Способ управления вентильным преобразователем Советский патент 1980 года по МПК H02P13/18 

1

Изобретение относится к силовой полупроводниковой преобразовательной технике и предназначено для применения в устройствах для управления j вентильными преобразователями, используемыми в системах электропитания, электроприводе, электротермии и электротехнологии. .

Известен способ управления ключом |0 в однотактном преобразователе, состоящий в том, что силовой ключ за- ьвлкается на время, пока в контур, включенный с ним последовательно, . не сообщится достаточно энергии .е относительно заданного значения Ш .

Недостаток способа; состоит в том, что передача энергии в контур происходит с потерями, так как разность между напряжением питания и напряже- Лп нем на элементах контура падает на ключевом элементе.

Известен инвертор с индуктивным ограничением тока в первичной цепи, в котором управление силовыми клича- 25 ми осуществляется устройствбм, обеспечивающим широтно-импульсный способ регулирования 2 .

Недостатком используемого принципа регулирования, помимо сложности

схемной реализации является дискррт ность процесса передачи энергии на вторичную сторону. Это заставляет увеличивать импульсную передаваемую энергию при заданном ее среднем эначении, то ведет к потерям в тракте передачи мощности. .

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ управления, реализованный в устройстве, силовая часть которого представляет собой двухтактный инвертор с индуктивным ограничением скорости изменения тока на первичной стороне. 3 устройстве сравнивают напряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, с первым напряжением уставки и формируют сигнал запирания всех силовых ключей

.вентильного преобразователя в момент, когда напряжение, пропорциональное выходному сигналу, превышает первое напряжение уставки, а дог Гого момента осуществляют непрерывную коммутацию силовых ключей вентильного преобразователя 3 .

Указанный способ управления вен1тильным преобразователем имеет ряд

недостатков: во-первых, регулирование носит старт-стопный характер, что означает дискретность процесса передачи энергии в нагрузку, вызывающую снижение КПД, во-вторых, старт-стопный характер регулирования ухудшает качество стабилизации выходного сигнала, что вызывается следующими причинами: передача энер1ии в нагрузку происходит до тех пор пока емкостный фильтр на выходе вентильйого преобразователя не зарядится донаЛряжения, при котором выходной сигнал достигает заданного значения, дальнейший процесс подзаряда указанной емкости происходит по следующей команде Старт, до поступлеНИЯ которой емкость фильтра разряжается током нагрузки, что вызывает появление пульсаций выходного сигнала.

Таким образом, с изменением нагрузки меняется и среднее значение последнего, так как меняется амплитуда пульсаций выходного сигнала , а его максимальное значение стабилизируется. . . ,..:..,.

Цель изобретения - повышение КПД при изменении тока нагрузки в широких пределах и повышение качества стабилизации. Поставленная цель достигается тем, что при способе управления вентильным преобразователем со стабилизацией выходного сигнала, силовая часть которого выполнена по схеме с индуктивным ограничением скорости изменения тока на егопервичной стороне, состоящем в том, что сравнивают напряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, с первым напряжением уставки и формируют сигнал для запирания всех силовых ключей вентильного преобразователя в Момент, когда напряжение, пропорцио-, нальное выходному сигналу, превышает первое напряжение уставки, а до этого момента осуществляют непрерывную коммутацию силовых ключей вентильного преобразователя, формируют второе напряжение уставки, пороговое напряжение и сигнал, пропорциональный; мгновенному значению тока на первичной или вторичной стороне преобразователя, интегрируют разность напряжением, пропорциональным выходному сигналу прербразоватёлЯ, и вторым напряжением уставки, полученное управляющее напряжение сравнивают с сигналом, пропорциональным мгновенному значению тока на первичной или вторичной стороне преобразователя, если

прйвляющее напряжение больше порбговб1 о напряжения, и сравнивают сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока, с пороговым напряжением, если управляющее напряжение меньше . орогового, в моменты равенства сравниваемых напряжений осуществляют непрерывную коммутацию (переключение) силовых ключей, а когда выходной сигнал преобразователя превышает первое напряжение уставки, формирую± сигнал для запирайия всех силов1ых ключей преобразователя.

На фиг. 1 дана структурная схема системы .управления вентильным преобразователем, в которой реализован указанный способ; на фиг. 2 - временные диаграммы в .системе управления.

Схема (фиг. системы управления вентильным преобразователем содержит силовую часть вентильного преобразователя 1 с индуктивным ограничением скорости изменения тока на первичной стороне, силовой трансформатор 2, выпрямитель 3, емкостный фильтр 4, нагрузку 5, датчик б тока, резистивный делитель 7, первый компаратор 8, операционный усилитель 9, резистор О, интегрирующая емкость 11, диод 12, второй компаратор 13, третий компаратор 14, токоограничивающий езистор 15, счетный триггер 16, лоический элемент 17 ИЛИ, логические лементы 18 и 19 И, согласующие аскады 20 и 21.

