Формирователь пачек импульсов для управления тиристором Советский патент 1992 года по МПК H02M1/08 

Изобретение относится г преобразовательной технике и может быть использовано в системах управления тиристорами статических преобразователей, например, для асинхронного тягового двигателя магистрального грузового электровоза, в системах управления башенных кранов и других устройств,

Известен формирователь пачки импульсов, который содержит последовательно со- единенные элемент связи, элемент регулируемой задержки и управляемый генератор, соединенный со входом управляемого делителя напряжения, подключенного через ключ к одному из выводов (общему) источника питания. Вход управляемого генератора через элемент задержки соединен с управляющим входом ключа. Выход управляемого делителя напряжения через другой ключ связан с базой дополнительного ключа, подсоединенного входом к второму выводу источника питания, а выходом - к управляющему электроду тиристора. Выход источника управляющего формирователя сигнала подключен ко входу элемента связи. Недостатком устройства является сужение области применения формирователя из-за невозможности раздельной регулировки длительности форсирующей и поддерживающей частей пачки импульсов.

Наиболее близким по технической сущ- нотси к предлагаемому - прототипом, является формирователь пачки импульсов, который содержит управляемый генератор с двумя выходами, источник питания, двух- входовую схему суммирования и ограничения тока управления, три управляемых ключа, Выход источника питания соединен со входом первого управляемого ключа, выход которого соединен с пеовым входом элемента суммирования и ограничения тока управления, выход которого предназначен для подключения к управляющему электроду тиристора, а второй вход соединен через второй управляемый ключ с выходом пачек импульсов управляемого генератора Формирователь содержит два согласующих усилителя с последовательно соединенными выходным и предвыходным каскадами в каждом, выполненными в виде транзисторных ключевых элементов с общим эмиттером и резистором в цепи коллектора, причем вывод коллектора выходного каскада использован в качестве неинвертирующего выхода соответствующею согласующего усилителя, первый элемент задержки, вход которого соединен с выходом выпрямленного сигнала управляемого генератора, а выход - со входом первого согласующего усилителя, неинвертирующий выход которого соединен с управляющими входами второго и третьего управляемого ключа, первый выходной вывод которого предназначен для подключения к

катоду тиристора, а второй выходной вывод соединен с управляющим входом первого ключа. Вход второго согласующего усилителя соединен с входом первого элемента задержки, а неинвертирующий выход - с

управляющим входом первого ключа.

Недостатком прототипа является снижение надежности управления тиристором, вызванное малой крутизной переднего фронта импульсов тока поддерживающей

части пачки на выходе управляемого генератора.

Целью изобретения является повышение надежности управления за счет увеличения крутизны импульсов тока

поддерживающей части пачки импульсов

Поставленная цель достигается тем, что в формирователь пачек импульсов для управления тиристором, содержащий источник питания, выход которого соединен со

входом первого управляемого ключа, выход которого соединен с первым входом элемента суммирования и ограничения тока управления, выход которого предназначен для подключения к управляющему элекгроду тиристора, а второй вход соединен через второй управляемый ключ с выходом пачек импульсов управляемого генератора, два согласующих усилителя с последовательно соединеняым выходным и предвыходным

каскадами в каждом, выполненными в виде транзисторных ключевых элементов с общим эмиттером и резистором в цепи коллектора, причем вывод коллекюра выходного каскада использован в

качестве неинвертирующего выхода соответствующего согласующего усилителя, первый элемент задержки, вход которого соединен с выходом выпрямленного сигнала управляемого генератора, а выход - с

входом первого согласующего усилителя, неинвертирующий выход которого соединен с управляющим входом третьего управляемого ключа, первый выходной вывод которого предназначен для подключения к

катоду тиристора, а второй выходной вывод соединен с управляющим входом первого ключа и второй согласующий усилитель, вход которого соединен с входом первого элемента задержки, а неинвертирующий

выход - с управляющим входом первого ключа, введены четвертый управляемый ключ, второй элемент задержки и третий согласующий усилитель с неинвертирующим выходом, выполненный аналогично

второму согласующему усилителю, а первый

согласующий усилитель выполнен с инвертирующим выходом, в качестве которого использован коллектор транзисторного ключевого элемента предвыходного каскада, причем вход второго элемента задержки соединен с выходом пачек импульсов управляемого генератора, а выход - с входом третьего согласующего усилителя, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа и первым выводом четвертого управляемого ключа, второй вывод которого предназначен для подключения к катоду тиристора, а управляющий вход соединен с инвертирующим выходом первого согласующего усилителя.

