Устройство для управления широтно-импульсным преобразователем Советский патент 1989 года по МПК H02M7/12 

4i СП

Устройство предназначено для управления широтно-импульсным преобразователем, в частности мостовым автономным инвертором с широтно-им пyльcнojl модуляцией и принудительным выключением вентилей от внешних источников. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение надежности. Устройство позволяет без применения датчиков тока и состояния вентилей исключить вероятность сбоев в работе инвертора при произвольном характере управляющего сигнала, С этой целью перед подачей на в ентили управляющих сигналов они подвергаются нормированию длительностей импульсов и пауз. Это достигается введением обратньк связей по запрету прохождения сигнала в кавдом канале управления, а также перекрестных цепей запрета между ними. Инвертор, выполненньй на тиристорах или транзисторах и управляемый устройством, выполняет функцию коммутационного усилителя, вырабатывающего ток в нагрузке, пропорциональной входному сигналу. 2 ил. i (О

СЛ1

10

fS

25

1450055

Изобретение относится к электротехнике и гложет быть использовано в широтно-шшульсных преобразователях, автономных инверторах с широтно-им- пульсной модуляцией. Коммутационных .усилителях.

Цель иэгобретения - расширение ° функциональных возможностей управления преобразователем и повышение на- :Дежности преобразователя.

На фиг.1 пердставлена схема устройства для управления широтно-имг: пульсным преобразователем; на фиг.2- эпюры напряжений а, б - на выходах ШИМ; в, г. - на выходах элементов ИЛИ; |д, е - на вькодах одновибраторов; ж, |з - на выходах 3jreMeHTOB задер жки Iспада импульса.

j Устройство для управления широтно-20 |импульсным преобразователем (фиг.1) |содержит задающий генератор 1, пер- |вый и второй элементы-2 и 3 задержки |спада импульса, инвертирующий повто.- |ритель 4 сигнала и два аналогичных |по устройству канала управления. Первьв и второй каналы управления |содержат широтно-импульсные модуляторы (ШШ1) 5 и 6, элементы 7 и 8 запрета, первые одновибраторы 9 и 10, ,„ Ьотические элементы ИЛИ 11 и 12, ий- :верторы 13 и 14, первые формирователи ;15 и 16, вторые формирователи 17 иг 18 и втбрые одновибраторы 19 я 20. : Выход задающего генератора 1 под к синхронизирующим входам ПШМ S и 6 первого и второго каналов управления соответственно. Выход НИМ 5 |соединен с сигнальным входом элемен- |га 7 запрета, выход которого под- Ыючен к входу первого одновибратора J9 и первому входу элемента ИЛИ 11-, |выход которого соединен с входом ин- ертора 13 и входом второго формиро- )вателя 17, Выход инвертора 13 соединен с входом первого формирователя 15, а выход второго формирователя 17 Через второй одновибратор 19 - с пер- вьм запрещающим входом 7 запрета. Выход ШИМ 6 соединен с, сигнальным . Входом элемента 8 запрета, выход которого подключен к входу первого иовибратора 10 и первому входу элемента или 12, выход которого соединен входом инвертора 14 и входом вто35

,40

45

ратор 20 с первым запрещающз 1Ч входом элемента 8 запрета..

Второй запрещающий вход элемен 8 запрета второго канала управлен -Через первый элемент 2 задержки сп .да импульса соединен с выходом э мента ИЛИ 11 первого канала управ ления. Второй запрещающий вход эл мента 7 запрета первого канала уп равления. через второй элемент 3 зад жкй спада импульса соединен с выход элемента ИЛИ 12 второго канала упра ления. Третий запрещающий вход эл мента 7 загфета первого канала з п ления соединен с выходом второго новибратора 20 второго канала угф ления, а третий запрещающий вход элемента 8 запрета второго канала равления - с выходом второго одко paT-opaJ9 первого канала управлен .Вход устройства соединен с сиг нальным входом ШИМ 5 и чеЪез инве рующий повторитель 4 сигнала - с нальным входом ШМ 6.

