Способ управления вентильным преобразователем

ОПИСАНИЕИЗОБРЕТЕНИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ о 1748792 Союз Советских Социалистических Республик(22) Заявлено 1206,78 (21 2632466/24-07с присоединением заявки Йо(23) ПриоритетОпубликовано 150780,бюллетень М 26Дата опубликования описания 150780 з 1)м. кл. Н 02 Р 13/18 Государственнцй комитет СССР по делам изобретений н открытий(72) Авторы изобретения Б,А,Глебов 1 Т.Н.)(арикова и А.А.Новиков Московский ордена Ленина энергетический институт(54) СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ВЕНТИЛЬНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ Изобретение относится к силовой полупроводниковой преобразовательной технике и предназначено для применения в устройствах для управления вентильными преобразователями, используемыми в системах электропитания, электроприводе, электротермии и электротехнологии.Известен способ управления ключом в однотактном преобразователе, состоящий в том, что силовой ключ замыкается на время, пока в контур, включенный с ним последовательно, не сообщится достаточно энергии.относительно заданногб значения Щ .Недостаток способа состоит и том, что передача энергии в контур происходит с потерями, так как разность между напряжением питания и напряженем на элементах контура падает на ключевом элементе.Известен инвертор с индуктивным ограничением тока в первичной цепи, в котором управление силовыми ключами осуществляется устройствбм, обеспечивающим широтно-импульсный способ регулирования 21 .Недостатком используемого йринципа регулирования, помимо сложности схемной реализации, является дискретность процесса передачи энергии навторичную сторону. Это заставляетувеличивать импульсную передаваемуюэнергию при заданном ее среднем значении, что ведет к потерям в трактепередачи мощности. 1 О Наиболее близким по техническойсущности к изобретению является опособ управления, реализованный в устройстве, силовая часть которогопредставляет собой двухтактный инвертор с индуктивным ограничением скорости изменения тока на первичнойстороне. 3 устройстве сравниваютнапряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, с первым напряжением уставки и Формируютсигнал запирания всех силовых ключейвентильного преобразователя в момент,когда напряжение, пропорциональноевыходному сигналу, превышает первоенапряжение уставки, а до того момента осуществляют непрерывную коммутацию силовых ключей вентильного нреобразователя 31,Указанный способ управления вентильным преобразователем имеет ряд50 1 недостатков: во-первых, регулирование носит "старт-стопный" характер,что означает дискретность процессапередачи энергии в нагрузку, вызывающую снижение КПД, во-вторых,"старт-стопный" характер регулирования ухудшает качество стабилизациивыходного сигнала, что вызываетсяследующими причинами: передача энергии в нагрузку происходит до тех порпока емкостный фильтр на выходе вен-тильного преобразователя не эарядится до напряжения, при котором выходной сигнал достигает заданного значения, дальнейший процесс подзарядаукаэанной емкости происходит по следующей команде "Старт", до поступле,ния которой емкость фильтра разряжается током нагрузки, что вызываетпоявление пульсаций выходного сигнала.Таким образом, с изменением нагрузки меняется и среднее значениепоследнего, так как меняется амплитуда пульсаций выходного сигнала, аего максимальное значение стабилизируется.Цель изобретения - повышение КПДпри изменении тока нагрузки в широких пределах и повышение качествастабилизации.Поставленная цель достигается тем,что при способе управления вентильным преобразователем со стабилизацией выходного сигнала, силовая частькоторого выполнена по схеме с индуктивным ограничением скорости изменения тока на его первичной стороне,состоящем в том, что сравнивают напряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, с первымнапряжением уставки и формируют сигнал для запирания всехсиловых ключей вентильного преобразователя вмомент, когда напряжение, пропорциональное выходному сигналу, превышает первое напряжение уставки, а доэтого момента осуществляют непрерывную коммутацию силовых ключей вентильного преобразователя, формируют