Введение последовательно соединенных второго элемента задержки и третьего согласующего усилителя, подключенных между выходом пачек импульсов управляемого генератора и управляющим входом второго ключа, позволяет сформировать на выходе ключа импульсы с высокой крутизной фронта независимо от крутизны фронта (завала переднего фронта) сигналов на выходе пачек импульсов управляемого генератора. Это обусловлено тем, что при выборе времени задержки второго элемента, превышающем или равным длительности фронта на выходе пачек импульсов управляемого генератора, второй ключ по управляющему входу открывается лишь после установления напряжения на его сигнальном входе (с задержкой на единицы микросекунд). При этом, т.к. третий согласующий усилитель преобразует входные задержанные сигналы и выходные импульсы с крутыми фронтами, при открывании второго ключа формируются импульсы также с большой крутизной фронта.

Введение четвертого ключа параллельно выходу третьего согласующего усилителя и подключение его управляющим входом к дополнительному инвертирующему выходу первого согласующего усилителя, позволяет начать формирование поддерживающей части пачки после окончания длительности форсирующего участка сигнала управления. Это достигается тем, что в течение длительности форсирующего участка четвертый ключ замыкается и тем самым блокирует выход третьего согласующего усилителя.

Снабжение первого согласующего усилителя инвертирующим выходом позволяет сформировать на нем импульс, блокирующий второй ключ по его управляющему входу на время формирования форсирующего участка пачки,

При анализе известных технических решений признаков, сходных с отличительными признаками заявляемого объекта

изобретения, не обнаружено. Таким образом, предлагаемое техническое решение обладает существенными отличиями.

На фиг.1 приведена структурная схема 5 формирователя; на фиг.2 показаны варианты формируемых пачек импульсов; на фиг.З показан вариант реализации согласующего усилителя; на фиг.4 - эпюры, поясняющие работу формирователя пачек импульсов уп0 равления тиристором.

Устройство содержит управляемый генератор 1, источник питания 2, подсоединенный выходом ко входу первого ключа 3. Выход 1 управляемого генератора 1 соеди5 нен со входом второго ключа 4. Выходы обоих ключей 3 и 4 соединены с двумя соответствующими входами элемента (схемы) суммирования и ограничения тока управления 5. Второй выход управляемого

0 генератора 1 через первый элемент задержки 6 соединен со входом первого согласую- щего усилителя 7, подсоединенного выходом 1 к управляющему входу третьего ключа 8. Вход элемента задержки 6 соеди5 нен со входом второго согласующего усилителя 9, параллельно которому подсоединен ключ 8 своими первым и вторым выходными выводами.

Первый выход управляемого генерато0 ра 1 подключен через последовательно соединенные второй элемент задержки 10 и третий согласующий усилитель 11 к управляющему входу ключа 4. Четвертый ключ 12 подсоединен первым и вторым выводами

5 параллельно выходу усилителя 11, а управляющим входом - к инвертирующему выходу усилителя 7. Входы 1 и 2 схемы суммирования и ограничения тока управления 5 соответственно - через сопротивле0 ния„13 и 14, параллельно которому подключен конденсатор 15, соединены с управляющим электродом тиристора 16. ,

Управляемый генератор 1 (УГ) предназначен для формирования пачки импульсов,

5 длительность которой равна длительности сигнала на управляющем входе генератора. УГ 1 выполнен по известной схеме генератора Роэра, собранной по двухтактной трансформаторной схеме на двух основных

0 и двух дополнительных транзисторах, Напряжение питания подается на коллекторы основных транзисторов через два последовательно включенные полуобмотки трансформатора. Коллекторы дополнительных