Вькоды.первого и второго формир вателей 15 и 17 первого канала упр ления, а также выходы первого и в рого формирователей 16 и 18 второг канала управления являются первым BTopbiM, третьим и четвертым выхода устройства соответственно,,

Задающий генератор 1 служит дл синхронизации ШИМ 5 и 6, В его качестве может быть использован Г гне ратор пилообразного сигнала с разм хом пилы от нуля до лекоторого зна ния Up,., примерно соответствующег максимальному значению управляющег сигнала При этом в качестве

50

ШИМ 5 и 6 могут быть использованы компараторы напряжений

Элементы 7 и 8 запрета представ ляют собой логические элементы И с и версными запрещающими входами Они могут быть выполнены на базе элем та 5И-.ЕЕ с подключением инверторов к его запрещающим входам и к выход

Одновибраторы 9;, 10, 19 ..и 20 мо гут быть выполнены;, например, на о нове интегральных микросхем 155АГЗ Длительность импульсов &, j формируемых на вьЕходе одновибраторов 9 10, устанавливают меньшей, чем минимальное время г-„; , необходимое д

U

.jjoro формирователя 18. Выход инверто-55 обеспечения устойчивого включения ра 14 соединен с входом первого фор-рабочих вентилей и окончания пере№грователя 16, а выход второго фор- («грователя 18 через второй одновибходных процессов в узлах, прикудитёл ной комт.1утации преобразовата я. Дни

10

fS

25

20 ,„

35

40

45

ратор 20 с первым запрещающз 1Ч входом элемента 8 запрета..

Второй запрещающий вход элемента 8 запрета второго канала управления -Через первый элемент 2 задержки спа- .да импульса соединен с выходом элемента ИЛИ 11 первого канала управ- ления. Второй запрещающий вход элемента 7 запрета первого канала уп- равления. через второй элемент 3 задер- жкй спада импульса соединен с выходом элемента ИЛИ 12 второго канала управления. Третий запрещающий вход элемента 7 загфета первого канала з прав- ления соединен с выходом второго одновибратора 20 второго канала угфав- ления, а третий запрещающий вход элемента 8 запрета второго канала управления - с выходом второго одковиб- paT-opaJ9 первого канала управления... .Вход устройства соединен с сиг нальным входом ШИМ 5 и чеЪез инвертирующий повторитель 4 сигнала - с сигнальным входом ШМ 6.

Вькоды.первого и второго формирователей 15 и 17 первого канала управления, а также выходы первого и второго формирователей 16 и 18 второго канала управления являются первым, BTopbiM, третьим и четвертым выходами устройства соответственно,,

Задающий генератор 1 служит для синхронизации ШИМ 5 и 6, В его качестве может быть использован Г гне- ратор пилообразного сигнала с размахом пилы от нуля до лекоторого значе- ния Up,., примерно соответствующего максимальному значению управляющего сигнала При этом в качестве

0

ШИМ 5 и 6 могут быть использованы компараторы напряжений

Элементы 7 и 8 запрета представ- ляют собой логические элементы И с ин версными запрещающими входами Они могут быть выполнены на базе элемента 5И-.ЕЕ с подключением инверторов к его запрещающим входам и к выходу,

Одновибраторы 9;, 10, 19 ..и 20 могут быть выполнены;, например, на основе интегральных микросхем 155АГЗ„ Длительность импульсов &, j формируемых на вьЕходе одновибраторов 9 и 10, устанавливают меньшей, чем минимальное время г-„; , необходимое для

5 обеспечения устойчивого включения рабочих вентилей и окончания переходных процессов в узлах, прикудитёль ной комт.1утации преобразовата я. Днительноеть импульсов , формируемых одновибраторами 19 и 20, устанавливают не меньшей, чем время восстановления управляющих свойств ранее включенных рабочих йентилей. В качестве элементов -2 и 3 задержки спада импульса могут быть использованы пас- сирные RC-интеграторы, резисторы которых зашунтированы прямо включенными диодами. Время задержки t.aспада импульса устанавдивают tне меньшим, чем время распространения сигнала через последовательно включенный формирователь 17 (18) и второй одновибратор 19 (20);

14

Формирователи-15-18 импульсов вы- полены на основе иффер е циаторов, работающих по спаду импульсов на .входе.