На фиг. 2 обо.значены: напряжение 22 на неинвертирующем входе третьего компаратора 14 (пунктир) и напряжение на его инвертирующем входе; выходной сигнал 23 третьего компаратора 14, выходные сигналы 24 и 25 счетного триггера 16, выходные сигналь 26 и 27 логических элементов 18 и 19 И при логической 1 на выходе логического элемента 17 ИЛИ.

Силовая часть вентильного преобразователя 1 нагружена через силовой трансформатор 2 и выпряглитель 3 на емкостный фильтр 4 и нагрузку 5. Выход рёзистивного делителя 7 соединен с инвертирукнцим входом первого компаратора 8, на неинвертирующий вход которого подано первое напряжение уставки и через резистор 10 с инвертирующим входом операционного усилителя 9, к выходу которого и к инвертирующему входу его же подключена интегрирующая ёмкость 11, а к неинвертирующёму входу - источник второго напряжения уставки U. Выход операционного усилителя 9 соединен с неинвертиругощим входом второго компаратора 13 и через диод 12 с инвертирующим входом второго компаратоа 13. Неинвертирующий вход третьего компаратора 14 соединен с инвертируюим входом второго компаратора 13 и ерез токоограничивающий резистор 15 подключен к источнику порогового наряжения . Выход датчика б тока на первичной стороне силовой части вентильного преобразователя 1 подклюен к инвертирующему входу третьего омпаратора 14, выход которого соединен со входом счетного триггера 16 и входами логических элементов 18 и 19 И. Их вторые входы соединены с прямым и инверсным выходами счетного триггера 16, а третьи входы с выходом, логического элемента 17 ИЛИ. Один вход последнего подключен к выходу первого компаратора 8, а второй вход - к выходу второго компаратора 13. Выходы логических элементов 18 и 19 И подключены через согласуняцие каскады 20 и 21 к управляющим цепям силовых ключей силовой части вентиль ного преобразователя 1. Способ осуществляется следующим образом. При подключении системы к питающей сети напряжение на емкостном фильтре 4 равно нулю. Соответственно равен нулю и сигнал с реэистивного делителя 7, Поэтому первый компаратор 8 устанавливается в состояние логической 1 на выходе, а операционный усилитель 9переходит в состояние, характеризующееся максимальной величиной выходного положительного напряжения для данного типа усилителей. В результате этого на инвертирующем входе второго компаратора 13 и неинвертирующем входе третьего компаратора 14 устанавливается напряжение, меньшее величины выходного напряжения операционного усилителя 9 на величину падения на открытом диоде 12. Диод 12 открыт вследствие протекания тока через него и токоограничиваЮщий резистор 15 в источник Uf,Qp, величина которого выбирается меньше максимальной величины положительного напряжения на выходе операционного усилителя 9. В результате второй компаратор 13 находится в состоянии логической 1 на выходе логического элемента 17 ИЛИ - также логическая 1, и, тем саким, выходное состояние элементов 18 и 19 И определяется состоянием счетного триггера 16 и третьего компаратора 14, на инвертирующем вх де которого присутствует сигнал дат чика 6 тока, который в начальный мо мент равен нулю, а затем линейно на растает, повторяя форму тока в сило вой цепи (на фиг.2 кривая 22). При сравнении этого напряжения с напряжением на неинвертирующем входе тре тьего компаратора 14 он переходит в состояние логического О (.на фиг.2 кривая 23), при этом оба логи ческих элемента 18 и 19 И переходят в состояние логического О независ мо от предыдущего их состояния (на фиг.2 кривые 26 и 27), а счетный тр гер 16 меняет свое состояние на Про тивоположное (на фиг.2 кривые 24 и 25). Оба силовых ключа вентильного преобразователя 1 .запираются, что предотвращает режим сквозных токо и осуществляется вывод энергии, накопленной в индуктивности, ограничивающей скорость изменения тока первичной цепи. Величина тока в первичной цепи вентильного преобразователя 1 уменьшается и третий компаратор 14 возвращается в состояние логической 1 на выходе. При этом на выходе лО1 ических элементов 18 и 19 И устанавливается состояние, противополож- . ное предыдущему, так как в начале описываемого процесса счетный триггер 16 измейил свое состояние на противоположное. В результате открывается силовой ключ второго плеча вентильного преобразователя 1, ток в нем начинает нарастать, что соответствует новому полупериоду работы системы. Далее описанные процессы повторяются. Стабилизация выходного сигнала вентильного преобразователя 1 осуществляется следующим образом. По достижении выходньгм сигналом величины, при которой напряжение на выходе резистивного делителя 7 становится близким к напряжению уставки выходное напряжение операционного усилителя 9, равное усредненной за несколько периодов усиленной разности указанных напряжений, уменьшается, в результате чего уменьшается с1мплитуда тока на первичной стороне вентильного преобразователя 1, а значит, и величина выходного сигнала последнего. В результате происходит стабилизация выходной величины на заданном уровне, определяемом напряжением и причем передача энергии 1носит непрерывный характер. Изг- енение тока нагрузки приводит за счет описанного процесса стабилизации к изменению напряжения на выходе операционного усилителя 9, т.е. агушлитуда первичного тока вентильного преобразователя 1 изменяется. Однако, .так как скорость изменения тока в первичной цепи постоянна (она определяется индуктивностью, ограничивающей ее величину)., то изменение амплитуды первичного тока осуществляется за счет изменения рабочей частоты вентильного преобразователя 1, причем с уменьшением тока нагрузки рабочая частота возрастает. Однако вследствие инерционности силовых ключей вентильного преобразователя 1 верхнее значение рабочей частоты не может быть сколь угодно большим, поэтому диапазон отдаваемых в нагрузку токов ограничен снизу. Для расммрения его при переходе к малым токам нагрузки осуществляется дискретный принцип регулирования. Если ток нагрузки уменьшается настолько, что напряжение на неинвертирующем входе тре.тьего компаратора 14 становится меньше порогового , то запирается диод 12 и второй компарат6р 13 переходит в состояние логического О, Выходное состояние логи ческого элемента 17 ИЛИ определяется состоянием первого компаратора 8. Ес л я напряжение, пропорциочапъноё выходному сигналу вентильного преобразователя и снимаемое с резистивного делителя 7, меньше первый компаратор 8 находится в состоянии логической 1 и происходит передача энергии в нагрузку 5 током с амплитудой , определяемой величиной Unop По достижении выходным сигналом величины, при которой напряжение с резистивного делителя 7 больше ,г первый компаратор 8 переходит в состояние логического О, на выходе логического элемента 17 ЙЛЙ- О, аследовательно, на выходах логических элементов 18 и 19 И также состояние логического , т.е. все силовые ключи вентильного преобразователя 1 заперты и передачи энергии в нагрузку 5 не происходит. Напряжение, пропорциональное выходному сигналу и снимаемое с резистивного дели теля 7, снижается, и при уменьшении его ниже Uj,, первый компаратор 8 снова переходит в состояние логической 1, при этом процесс передачи энергии в нагрузку 5 возобновляется Такймобраз6мУ происходит стаёилизация выходной величины вентильного преобразователя 1 на уровне, опре деля емом Для устойчивой работы системы необходимо, чтобы уровни 0,ст, и UycTj отличались не меньше, чем на величину динамического диапазона первого компаратора 8 и операционного усилителя 9, причем ,7 . Ана логичным образом но в обратном направлении осуществляется переход от стабилизации выходного сигнгша на уровне при малых токах нагрузки к стабилизации на уровне U при больших токах., . Таким образом, при предложенном способе управления по отношению к известному способу управления, во первых, увеличивается КПД за счет сохранения непрерывного режима передачи энергии в нагрузку при больших токах и ограничения верхней рабочей частоты при малых токах нагрузки,, во-вторых, улучшается качество стабилизации вьаходного сигнала за счет стабилизации его среднего значения и уменьшения пульсаций. В Вентильном преобразователе,в котором реализован предлагаемый