второе напряжение уставки, пороговоенапряжение и сигнал, пропорциональный мгйовенному значению тока напервичной или вторичной сторонепреобразователя, интегрируют разность между напряжением, пропорциональным выходному сигналу преобразователя, и вторым напряжениемуставки, полученное управляющее55напряжение сравнивают с сигналом,пропорциональным мгновенному значвйию тока на первичной или вторичнойстороне преобразователя, еслиуправляющее напряжение больше порого-вого напряжения, и сравнивают сигнал,пропорциональный мгновенному значению тока, с пороговым напряжением,если управляющее напряжение меньше";порогового, в моменты равенства сравниваемых напряжений осуществляют непрерывную коммутацию (переключение силовых ключей, а когда выходной сигнал преобразователя превышает первое напряжение уставки, формируют сигнал для запирайия всех силовых ключей преобразователя.На фиг. 1 дана структурная схема . системы управления вентильным преобразователем, в которой реализован укаэанный способ; на фиг, 2 - временные диаграммы в системе управления.Схема ( фиг.1) 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 6 тока, резистивный делитель 7, первый компаратор 8, операционный усилитель 9, резистор 10, интегрирующая емкость 11, диод 12, второй компаратор 13; третий компаратор 14, токоограничивающий резистор 15, счетный триггер 16, логический элемент 17 ИЛИ, логические элементы 18 и 19 И, согласующие каскады 20 и 1.На фиг. 2 обозначены: 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 сигналы 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 выпрямитель 3 на емкостный фильтр 4 и нагрузку 5. Выход резистивного делителя 7 соединен с инвертирующим входом первого компаратора 8, на неинвертирующий вход которого подано первое напряжение уставки 0, и через резистор 10 с инвертирующим входом операционного усилителя 9, к выходу которого и к инвертирующему входу его"же подключена интегрирующая емкость 11, а к неинвертирующему входу - источник второго напряжения уставки О . Выход операционного усилителя 9 соединен с неинвертирующим входом второго компаратора 13 и через диод 12 с инвертирующим входом второго компаратора 13. Яеинвертирующий вход третьего компаратора 14 соединен с инвертирующим входом второго компаратора 13 и через токоограничивающий резистор 15 подключен к источнику порогового напряжения Ц . Выход датчика 6 тока на первично 4 стороне силовой части вентильного преобразователя 1 подключен к инвертирующему входу третьего компаратора 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. 5 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 согласующие 10 каскады 20 и 21 к управляющим цепям силовых ключей силовой части вентиль- ного преобразователя 1,Способ осуществляется следующим образом. 15При подключении системы к питающей сети напряжение на емкостном фильтре 4 равно нулю. Соответственно равен нулю и сигнал с резистивного делителя 7, Поэтому первый компаратор 8 устанавливается в состояние логической "1" на выходе, а операционный усилитель 9 переходит 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 З 0 выходного напряжения операционного усилителя 9 на величину падения на открытом диоде 12, Диод 12 открыт вследствие протекания тока через него и токоограничивающий резистор " 5 35 в источник О р, величина которого выбирается меньше максимальной величины положительного напряжения на выходе операционного усилителя 9. В результате второй компаратор 13 находится в состоянии логической ф 1". на выходе логического элемента 17 ИЛИ - также логическая "1", и, тем сакам, выходное состояние элементов 18 и 19 И определяется состоянием счетного триггера 16 и третьего компаратора 14, на инвертирующем входе которого присутствует сигнал датчика 6 тока, который в начальный момент равен нулю, а затем линейно нарастает, повторяя форму тока в силовой цепи на фиг,2 кривая 22). При сравнении этого напряжения с напряжением на неинвертирующем входе третьего компаратора 14 он переходит в состояние логического "О" на 55 фиг,2 кривая 23), при этом оба логических элемента 18 и 19 И переходят в состояние логического "01 независимо от предыдущего их состояния на фиг.2 кривые 26 и 27), а счетный триггер 16 меняет свое состояние на противоположное на фиг,2 кривые 24 и 25). Оба силовых ключа вентильного преобразователя 1 .