Устройство пуска и управления трансформаторно-ключевого преобразователя Советский патент 1992 года по МПК H02M5/27 

VI

XI

СЛ оо

го

Сущность изобретения: устройство содержит нуль-индикатор (10), формирователь импульсов (11), Ь-триггеры (12/17), одновиб- раторы (13, 19, 20, 21, 22), элемент 3 ИЛИ

фиг 1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и предназначено в основном для пуска и управления трэнсформэторно-ключевыми преобразователями регулируемой частоты, содержащими два узла коммутации, работающими в проти- вофазе. Может быть, также использовано в выключателях переменного тока.

Известного устройство для пуска преобразователя частоты.

Так как в трансформаторно-ключевом преобразователе коммутирующий конденсатор заряжается от первичной сети синусоидального напряжения, а первый и второй узлы коммутации работают в противофазе, то такое устройство пуска не может быть использовано.

Наиболее близким по существу технического решения устройством является блок управления трансформаторно-ключевым преобразователем.

Устройство содержит задатчик частоты, выполненный в виде последовательно соединенных нуль-индикатора и формирователя импульсов, а также распределитель импульсов, выходы которого соединены с управляющими входами ключей переменного тока. Управляемые ключи переменного тока поочередно коммутируют управляющие обмотки трансформаторно-ключевого преобразователя. Распределитель импульсов состоит из D-триггера, двух элементов.2 И, двух элементов 2И-НЕ и логического инвертора.

Блок управления генерирует две последовательности широких импульсов и две последовательности узких импульсов, соответствующих моментам окончания широких импульсов, Длительность широкого импульса каждой из последовательностей соответствует интервалу закороченного состояния правой или левой управляющих обмоток преобразователя соответственно (т.е. замкнутого состояния ключа переменного тока). Поступление узкого импульса на узел коммутации приводит к размыканию соответствующей управляющей обмотки.

Важной особенностью работы узла коммутации трансформаторно-ключевого преобразователя регулируемой частоты является выбор такого момента первого замыкания управляющей обмотки, совпадающего с передним фронтом широкого импульса, когда напряжение питающей сети имеет максимальное значение. Это позволяет зарядить коммутирующий конденсатор также До максимального значения и, таким образом, обеспечить последующую коммутационную устойчивость узла коммутации. Однако, коммутационная устойчивость всего преобразователя в целом может быть обеспечена лишь в том случае, когда и вторая управляющая обмотка преобразователя будет первый раз замкнута (после размыкания первой, в силу принципа действия преобразователя) при Umi n Umax. Причем, между моментами замыкания второй и размыкания первой управляющих обмоток существует жесткая связь во времени, так как они работают в противофазе в процес0 се регулирования задающей и, соответственно, выходной частоты преобразователя.

В силу вышесказанного блок управления по схеме прототипа не может обеспечить регулирование задающей частоты, а

5 также обеспечить моменты пуска первого и второго узлов коммутации, которые определяют пуск и последующую коммутационную устойчивость преобразователя в целом. Цель изобретения - расширение функ0 циональных возможностей и повышение надежности устройства и преобразователя в целом за счет выбора момента его пуска.

Указанная цель достигается тем, что в устройство пуска и управления трансформа5 торно-ключевого преобразователя, включающего трехстержневой магнитопровод, первичную обмотку, две вторичные обмотки и две управляющие обмотки, зашунтиро- ванные двумя управляемыми ключами пере0 менного тока, содержащее нуль-индикатор, вход которого предназначен для соединения с входными выводами преобразователя, формирователь импульсов, входом соединенный с выходом нуль-индикатора,

5 D-триггер, С-входом соединенный с выходом формирователя импульсов, два элемента 2 И, введены дополнительный D-триггер, командоаппарат, элемент 3 ИЛИ, первый одновибратор, вход которого соединен с ин0 версным выходом D-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом элемента 3 ИЛИ, выход первого одновибра- тора соединен с первым входом первого элемента 2 И и со вторым входом элемента