5 транзисторов через обмотки обратной связи соединены с базами соответствующих основных транзисторов. Базовые резисторы дополнительных транзисторов объединены между собой и соединены с управляющим входом УГ 1. В трансформаторе УГ1 размещены две выходные обмотки Wi и Л/2, одна из которы (Wi) через однопо- лупериодный выпрямитель (диод) соединена с выходом 1 УП. Вторая обмотка W2 соединена через двухполупериодный выпрямитель с емкостной нагрузкой (104 пф) выходом 2 УП. Выполнение УП на основе управляемого генератора Роэра с трансформаторным выходом обеспечивает надежную гальваническую развязку источника управляющих формирователем импульсов и находящихся под высоким напряжением (относительно земляной шины) цепей силового тиристора,

Выходы 1 и 2 УГ 1 являются соответственно выходами пачек импульсов и выпрямленного сигнала управляемого генератора.

Источник питания 2 (ИП) предназначен для формирования постоянного напряжения питания первого ключа 3 и выполнен на основе генератора Роэра с самовозбуждением, нагруженного через выходную обмотку трансформатора на двухполупериодный выпрямитель с фильтром. При этом источник питания оказывается гальванически развязанным с земляной шиной преобразователя.

Первый и второй ключи 3 и 4, соответственно, предназначены для подсоединения выхода ИП2 и первого выхода УГ 1 к соответствующим входам элемента суммирования и ограничения тока 5 (СОТ) и могут быть выполнены на транзисторах типа КТ 829, включенных по схеме ключей с общим коллектором. Двухвходовая схема СОТ 5 предназначена для объединения выходных ключей 3. 4 и формирования на управляющем электроде тиристора 16 импульсов оптимальной формы, амплитуда которых, согласно диаграмме управления, не вызывает превышения допустимой пиковой мощности. СОТ 5 может быть реализована в нескольких вариантах, позволяющих формировать импульсы управления различной формы, показанные на фиг.2. Здесь а - формируемая пачка с форсирующими выбросами импульсов поддерживающей части; б - формируемая пачка с форсирующими выбросами всех импульсов; в - формируемая пачка без форсирующих выбросов импульсов. Первый вариант позволяет формировать первый импульс пачки увеличенной амплитуды Ui длительностью т.з без дополнительного форсирующего выброса, остальные импульсы с амплитудой Ua пачки длительностью Ти (поддерживающая часть) имеют форсирующий выброс (фиг.2,а). Для этого СОТ5 реализуют в виде последовательного соединения сопротивлений 13 и 14 (фиг.1), причем сопротивление 14 шунтируется форсирующей емкостью 15, Общая точка соединения сопротивлений 13 и 14 является выходом СОТ 5, Так, например, при управлении силовым тиристором типа Т453630, сопротивления 13 и 14 выбирались по 5 Ом, емкость 15 1 мкФ. Второй вариант реализации СОТ5 позволяет формировать форсирующую часть у всех импульсов пачки (фиг.2,6). Для этого форсирующая емкость,

0 аналогичная 15 (на фиг,1 не показана), устанавливается параллельно сопротивлениям 13 и 14. При этом, меняя параметры форсирующих емкостей, можно регулировать амплитуду форсирующего выброса (пика).

5 Третий вариант реализации СОТ5 возможен в том случае, если форсирующие вы- бросы в первом и втором, а также последующих импульсах пачки не нужны (фиг.2,в), При этом СОТ5 реализуется в виде

0 одного сопротивления, например 13, один конец которого подсоединен ко входам 1 и 2 СОТ5 (сопротивление 14 при этом отключается), а второй конец (выход СОТ5) соединен с управляющим электродом тиристора

5 16, В этом варианте также, при необходимости, можно получить форсирующий выброс в каждом импульсе пачки, если установить форсирующую емкость 15 параллельно сопротивлению 13. Выбор необходимого ва0 рианта реализации СОТ5 определяется в зависимости от конкретной схемы, в которой используется силовой тиристор 16 и его типа (например, типа Т453-630). Величина устанавливаемых в СОТ5 токоограничитель5 ных сопротивлений 13 и 14 может быть одинаковой. Она определяется разбросом сопротивлений управляющего электрода тиристора 16 и его допустимой пиковой мощностью. При этом, выбранное значение

0 сопротивления вводит силовой тиристор в область гарантированного управления.