Инвертирующий повторитель 4 сигнала может быть вьшолнен на базе опе- рационного усилителя, включенного по схеме с коэффициентом передачи К -1.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питания на .устройство задающий генератор 1 начинает вьфа- батывать опорное напряжение, поступающее на синхронизирующие входы ши- ротно-импульсных модуляторов ШИМ 5 и 6; На вход устройства подают управляющее напряжение пщ , которое определяет закон изменения выходного сигнала преобразователя, управляемого устройством. В зависимости от полярности Uupp ЫИМ 5 или 6 вырабатывает последовательность импульсов со скважностью, определяемой величиной .Uuno Для обеспеспечения работоспо- сббности преобразователя управляющий сигнал обоих каналов нормируется по длительности импульсов и пауз между

переднему фронту калздого импульса н его выходе срабатывает первый одн вибратор 9, формирующий импульс дли тельностью Zt , Импульсы с выходов элементов 7 запрета и одновибратора поступают на соответствующие входы элемента ИЛИ 11, которьй формирует выходе импульс длительностью наи- 10 большей из двух. Инвертор 13 инверти рует сигнал, а первый формирователь 15 формирует короткий импульс по его спаду. Этот:импульс, совпадающий с фронтом импульса на выходе элемента 15 ИЛИ 11, через первый выход устройст ва поступает на цепи запуска рабочих вентилей преобразователя, включая то через нагрузку. С выхода элемента ИЛИ 11 сигнал поступает также на вто 2Q рой формирователь 17, который по его спаду вырабатьгоает импульс запуска- коммутирующих вентилей преобразовате ля, поступающий на них через второй выход устройства и превышающий ток 25 через нагрузку. Этот же импульс запускает одновибратор 19, формирующий импульс длительности Выходной сигнал одновибратора 19 поступает, на первый запрещающий вхад элемента 20 7 запрета и блокирует прохоядёние сигнала от ШИМ 5 на время, равное с, ,

Таким образом, первый одновибратор 9 совместно с элементом ИЛИ 11 осуществляет ограничение.- по минимуму

35 длительности времени включенного состояния рабочих вентилей преобразователя, а второй одновибратор 19 совместно с элементом.7 запрета ограничивает минимальное значение времени

40 включенного состояния коммутирующих вентилей.

В случае, когда полярность противоположна полярности задающего генератора 1, ШИМ 5 находится в не- ,. ,f. - л - ,уiJJIJJ. .Л. i flJOПС

ними как внутри пачек ШИМ-последова- 45 рабочем режиме, импульсы на .его вытельностей, так и меяду ними.

Нормирование длительности импульсов и пауз внутри пачек ИИМ-последо- вательностей осуществляется каяздым каналом управления в отдельности.

В случае, когда полярность и„др совпадает с полярностью опорного нал- ряжения, НИИ б находится в нерабочем режиме, не вырабатывая импульсной

ходе отсутствуют. Инвертирующий повторитель сигнала 4 меняет полярность сигнала без изменения его ам- плитутды и приводит в рабочий режим 50 ШИМ 6, заставляя его вьфабатывать импульсную последовательность со скважностью, зависящей от величины Uujp

Выходной сигнал ШИМ 6 поступает на

. вход элемента 8 запрета и далее на

последовательности, а ШИМ 5 - .в рабо- 55 элементы 10, 12, 14, 16, 18 и 20 вто- чем. Выходная последовательность им- рого канала управления, пульсов ШИМ 5 поступает на сигналь- Работа второго канапа управления ный вход элемента 7 запрета, -кото- происходит в той же послеДователбнос- рый в исходном состоянии открыт. По ти, как и описанная работа первого