5 3 ИЛИ, третий вход которого соединен с первым входом второго элемента 2 И, второй вход первого элемента 2 И соединен с прямым выходом дополнительного D-триггера, второй вход второго элемента 2 И соеди0 нен с инверсным выходом дополнительного D-триггера, выход командоаппарата подключен к общей точке соединения S-входов D- триггеров, последовательно соединенные второй, третий, четвертый и пятый одновиб5 раторы, вход второго одновибратора подключен к выходу элемента 3 ИЛИ, выход пятого одновибратора соединен с третьим входом элемента 3 ИЛИ, элемент 2 ИЛИ, первый вход которого соединен с выходом первого элемента 2 И. а второй - с выходом

второго элемента 2 И, выход элемента 2 ИЛИ соединен с С-входом дополнительного D-триггера, причем выход элемента 2 ИЛИ и выход второго одновибратора предназначены для подключения к управляющим входам первого управляемого ключа переменного тока, а выход третьего одновибратора и выход четвертого одновибратора - для подключения к управляющим входам второго управляемого ключа переменного тока.

В преобразовательной и импульсной технике известны схемы управления, содержащие нуль-индикатор входного сигнала с последующей обработкой его выходного напряжения,

В таких схемах управления известно также использование формирователей, триггеров и одновибраторов, срабатывающих как по переднему, так и по заднему фронту входных импульсов. Однако свойства таких схем управления (в том числе и схемы прототипа) не позволяют использовать их для пуска и управлениятрансформа- торно-ключевым преобразователем регулируемой частоты. Благодаря предлагаемому алгоритму организации управляющих сигналов обоих узлов коммутации преобразователя стало возможным получить новые свойства устройства управления: возможность первоначального максимального заряда коммутирующих конденсаторов в обоих узлах коммутации при условии, что эти узлы коммутации работают поочередно при регулировании управ- ляющей частоты и, соответственно, выходной частоты преобразователя, работающего по модуляционному принципу. Кроме того, в предлагаемом устройстве совмещены функции пуска преобразователя и его последующего управления, когда после первоначального заряда коммутирующих конденсаторов узлов коммутации до максимального напряжения происходит генерирование последовательностей широких управляющих импульсов и соответствующих моментам их окончания узких импульсов.

На фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 - диаграммы напряжений на элементах устройства.

Устройство пуска и управления транс- форматорно-ключевого преобразователя, включающего трехстержневой магнитопро- вод 1, первичную обмотку 2. две вторичные обмотки 3 и 4 и две управляющие обмотки 5 и 6, зашунтировэнные двумя управляемыми ключами 7 и 8 переменного тока, состоит из нуль-индикатора 10, входом соединенного с входными выводами 9 преобразователя, а

выходом - со входом формирователя импульсов 11. D-триггера 12, одновибратора 13, элемента 3 ИЛИ 14, элементов 2 И 15 и 16, дополнительного триггера 17, команде- 5 аппарата 18, одновибраторов 19. 20, 21, 22 и схемы 2 ИЛИ 23. Выход формирователя импульсов 11 соединен с С-входом D-триггера 12. Инверсный выход D-триггера 12 соединен с входом первого одновибратора 10 13. первый вход элемента 3 ИЛИ 14 соединен с прямым выходом D-триггера 12, второй вход элемента 14 соединен с выходом первого одновибратора 13 и первым входом первого элемента 2 И 15, а третий вход эле- 15 мента 3 ИЛИ 14 - с первым входом второго элемента 2 И 16 и выходом пятого одновибратора 22. Выход элемента 3 ИЛИ 14 подключен ко входу второго одновибратора 19, выход одновибратора 19 подключен ко вхо- 0 ду третьего одновибратора 20, выход одно- вибратора 20 соединен с входом четвертого одновибратора 21, а его выход - со входом пятого одновибратора 22.