Элемент задержки (ЭЗ) 6 предназначен для формирования длительности первого импулса пачки (форсирующей части) и реа5 лизован в виде интегрирующей RC-цепи с постояной времени тз, пропорциональной t3 (0,3t3).

Первый согласующий усилитель 7 (СУ) с неинвертирующим и инвертирующим выхо0 дами 1 и 2 соответственно предназначен для открывания третьего ключа 8 по неинвертирующему выходу 1 СУ7 и четвертого ключа 12 - по инвертирующему выходу 2 (введение ключей в режим, насыщения). При

5 этом ключи 8 и 12 вводятся в режим насыщения на время формирования поддерживающей и форсирующей частей пачки импульса управления, соответственно. Для этого СУ7 может быть реализован в виде последовательного соединения (фиг.З) стабилитрона 17, например, типа Д 818Е, с сопротивлением 18, подключенным вторым концом к общей точке схемы. Точка соединения элементов 17 и 18 через токоограни- чительное сопротивление 19 соединена с базой транзистора 20, например, типа КТ315Г, Второй конец стабилитрона 17 является входом СУ 7. Для согласования полярности выходного сигнала СУ7 со входом ключа 8 коллекторная нагрузка транзистора 20 - сопротивление 21, через сопротивление 22 соединена с базой транзистора 23 типа КТ 315Г. коллектор которого нагружен на сопротивление 24 и служит неинвертирующим выходом 1 СУ7. Коллектор транзистора 20 является инвертирующим выходом 2 СУ7(фиг.З), согласующим по полярности выходной сигнал с управляющим входом ключа 12. Последовательное соединение стабилитрона 17 и сопротивление 18 представляет собой селектор импульсов, амплитуда которых превышает заданный уровень напряжения стабилизации. Тем самым повышается помехозащищенность согласующего усилителя.

Третий ключ 8 предназначен для блокирования ключа 3 по его цепи управления при поступлении на управляющий вход ключа 8 импульса с выхода 1 СУ7 и выполнен на транзисторе типа КТ 315Г с токоог- раничительным сопротивлением в цепи базы. Длительность блокирования равна длительности поддерживающей части пачки импульса управления. Эмиттерный и коллекторный выводы ключа 8 являются соответственно его первым и вторым выходными выводами.

Второй согласующий усилитель СУ9 предназначен для открывания первого ключа 3 (введение его в режим насыщения) на время формирования амплитуды форсирующей части пачки. СУ 9 выполнен аналогично схеме СУ7 (фиг.З) с неинвертирующим выходом 1 (коллекторные нагрузки подключены к +ИП2).

Второй элемент задержки Э310 предназначен для задержки переднего фронта входного импульса на время п, превышающее длительность переднего фронта входного сигнала г на некотором уровне амплитуды (например, уровень 0,9). Э310 может быть реализован в виде интегрирующей RC-цепи с постоянной времени, пропорциональной п (0,3 п).

Третий согласующий усилитель СУ 11 предназначен для открывания ключа 4 введением его в режим насыщения. СУ 11 выполнен аналогично СУ7 с неинвертирующим выходом 1 (фиг.З) и запитывается от +ИП2.

Четвертый ключ 12 предназначен для блокирования ключа 4 по его цепи управ- 5 ления на время формирования форсированного участка пачки импульсов при поступлении на управляющий вход ключа 12 импульса со второго выхода СУ 7. Ключ 12 выполнен на транзисторе КТ315Г аналогич0 но ключу 8. Коллектор и эмиттер ключа 12 служат его первым и вторым выводами.

На фиг.4 приведены эпюры, поясняющие формирование пачки импульсов. Здесь а - импульсы управления формирователем;

5 б - напряжение на выходе источника питания 2; в - импульсы, формируемые управляемым генератором 1; г - импульсы на вых.1 управляемого генератора 1; д- импульсы на выходе элемента задержки 10; е - импульсы

0 на выходе согласующего усилителя 11; ж - напряжение на выходе 2 управляемого генератора 1; з - импульс на выходе элемента задержки 6; и, к - импульсы на выходах 1 и 2 согласующего усилителя 7, соответствен5 но; л - напряжение на выходе ключа 8; м - напряжение на выходе схемы суммирования и ограничения тока 5.

