным системой управления - режим регулируемой передачи энергии от источника 1 к нагрузке 8, интервал (фиг. 2д), режим непрерывной передачи энергии от источника 1 к нагрузке 8 (работа двигател я на естественной характеристике), интервал t , или интервал паузы при работе двигателя в режиме

0

5

° Старт-стоп, за каждым импульсом.

поступающим на счетный Т-вход счетчика 25 от одновибратора 15, моменты времени t, t, tg, t , t,, Ц , tgo, (фиг. 2r), следуют импульсы 55 от формирователя 22 коротких импульсов, через элемент 24 задержки, поступающие на установочный R-вход счетчика 25, моменты времени t, Ц, tg,

-14

14

-n- 21

ЧА

(фиг, 2е).

Счетчик 25 после каждой записанной в его память единицы обнуляется и на его выходе напряжение остается равным уровню логического нуля.

При возникновении аварийной ситуации устройство работает следующим образом.

Самопроизвольное переключение ос- Q новного вентиля 4 в проводящее состояние при отсутствии управляющего импульса происходит либо по причине потери управляющей способности у вентиля, либо по причине его пробоя. .

Пусть в момент времени tg произошло самопроизвольное переключение основного вентиля 4 в проводящее состояние по любой из указанных причин. В цепи нагрузки 8 начинает протекать 20 ток, контролируемый датчиком 9 тока. Предположим, что величина тока не превышает допустимого значения и по- роговьй элемент 20 не срабатьюает. Срабатьтает детектор 19 пересечения 25 нулевого уровня (фиг. 2ж). По переднему фронту его выходного импульса формирователь 22 корот сих импульсов формирует короткий импульс, который через элемент 24 задержки, момент gn времени (фиг. 2з) поступает на R-вход счетчика 25 и об гуляет его. В момент времени t „ (фиг. 2г) на Т-вход счетчика 25 от однбвибратора 15 поступает импульс, уменьшая на единицу число импульсов т, необходи- мое для переполнения счетчика и появления на его выходе логической единицы.

В момент времени t на Т-вход счетчика 25 от одновибратора 15 поступает следующий импульс, счетчик переполняется (на фиг. 2 приведены ременные диаграммы для счетчика с 2), на его выходе появляется напряжение логической единицы, этот сигнал через элемент ИЛИ 26 (фиг. 2и) поступает на вход формирователя 27 импульсов. По переднему фронту посту- ивщего на его вход импульса формироатель 27 формирует отпирающий им- пульс, который поступает на управляюий электрод вентиля 3 защиты, отпиая его. Через вентиль 3 по цепи поожительная шина источника 1 питаия - первая группа контактов автома- 55 ического выключателя 2 - вентиль 3 - торая группа контактов выключателя - отрицательная шина источника 1

45

питания начинает протекать ток. При достижении этим током значения тока уставки автоматического выключателя последний срабатьшает и размыкает цепь протекания тока, отключая пре- образователь от источника 1.

Время срабатьшания защиты в этом случае определяется формулой

-СР-(

T(m-l) + t + At,

где Т - период широтно-импульсной

модуляции; m - коэффициент счета счетчика

25 импульсов;

top - время, на которое самопроизвольное включение вентиля произошло раньше, чем заданное системой управления (фиг. 2ж);

дй - запаздывание, вносимое элементами схемы защиты.

Если самопроизвольное переключение основного вентиля 4 в проводящее состояние происходит в интервале времени, когда на выходе задатчика 14 режима работы напряжение соответствует уровню логического нуля, момент времени , (фиг. 2ж), то схема защиты работает следующим образом.

Переключение основного вентиля 4 в проводящее состояние приводит к протеканию тока в нагрузке 8 и датчике 9 тока. Срабатывает детектор 19 пересечения нулевого уровня, его выходной сигнал через элементы ЗАПРЕТ 23 и ИЛИ 26 поступает на вход формирователя 27 импульсов (фиг. 2и). Формирователь 27 по переднему фронту поступившего на его вход импульса формирует отпирающий импульс, который поступает на управляющий электрод вентиля 3 защиты, в результате чего происходит отключение преобразователя от источника 1 по принципу, описанному вьше. В этом случае срабатывания защиты определяется выражением

СР1

&t.

Если самопроизвольное переювоче- ние основного вентиля 4 в проводящее состояние вызьтает аварийное нарастание тока, срабатывает пороговьш элемент 20, его выходной сигнал через элемент ИЛИ 26 поступает на вход формирователя 27 импульсов и происходит

отключение преобразователя от источника 1 за время At.

Незапирание основного вентиля 4 происходит либо по причине пробоя последнего, либо по причине выхода из строя коммутирующих вентиля 5 и конденсатора 6.

Пусть в момент времени t-, опреде ленньй в компараторе 12, происходит включение основного вентиля 4, а в момент t Q - его выключение по любой из причин, указанных выше, не происходит. С момента tg в нагрузке 8 и датчике 9 тока начинает протекать ток срабатывают детектор 19 пересечения нулевого уровня (фиг. 2к) и формирователь 22 коротких импульсов, в момент tg (фиг. 2л) на R-вход счетчика 25 поступает импульс с выхода элемен та 24 задержки и обнуляет его. В мо-

Формул

импульс с выхода одновибратора 15, поступающий на Т-вход счетчика 25 переполняет его, на выходе счетчика появляется логическая единица, этот сигнал через элемент ИЛИ 26 поступает на вход формирователя 27 импульсов (фиг. 2п) и происходит отключение преобразователя от источника 1. Время срабатывания защиты в этом случае определяется формулой

T(m-l) + ЛТ.