S-входы D-триггеров 12 и 17 соединены 5 в общую точку к которой подключен выход командоаппарата 18. Прямой выход дополнительного D-триггера 17 соединен со вторым входом первого элемента 2 -И 15, а инверсный выход триггера 17 - со вторым 0 входом второго элемента 2 И 1G. Выход первого элемента 2 И 15 подключен к первому входу элемента 2 ИЛИ 23, а выход второго элемента 2 И 16 - ко второму входу элемента 2 ИЛИ 23. Выход элемента 23 соединен с 5 С-входом дополнительного D-триггера 17. Вход нуль-индикатора 10 является входом устройства, предназначен для подключения к входным выводам 9 преобразователя и определяет момент перехода сетевого напряжения через нулевое значение.

0

5

0

5

Выход элемента 2 ИЛИ 23 и выход второго одновибратора 19 предназначены для подключения к управляющим входам первого узла коммутации трансформаторно-клю- чевого преобразователя, а выход третьего одновибратора 20 и выход четвертого одно- вибратора 21 предназначены для подключения к управляющим входам второго узла коммутации. Нуль-индикатор 10 может быть построен, например, на интегральном операционном усилителе, работающем в режи- ме компаратора по переходу входного напряжения через нуль. Формирователь импульсов 11 иодновибраторы 19, 20,21;22 строятся по известной в импульсной технике схеме ждущего мультивибратора и реагируют на спад входного импульса. Одновибратор 13 реагирует на передний фронт входного импульса.

Устройство пуска и управления транс- формэюрно-ключевого преобразователя (фиг, 1) в соответствии с диаграммами (фиг.2) работает следующим образом.

На выходе нуль-индикатора 10, входом подключенного на напряжение питающей сети исети (фиг.2), постоянно генерируется последовательность коротких импульсов Uio, совпадающих с моментами перехода сетевого напряжения через нулевое значе- ние. Импульсы Uio запускают формирователь импульсов 11, на выходе которого генерируется последовательность импульсов DH длительностью, равной четверти периода сетевого напряжения,

Таким образом,-задний фронт импульсов Un на выходе формирователя 11 совпадает с амплитудным значением UCe™. До пуска кнопка командоаппарата 18 замкнута, напряжение на его выходе равно нулю и на S-входы D-триггеров 12 и 17 подается сигнал низкого логического уровня. Следовательно, в этом режиме на инверсных выходах триггеров 12 и 17 поддерживаются сигналы низкого логического Ui2.2 и Ui.2 соответственно. Сигнал низкого логического уровня Ui7.2 поступает на второй вход второго элемента 2 И 16 и на выходе этого элемента также поддерживается низкий логический уровень Uie. Неизменный сигнал низкого логического уровня U12.2 до момента пуска (на фиг.2 момент пуска ti) не вызывает срабатывания первого одновибратора 13 и подключенных к его выходу через элемент 3 ИЛИ 14 последовательно соединенных одновибраторов 19, 20,21,22.

В связи с этим на первых входах элементов 2 И 15 и 16 и, соответственно, на выходах этих элементов, а также на выходе элемента 2 ИЛИ 23, будет поддерживаться низкий логический уровень.

Пусть в произвольный момент времени ti (фиг.2) нажимается пусковая кнопка командоаппарата 18 и на его выход подается сигнал высокого логического уровня Uis, который сохраняется на протяжении работы преобразователя до момента выключения, Одновременно с окончанием первого после момента времени ti импульса Un произойдет переключение D-триггера 12 (на фиг.2 это момент t2), на его инверсном выходе установится сигнал высокого логического уровня и сработает первый одновибратор 13. Времязадающие элементы этого одно- вибратора подобраны таким образом, что длительность импульса Ui3 на его выходе составляет половину периода сетевого напряжения.