1450055

переднему фронту калздого импульса на его выходе срабатывает первый одно- вибратор 9, формирующий импульс длительностью Zt , Импульсы с выходов элементов 7 запрета и одновибратора 9 поступают на соответствующие входы элемента ИЛИ 11, которьй формирует на выходе импульс длительностью наи- 10 большей из двух. Инвертор 13 инвертирует сигнал, а первый формирователь 15 формирует короткий импульс по его спаду. Этот:импульс, совпадающий с фронтом импульса на выходе элемента 15 ИЛИ 11, через первый выход устройства поступает на цепи запуска рабочих вентилей преобразователя, включая ток через нагрузку. С выхода элемента ИЛИ 11 сигнал поступает также на вто- Q рой формирователь 17, который по его спаду вырабатьгоает импульс запуска- коммутирующих вентилей преобразователя, поступающий на них через второй выход устройства и превышающий ток 25 через нагрузку. Этот же импульс запускает одновибратор 19, формирующий импульс длительности Выходной сигнал одновибратора 19 поступает, на первый запрещающий вхад элемента 0 7 запрета и блокирует прохоядёние сигнала от ШИМ 5 на время, равное с, ,

Таким образом, первый одновибратор 9 совместно с элементом ИЛИ 11 осуществляет ограничение.- по минимуму

5 длительности времени включенного состояния рабочих вентилей преобразователя, а второй одновибратор 19 совместно с элементом.7 запрета ограничивает минимальное значение времени

0 включенного состояния коммутирующих вентилей.

В случае, когда полярность противоположна полярности задающего генератора 1, ШИМ 5 находится в не- ,. ,f. - л - ,уiJJIJJ. .Л. i flJOПС

5 рабочем режиме, импульсы на .его выходе отсутствуют. Инвертирующий повторитель сигнала 4 меняет полярность сигнала без изменения его ам- плитутды и приводит в рабочий режим 50 ШИМ 6, заставляя его вьфабатывать импульсную последовательность со скважностью, зависящей от величины Uujp

Выходной сигнал ШИМ 6 поступает на

канала управления. При этом.на третьем н четвертом выходах устройства вырабатываются нормированные по длительности импульсы управления второй группой вентилей преобразователя, ко- торьй вырабатывает в нагрузке ток соответствующий полярности.

В момент смЪны полярности Uunp происходит -пер вход от работы одного каг. нала к другому. В этом случае недопустимо как перекрытие управляющих импульсов двух каналов, так и отсутствие необходимого временного интерва20

ла между ними. Выполнение этих условий|5 обходимого для устойчивого выключения

ранее включенных рабочих вентилей. Кроме того, при нормировании длительности импульса 21 величиной , , а. паузы - величиной С , как показано на диаграмме (фиг.2в) и при отсут- :: ствии при этом перекрытия интервалов запрета по второму и третьему запрещающим входам элемента 8 запрета, . сбой также произошел бы по цепям, управляемым вторым каналом управления. Это связано с запаздыванием на время At фронта сигнала запрета с второго одновибратора 19 (фиг,2д) относительно спада импульса запрета на выходе элемента ИЛИ 11 (фиг.2в). Фронт второго импульса 22, попадая в промежуток ut при отсутствии пере- крытия повторно запустил бы одновиб ратор 10 без необходимого интервала что вызвало бы сбой в работе

25

осуществляется пер екрестными цепями запрета на запрещающие входы элементов 7 и 8 запрета. Например, при появ- импульса па выходе элемента ИЛИ 11 он поступает на второй запрещающий вход- элемента 8 запрета через элемент 2 задержки спада импульса и блокирует прохождение сигналов через второй канал управления на все время его действия и время задержки спада t импульса. По окончании этого импульса блокировка второго канала управления не снимается еще в течение времени , задаваемого одновибрато- ром : 19. Эта блокировка осуществляет- дд ся по цепи: выход элемента ИЛИ 11 - . формирователь 17 - одновибратор 19-- третий запрещающий вход элемента 8 запрета.