В исходном состоянии при напряжение на выходе источника питания ИП2

0 равно Ut (фиг.4, б). Напряжение на выходах 1 и 2 УГ1 и вых.1 СУ7 равно нулю (фиг.4 г,ж,и), ключи 3, 4, 8 - закрыты. Напряжение на вых.2 СУ 7 равно логической единице (фиг.4, к) ключ 12 открыт и блокирует ключ 4

5 по управляющему входу (фиг.4, е). Напряжение на управляющем электроде тиристора 16 равно нулю (фиг.4, м).

При поступлении в момент ц управляющего импульса длительностью Ту на вход

0 УГ1 (фиг.4,а) генератор Роэра УГ1 фоомиру- ет пачку импульсов (фиг.4,в), длительность каждого из которых равна Ти. Длительность пачки равна Ту, амплитуда импульсов определяется параметрами генератора Роэра,

5 входящего в состав УГ1. На вых.1 пачек импульсов УП формируются импульсы положительной полярности (фиг.4,г), амплитуда которых 1)2 определяется при выбранных параметрах УП числом витков WL Длитель0 ность фронтов г (единицы микросекунд) определяется частотными свойствами силовых транзисторов УП и его выходного трансформатора. На выходе Э310 формируются импульсы, передние фронты которых

5 за время ri (фиг.4, д) достигают уровня напряжения стабилизации 1)с стабилитрона схемы СУ11. В эти моменты на выходе СУ11 формируются задержанные на т импульсы уровня логической единицы с высокой крутизной фронта (на фиг.4,е в интервале tt-ts блокирования ключа 4 импульсы показаны пунктиром). Задние фронты импульсов формируются при уменьшении амплитуды выходных сигналов Э310 ниже уровня стабилизации ис(фиг.4,д). Напряжение Use выхода 2 выпрямленного сигнала УП (фиг.4,ж), преобразованное в СУ9 в уровень сигнала логической 1 (фигАл), открывает при по управляющему входу первый ключ 3, входящий в режим насыщения, и тем самым подключает напряжение Ui источника питания 2 по входу 1 СОТ5 к управляющему электроду тиристора 16 (фиг.4,м). На выходе Э36 формируется сигнал Ue, который за время ts (фиг,4,з) достигает уровня напряжения стабилизации DC стабилитрона схемы СУ 7. В момент t2 ti+t3 (фиг.4, и) на вых,1 СУ7 формируется уровень логической 1, открывающей третий ключ 8, который входит в режим насыщения. На выходе ключа 8 устанавливается уровень логического О (фиг Ал). Тем самым, с момента ta осуществляется блокирование прохождения напряжения Ui на выход ключа 3 (фиг.4,м), который запирается при ta. Длительность блокирования определяется моментом (фиг.4, з) равенства .

Поскольку (фиг.4 а, и), интервал блокирования составляет tr-t.4, т.е. оказывается несколько больше (единицы микросекунд) длительности Ту, что повышает надежность блокирования. При этом длительность сформированной форсирующей части (первого импульса) пачки определяется ЭЗб, уровнем Uc и равна t3- Амплитуда форсирующей части равна Ui. В момент t. на вых.2 СУ 7 (фиг.4, к) формируется сигнал логического О, закрывающий ключ 12 и тем самым деблокирующий ключ 4 по его управляющему входу. Начиная с момента tЈ выходные сигналы СУ11, задержанные на ri относительно импульсов на вых.1 УП, поступают на управляющий вход ключа 4 (фиг.4, е), вводя его в режим насыщения и тем самым подсоединяют вых.1 УП ко входу 2 СОТ5. На выходе СОТ5, начиная с момента до формируются импульсы поддерживающей части пачки оптимальной формы, амплитуда которых определяется напряжением U2. Импульсы поддерживающей части пачки имеют высокую крутизну передних фронтов, поскольку ключ 4 коммутируется сигналами, сформированными в СУ 11 и задержанными относительно нарастающей части фронта сигналов на вых.1 пачек импульсов УП на время TI, большее длительности нарастания т. Тем самым ключ 4 открывается в моменты, когда напряже- ние на его коллекторе достигает установившегося значения - плоской части амплитуды U2 (фиг.4, г). При t ti+Ty напряжение на выходе 2 выпрямленного сигнала УП становится равным нулю. В момент t4, после окончания импульса управления, напряжение на неинвертирующем выходе 1 СУ7 становится равным уровню логического О, деблокируя ключ 8. Напряжение на инвертирующем выходе 2 СУ7 становится равным 1 (фиг.4,к),