)JSS;ejaiS 4-2uiBiF.S rt Vi : Способ, осуществлялась стабилизация выходного напряжения с точностью ±0,5% при изменении тока нагрузки от 1 мА до 5 А. Формула изобретения Способ управления вентильным пре«эбразователем со стабилизацией выходного сигнала, силовая часть которого выполнена по схеме с индуктивным ограничением скорости изменения тока на его первичной стороне, состоящий в том, что сравнивают напряжение , пропорциональное выходному сигналу преобразователя, с первым напряжением уставки и формируют сигналдля запирания всех силовых ключей ве нтильного преобразователя в момент, когда напряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, превышает первое напряжение уставки, а до этого момента осуществляют непрерывную коммутацию силовых ключей вентильного преобразователя , отличающийся тем, что, с целью повышения КПД при изменении тока нагрузки в широких пределах и для повышения качества стабилизации, формируют второе напряжение уставки, пороговое напряжение и сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока на первичной или вторичной стороне преобразователя, интегрируют разность между напряжением, пропорциональным выходному сигналу преобразователя, и вторым напряжением уставки , полученное управляющее напряжение сравнивают с сигналом, пропорциональным мгновенному значению тока, если управляющее напрямсение больше порогового напряжения, и сравнивают Сигнал, пропорциональный мгновенному значению тока, с пороговым напряжением, если управляющее напряжение меньше порогового, в моменты равенства сравниBaeitt X напряжений осуществляют непрерывную коммутацию (переключение силовых ключей, а когда выходной Сигнал преобразователя превышает первое напряжение уставки, формируют сигнал для запирания все.х силовых ключей преобразователя. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Патент ФРГ № 2209900, кл. Н 02 М 3/22, 1975. 2.ЭТвА. Под ред. Ю.И.Конева, вып. 8, с. 136, рис. 4, 3. Патент ФРГ №2501527-, кл. Н 02 Р 13/22, 1976.

J7-F

5-

ы:г

«