Аналогично происходит блокировка работы первого канала управления при действии рабочих импульсов на выходе второго канала управления. При этом блокировка на время действия им пульса c и to. перекрытия интервалов запрета происходит по цепи: вход элемента ИЛИ 12 - элемент 3 задержки спада и шyльcla - второй запрещающий вход элемен.та . 7 запрета, а бло40

35

преобразователя..

В устройстве есть все необходимые функциональные элементы для исключения сбоя преобразователя при рассмотренном соотношении, длительностей импульсов и пауз между ними. Работая согласно приведенной диаграмме, уст ройство вводит нормирование импульсов и пауз, а также исключает вероятность сбоя при попадании фронта импульса в промежуток At за счет задержки спада импульса (фиг.25к) на величину, tа а At. В результате на выходе элемента ИЛИ 11 формируется один импульс длительностью б, :.(Фиг.2в), после которого следует пауза- с , в течение которой запрещено прохождение через второй канал любых запускающих, импульсов. Только по, ее окончании разрешается прохождение импульса 22 Поскольку

кировка на время паузы г - по цепи: вькод элемента ИЛИ 12 - формирователь 18 - одновибратор 20 - третий зап- рещающий вход элемента 7 запрета. На диаграмме (фиг.2) приведен случай, когда на выходах ШИМ 5 (фиг.2а) и ШИМ 6 (фиг.26) действуют импульсы 21 и 22, причем интервал между фронтами импульсов больше с, , но меньше Т, + t, а длительность импульса 21 меньше С, . Такая импульсная последовательность может появиться на выходах ШФ1 5 и 6 при действии на их входах импульсных помех со случайным распределением фаз. Если

бы такая импульсная последовате1 ь- ность попадала на выходы элементов ИЖ 11 и 12 без изменений, это вызвало бы сбой ё работе преобразователя по следующим причинам Во-первых, длительность импульса 21 меньше времени с/

минимально необходимого .

для обеспечения устойчивого.включения рабочих вентилей и окончания переходных процессов в цепях принудительной коммутации преобразователя, Во- вторых, интервал между импульсами меньше времени С ,;, минимально не- .

ранее включенных рабочих вентилей. Кроме того, при нормировании длительности импульса 21 величиной , , а. паузы - величиной С , как показано на диаграмме (фиг.2в) и при отсут- :: ствии при этом перекрытия интервалов запрета по второму и третьему запрещающим входам элемента 8 запрета, . сбой также произошел бы по цепям, управляемым вторым каналом управления. Это связано с запаздыванием на время At фронта сигнала запрета с второго одновибратора 19 (фиг,2д) относительно спада импульса запрета на выходе элемента ИЛИ 11 (фиг.2в). Фронт второго импульса 22, попадая в промежуток ut при отсутствии пере- крытия повторно запустил бы одновиб ратор 10 без необходимого интервала что вызвало бы сбой в работе

0

5

преобразователя..

В устройстве есть все необходимые функциональные элементы для исключения сбоя преобразователя при рассмотренном соотношении, длительностей импульсов и пауз между ними. Работая согласно приведенной диаграмме, уст ройство вводит нормирование импульсов и пауз, а также исключает вероятность сбоя при попадании фронта импульса в промежуток At за счет задержки спада импульса (фиг.25к) на величину, tа а At. В результате на выходе элемента ИЛИ 11 формируется один импульс длительностью б, :.(Фиг.2в), после которого следует пауза- с , в течение которой запрещено прохождение через второй канал любых запускающих, импульсов. Только по, ее окончании разрешается прохождение импульса 22 Поскольку

5

0

5

его длительность больше с-, + tg , оставшаяся его часть по окончании интервала запрета остается неизменной.