открывая ключ 12 и тем самым блокируя ключ 4 по его управляющему входу. Устройство возвращается в исходное состояние. При поступлении на вход УП следующего управляющего сигнала цикл формирования

пачки импульсов повторяется.

Таким образом, на выходе устройства формируются пачки импульсов с высокой крутизной фронтов форсирующей и поддерживающей частей. Это позволяет повысить

надежность управления, по сравнению с прототипом, силовыми тиристорами и, в сочетании с легкостью перестройки параметров формирователя импульсов и корректировки формы сигналов управления, обеспечивает устройству большую уни- версальность при сопряжении его с различного типа тиристорами.

Формула изобретения

Формирователь пачек импульсов для управления тиристором, содержащий источник питания, выход которого соединен с входом первого управляемого ключа, выход которого соединен с первым входом элемента суммирования и ограничения тока управления, выход которого предназначен для подключения к управляющему электроду тиристора, а второй вход соединен через второй управляемый ключ с выходом пачек

импульсов управляемого генератора, два согласующих усилителя с последовательно соединенными выходным и предвыходным каскадами в каждом, выполненными в виде транзисторных ключевых элементов с общим эмиттером и резистором в цепи коллектора, причем вывод коллектора выходного каскада использован в качестве неинвертирующего выхода соответствующего согласующего усилителя, первый элемент

задержки, вход которого соединен с выходом выпрямленного сигнала управляемого генератора, а выход - с входом первого согласующего усилителя, неинвертирующий выход которого соединен с управляющим

5 входом третьего управляемого ключа, первый выходной вывод которого предназначен для подключения к катоду тиристора, а второй выходной вывод соединен с управляющим входом первого ключа, и второй согласующий усилитель, вход которого

соединен с входом первого элемента задержки, а неинвертирующий выход с управляющим входом первого ключа, отличающийся тем. что, с целью повышения надежности управления за счет увеличения крутизны импульсов тока поддерживающей части пачки импульсов, введены четвертый управляемый ключ, второй элемент задержки и третий согласующий усилитель с неинвертирующим выходом, выполненный аналогично второму согласующему усилителю, а первый согласующий усилитель выполнен с инвертирующим выходом, в

0

качестве которого использован коллектор транзисторного ключевого элемента предвыходного каскада, причем вход второго элемента задержки соединен с выходом пачек импульсов управляемого генератора, а выход - с входом третьего согласующего усилителя, выход которого соединен с управляющим входом второго ключа и первым выводом четвертого управляемого ключа, второй выход которого предназначен для подключения к катоду тиристора, а управляющий вход соединен с инвертирующим выходом первого согласующего усилителя.

Сущность изобретения выход источника питания 2 соединен с входом первого ключа 3, первый выход управляемого генератора 1 соединен с входом второго ключа 4, выходы первого и второго ключей соединены с двумя соответствующими входами элемента 5 суммирования и ограничения тока управления, второй выход управляемого генератора через первый элемент задержки 6 соединен с входом первого согласующего усилителя 7, первый выход которого соединен с управляющим входом третьего ключа 8, вход первого элемента задержки соединен с входом второго согласующего усилителя 9V параллельно которому включены выходные выводы третьего ключа, первый выход управляемого генератора соединен через последовательно включенные второй элемент задержки 10 и третий согласующий усилитель 11 с управляющим входом второго ключа, выводы четвертого ключа 12 включены параллельно выходу третьего согласующего усилителя, а управляющий вход четвертого ключа соединен с инвертирующим выходом первого согласующего усилителя, выход элемента суммирования и ограничения тока управления соединен с управляющим электродом тиристора 16 4 ил.

.U

h h h

/

Mi

: Ј

Wt/г.З