Таким образом, момент срабатывания D-триггера 12, передний и задний фронты

импульса U 1з на выходе одновибратора 13 совпадают с амплитудным значением Усети. Импульс Ui3, пройдя через элемент 3 ИЛИ 15 (напряжение Ui4, фиг.2) вызовет, непрерывную генерацию последовательностей импульсов одновибраторами 19, 20, 21, 22, Благодаря подбору времязэдающих цепей, одновибраторы 20 и 22 генерируют широкие импульсы U20 и и22 длительность которых

0 соответствует длительности включенного состояния управляемого ключа переменного тока преобразователя (или длительности закороченного состояния управляющей обмотки преобразователя), а одновибраторы

5 21 и 19 генерируют короткие импульсы U21 и Uig, соответствующие моментам окончания широких импульсов U20 и 1)22, которые подаются на узлы коммутации для размыкания управляющей обмотки преобразовате0 ля. Созданный первым одновибратором 13 импульс Ui3 пройдет также через первый элемент 2 И 15, т.к. на втором входе этого элемента поддерживается высокий логический уровень Ui7.t. поступивший с прямого

5 выхода дополнительного D-триггера 17, С выхода элемента 2 И 15 импульс Uis продолжительностью полпериода Осети пройдет на выход элемента 2 ИЛ И 23. По заднему фронту (t - ts) этого импульса (первый импульс на

0 графике U23) произойдет переключение дополнительного D-триггера 17, т.к. выход элемента 23 соединен с С-входом D-триггера 17. С прямого выхода этого триггера на второй вход первого элемента 2 И 15 будет

5 подан сигнал низкого логического уровня, который исключит из дальнейшей работы элемент 2 И 15. С инверсного выхода триггера 17 на второй вход второго элемента 2 И 16 будет подан сигнал высокого логиче0 ского уровня (t 1з), который обеспечит прохождение импульсов с выхода пятого одновибратора 22 на выход второго элемента 2 И 16 (напряжение Uie) и. соответственно, на выход элемента 2 ИЛИ 23.

5 Последовательность генерации импульсов одновибраторами 19, 20, 21, 22 иллюстрируется диаграммами UK Uig, U20. Uai, U22 (фиг.2), из которых видно, что каждый из одновибраторов вырабатывает импульс со0 ответствующей длительности по заднему фронту импульса, поступившего на его вход. Непрерывная генерация широких и узких импульсов, управляющих двумя узлами коммутации преобразователя обеспечивается

5 кольцевой схемой, состоящей из упомянутых одновибрзторов и элемента 3 ИЛИ 14. Из диаграмм фиг.2 при t ts видно, что импульс с выхода пятого одновибратора 22 (U22) при t ts, поступая на первый вход второго элемента 2 И 16 и выход элемента 2

ИЛИ 23. поступает также на третий вход элемента 3 ИЛИ 14. На первом и втором входах данного элемента 3 ИЛИ 14 на этом интервале времени поддерживается сигнал низкого логического уровня (U12.1 и 1Нз). Это позволяет импульсу с выхода пятого одно- вибратора 22 пройти через элемент 3 ИЛИ 14 на его выход и своим задним фронтом вновь запустить последовательно соединенные одновибраторы 19, 20, 21, 22. Из диаграмм Uao, U22 видно, что широкие импульсы, вырабатываемые одновибраторами 20 и 22, определяют длительность закороченного состояния соответствующей управ- ляющей обмотки преобразователя (преобразователь содержит две управляющие обмотки), т.е. длительность замкнутого состояния управляемого ключа переменного тока (узла коммутации).

Так как по принципу действия преобра- зователя узлы коммутации поочередно с одинаковой длительностью закорачивают управляющие обмотки, то для обеспечения одинаковой длительности импульсов IJ20, U22 в процессе регулирования частоты пре- дусмотрено объединение органов регулировки одновибраторов 20 и 22.

Обратим внимание, что дополнительный D-триггер 17 играет роль коммутатора, переключающего выходной элемент 2 ИЛИ 23 с первого элемента 2 И 15 (после прохождения через 2 ИЛИ 23 импульса длительностью полупериода Усети) на второй элемент 2 И 16, с выхода которого начинает поступать последовательность импульсов регули- руемой длительности с выхода пятого одновибратора 22. При выключении устройства, т.е. замыкании кнопки и подаче низкого логического уровня на S-входы D-триггеров 12 и 17 в момент t te, врезуль- тате переключения триггеров 12 и 17 на прямом выходе триггера 12 установится высокий логический уровень, а на инверсном выхода триггера 17 - низкий логический уровень.