Группы вентилей преобразователя, формирующие в нагрузке токи проти- воположных полярностей, работают поледовательно в неперекрьгоающихся временных-интерйалах. Это исключает прохождение сквозных токов через -ветикали мостового преобразователя, а значит и сбои в его работе. Однако вследствие действия помех ha входе устройства или из-за погрешностей в работе задающего генератора 1, ШКМ 5 и 6 и инвертирующего повторителя 4 сигнала возможно перекрытие управляющих импульсов соседнего канала. Так, импульсы 22 и 23, действующие соответсвенно на выходах НИМ 6 (фиг.26) и ШИМ 5 (фиг.2а), перед подачей на управляющие цепи преобразователя необходимо разнести по време- ни. В течение времени действия импульса 22 и времени задержки спада импульса tj на выходе элемента 3

задержки спада импульса вырабатьтает ся . запрещающий импульс : (фиг.2з), блокирующий работу первого канала управления. После окончания импульса . 22 запрет сохраняется еще в течение времени f запрещающим импульсом с выхода одновибратора 20 (фиг.2е), чем достигается нужный временной Jннтepвaл в работе каналов. В результате перекрытие импульсов на выходах эл ментов ШШ 11 (фиг.2в) и 12 (фиг.2г) устраняется и сбоя в работе преобразователя не наступает.

Вследствие симметричности схемы устройства и, при появлении импульсов 21 и -23 на выходе ШИМ 6, а импульса 22 - на выходе ШИМ 5 работа происходит аналогично описанной. Преобразователь, управляемый устройством, сохраняет устойчивость в работе при всех возможных видах импульсных последовательностей на выходах ШИМ 5 и 6.

По сравнению.с известным предлагаемое устройство для управления широтно-импульсным преобразователем Позволяет управлять преобразователем по произвольному закону изменения входного сигнала. Это дает возможность использовать управляемый им преобразователь в качестве парфазно- го усилителя мощности.

Устройство можно использовать для управления как тиристорными, так и транзисторными преобразователями. При- угфавлении транзисторными преоб

1450055

разователями оно служит для исключе - ния перекрытия фронтов и спадов ТГм- пульсов управлений вентилей, относящихся к одноименным вертикалям моста. Этим достигается исключение сквозных токов через вентили преобразователя, что ведет к увеличению их надежности и долговечности.

10

Формула и зобре

тения

30

35

25 Устройство для управления широтно- импульсным преобразователем, содер15 жащее задающий генератор и первый канал управления, включающий широтно- импульсный модулятор, синхронизирующий вход которого подключен к выходу задающего генератора, выход соединен

20 с сигнальным входом элемента запрета, выход которого подключен к первого одновибратора и первому входу элемента :.:ИЛИ, второй вход которого соединен с выходом первого одновибратора, а выход - с входом инвертора, выход которого подключен к входу первого формирователя, и с выходом второго формирователя, выход которого через второй одновибратор подключен к первому запрещающему входу элемента запрета, сигнальный вход широтно- импульсного модулятора является входом устройства, а выходы первого и второго формирователей - первым и вторым выходами устройства, о т л и - чающееся тем, что,;С целью расширения функциональных возможностей и повьшения надежности в него, введены второй канал управления, 40 аналогичный первому, два элемента задержки спада импульса и инверти- рующий повторитель сигнала, причем элементы запрета снабжены вторым и третьим запрещающими входами, при этом второй запрещающий вход элемента запрета второго канала управления через первый элемент задержки спада импульса соединен с выходом элемента ИЛИ первого канала управления, втог рой запрещающий вход элемента запрета первого канала управления через второй элемент задержки спада импуль-; са соединен с выходом элемента ИЛИ второго канала управления, третий запрещающий вход элемента запрета первого канала управления - с выходом второго одновибратора второго канала управления, третий запрещающий вход элемента запрета второго канала

45

50

5

управления - с выходом второго одно- Ьибратора первого канала управления Сигнальный вход широтно- импульсного модулятора первого канала управления через инвертирующий повторитель сигнала подключен к сигнальному вхо- ЙУ широтно-импульсного модулятора

L

ВХ. Uynp

второго канала управления, синхронизирующий вход которого соединен с выходом задающего генератора, а вькоды первого и второго форм1фователей второго канала управления являются третьим и четвертым выходом устройства.

ды

выхг

Фае. i

и8ых

25

Шиг.г