Таким образом, преобразователь позволяет контролировать любые внутренние аварии при любом из режимов работы преобразователя.

изобретения

Изобретение относится к электротехнике. Целью изобретения является расширение функциональных возможностей. При возникновении аварийной ситуации, в течение которой ток не превышает допустимого значения, система защиты работает в зависимости от вида аварии следующим образом. При самопроизвольном включении основного вентиля 4 до прихода управляющего импульса счетчик 25 обнуляется, а затем переполняется, так как после поступления на его счетный Т-вход очередного управляющего импульса счетчик 25 не обнуляется импульсами с датчика 19 н- .8) роя е и При го имтем пно25 19 пересечения нулевого уровня. Переполнение счетчика 25 приводит к срабатыванию формирователя 27 импульсов, отпиранию вентиля защиты 3 и-отключению преобразователя. При самопроизвольном включении силового вентиля 4 в интервале времени, когда на выходе задатчи- ка 14 .режима работы напряжение соответствует уровню логического нуля, протекание тока в нагрузке 8 и датчике 9 приводит к срабатыванию детектора 19 пересечения нулевого уровня. Его выходной сигнал через элемент ЗАПРЕТ 23, элемент ИЛИ 26, формирователь 27 импульсов поступает на управляющий электрод вентиля 3 защиты, отпирание которого приводит к отклю- :чению преобразователя от источника 1. При невключении основного вентиля 4 счетчик 25 переполняется импульсами управления, так как ток в цепи датчика 9 тока отсутствует, детектор 19 не срабатывает и импульсы на установочный R-вход счетчика 25 не поступают. Незапирание основного вентиля 4 приводт .к переполнению счетчика 25 импульсами 5, правления,так как на установочНыйЯ-вход импульсы от формирователя 22 коротких импульсов не поступают. 2 ил. S (Л 2 -, J 00 со

мент времени t на Т-вход счетчика 25 поступает импульс с выхода одно- вибратора 15, при этом происходит уменьшение на единицу числа импульсов т, необходимого для переполнения

13

счетчика. В момент времени t (фиг. 2м) на Т-вход счетчика 25 поступает следующий импульс, который переполняет счетчик, и происходит срабатьтание системы защиты, приводщее к отключению преобразователя от источника 1.

Время срабатывания защиты в этом случае определяется формулой

ср2

Т-Ш - t. + /it.

где t/ - время проводящего состояния вентиля 4, определенное системой управления для того периода, в течение которого произошла авария. Невключение основного вентиля 4 связано в основном с механическими повреждениями, такими как обрыв управляющего электрода, нарушение пайки электродов и т.д.

Пусть в момент t g на управляющий электрод вентиля 4 подан отпирающий импульс. Этот импульс с выхода одно- вибратора 15 поступает и на Т-вход счетчика 25, уменьшая число m на единицу. Однако включение вентиля . не происходит, ток в цепи датчика 9 тока отсутствует и на выходе детектора 19 (фиг. 2г) пересечения нулевого уровня напряжение соответствует уровню логического нуля. Следующий

Импульсньй преобразователь с защитой от внутренних аварий, содержащий силовой блок, включающий в себя основной и коммутирующий вентили, коммутирующий конденсатор и систему управления и защиты, включающую в себя датчик тока и два одновибратора, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, система управления и защиты снабжена генератором пилообразного напряжения, источником напряжения управления, компаратором, элементом И, задатчиком режима работы, тремя

формирователями импульсов управления, пороговым элементом, источником опорного напряжения, детектором пересечения нулевого уровня, формирователем коротких импульсов, элементом ЗАПРЕТ, элементом задержки, счетчиком импульсов с установочным и счетным входами и элементом ИЛИ, вентилем защиты, диодом и автоматическим выключателем, причем силовой блок входом предназначен для подключения к источнику ния через автоматический выключатель, выход которого шунтирован вентилем защиты, при этом анод вентиля защиты подключен к положительной шине, а катод к отрицательной, диод предназначен для подключения в обратном направлении параллельно нагрузке, вы-г- ход генератора пилообразного, напряжения подключен к первому входу компаратора, к второму входу которого подключен выход источника напряжения управления, выход компаратсфа подключен к первому входу элемента И, вто

9 ,14

рой вход которого подключен к выходу задатчика режима работы, выход элемента И подключен Ж входам одновибра- торов, выход первого одновибратора через первый формирователь импульсов управления подключен к управляющему электроду основного вентиля, выход второго одновибратора через второй формирователь импульсов подключен к управляющему электроду коммутирующего вентиля, выход датчика тока подключен к входу детектора пересечения нулевого уровня и к первому входу пороговог элемента, к второму входу которого подключен источник опорного напряжения, выход детектора пересечения нулевого уровня подключен к входу фор

А

10

мнрователя коротких импульсов и к прямому входу элемента ЗАПРЕТ, к инверсному входу которого подключен выход задатчика режима работы, выход формирователя коротких импульсов через элемент задержки подключен к установочному R-входу счетчика импульсов, к счетному Т-входу которого подключен выход первого одновибратора, выход счетчика импульсов подключен к первому входу элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к выходу порогового элемента, а третий вход к выходу элемента ЗАПРЕТ, выход элемента ИЛИ через третий формирователь импульсов управления подключен к управляющему электроду вентиля защиты.