Сигнал высокого логического уровня с прямого выхода триггера 12 (Uia i) поступит на первый вход элемента 3 ИЛИ 14 и прервет генерацию импульсов одновибраторами 19, 20, 21, 22. Сигнал низкого логического уровня Ui 2 с инверсного выхода триггера 17 поступит на второй вход второго элемента 2 И 16 и запретит прохождение импульсов с выхода одновибратора 22 на выход элемента 2 И 16 и, соот- ветственно, на выход элемента 2 ИЛИ 23.

Таким образом, выходными сигналами устройства пуска и управления трансформа- торно-ключевого преобряяовчтеля являются сигналы:

1 Широкие импульсы для включе ния первого узла коммутации

Длительности импульсов ЬЬз и IJ20 одинаковы.

По сравнению с прототипом особенности генерации этих импульсов, определяющие достижение положительного эффекта, следующие:

в периодическом режиме генерирования задающей частоты преобразователя.

В предлагаемом устройстве1 совмещаются функции пуска и текущего управления трансформаторно-ключевым преобразователем, а функциональные элементы технически реализуются на базе интегральной схемотехники, что практически исключает необходимость регулировки и настройки устройства, а также снижает его массогаба- ритные показатели. На этапе пуска повышается коммутационная устойчивость узлов коммутации преобразователя, строящихся по автотрансформаторной схеме. Это позволяет повысить надежность преобразователя в целом.

Заявляемое устройство пуска и управления используется в трансформатор- но-ключевом преобразователе с автотрансформаторными узлами коммутации.

Преимущественное применение преобразователя - питание электромагнитного перемешивателя металлического расплава в электронно-лучевой литейной технологии. Использование заявляемого технического решения позволяет повысить качество отливок и сократить отходы.

Формула изобретения Устройство пуска и управления транс- форматорно-ключевого преобразователя, включающего трехстержневой магнитопро- вод, первичную обмотку, две вторичные обмотки и две управляющие обмотки, зашунтированные двумя управляемыми ключами переменного тока, содержащее нуль-индикатор, вход которого предназначен для соединения с входными выводами преобразователя, формирователь импульсов, входом соединенный с выходом нульиндикатора, D-триггер, С-входом соединенный с выходом формирователя импульсов, два элемента 2И, отличающееся тем, что, с елью расширения функциональных

возможностей и повышения надежности преобразователя, введены дополнительный D-триггер, командоаппарат, элементЗ ИЛИ, элемент 2 ИЛИ, первый одновибратор, последовательно соединенные второй, третий, четвертый и пятый одновибраторы. вход первого одновибратора соединен с инверсным выходом D-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом элемента 3 ИЛИ, выход первого одновибратора соединен с первым входом первого элемента 2 И и с вторым входом элемента 3 ИЛИ, третий вход которого соединен с первым входом второго элемента 2 И, второй вход первого элемента 2 И соединен с прямым выходом дополнительного D-триггера, второй вход второго элемента 2 И соединен с инверсным выходом дополнительного D- триггера, выход командоаппарата подключен к общей точке соединения S-входов

D-триггеров, вход второго одновибратора подключен к выходу элемента 3 ИЛИ, выход пятого одновибратора соединен с третьим входом элемента 3 ИЛИ,первый вход элемента 2 ИЛИ соединен с выходом первого

элемента 2 И, а второй - с выходом второго элемента 2 И, выход элемента 2 ИЛИ соединен с С-входом дополнительного D-триггера, причем выход элемента 2 ИЛИ и выход второго одновибратора предназначены для

подключения к управляющим входам первого управляемого ключа переменного тока, а выход третьего одновибратора и выход четвертого одновибратора - для подключения к управляющим входам второго управляемого ключа переменного тока.

Ню I

ий cuijajnxu Ljnja

Фив. 2.