запираются, что предотвращает режим "сквозных" токов, 65 и осуществляется вывод энергии, накопленной в индуктивности, ограничивающей скорость изменения тока первичной цепи. Величина тока в первич- ной цепи вентильного преобразователя 1 уменьшается и третий компаратор 14 возвращается в состояние логической ф 1" на выходе. При этом на выходелОГических элементов 18 и 19 И устанавливается состояние, противополож- . ное предыдущему, так как в начале описываемого процесса счетный триггер 16 изменил 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 осу- ществляется следующим образом.По достижении выходнюе сигналом величины, при которой напряжение навыходе резистивного делителя 7 становится близким к напряжению уставки Ос выходное напряжение операционного усилителя 9, равное усредненной за несколько периодов усиленной разности указанных напряжений, уменьшается, в результате чего уменьшается амглитуда тока на первичной стороне вентильного преобразователя 1, а значит, и величина выходного сигнала последнего. В результате происходит стабилизация выходной величины ва заданном уровне, определяемом напря- . жением О, причем передача энергии носит непрерывный характер.Изменение тбка нагрузкиприводит за счет описанного процесса стабилизации к изменению напряжения на выходе операционного усилителя 9, т.е. амплитуда 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 осу" ществляется за счет изменения рабочей частоты вентильного преобразова" теля 1, причем с уменьшением тока нагрузки рабочая частота возрастает. Однако вследствие инерционности силовых ключей вентильного преобразователя 1 верхнее значение рабочей частотыве может быть сколь угодно большим, поэтому диапазон отдаваемых в нагрузку токов ограничен снизу. Для растаирения его при переходе к малым токам нагрузки осуществляется дискретный принцип регулированияЕсли ток нагрузки уменьшается настолько, что напряжение ва неинвертирующем входе третьего компаратора 14 становится меньше порогового О, тозапирается диод 12 и второй компара-тор 13 переходит в состояние логи-.ческого фО". Выходное состояние логического элемента 17 ИЛИ определяетсясостоянием первого компаратора 8. Ес-.ли напряжение, пропорциональное выходному сигналу вентильного преобразователя и снимаемое с резистивногоделителя 7, меньше Ото первыйкомпаратор 8 находится в состояниилогической "1" ипроисходит передачаэнергии в нагрузку 5 током с амплитудой, определяемой величиной ОПо достижении выходным сигналом величины, при которой напряжение с резистивного делителя 7 больше О,первый компаратор 8 переходит в состояние логического "О", на выходелогического элемента 17 ИЛИ - "0",а следовательно, на выходах логических элементов 18 и 19 И также состояние логического ."0", т.е. все 20силовые ключи вентильного преобразователя 1 заперты и передачи энергиив нагрузку 5 не происходит. Напряжение, пропорциональное выходному сигналу и снимаемое с резистивного делителя 7, снижается, и при уменьшенииего ниже О , первый компаратор 8снова переходит в состояние логической "1", при этом процесс передачиэнергии в нагрузку 5 возобновляется. 30Таким образом, происходит стабйлизация выходной величины вейтильного преобразователя 1 на уровне, опре деляемом О Для устойчивой работысистемы необходимо, чтобы уровни 350 и О, отличались не меньше, чемна величину динамического диапазонапервого компаратора 8 и операционного усилителя 9, причем Ост,7 О,. Аналогичным образом, но в обратном на- щправлении осуществляется переход отстабилизации выходного сигнала науровне О при малых токах нагрузкик стабилизации на уровне О прибольших токах.Таким образом, при предложенном способе управления по отношениюк известному способу управления, вопервых, увеличивается КПД за счетсохранения непрерывного режима передачи энергии в нагрузку при больших токах и ограничения верхней рабочей частоты при малых токах йагрузки, во-вторых, улучшается качество стабилизации выходного сигналаза счет стабилизации его среднего 55значения и уменьшения пульсаций.В вентильном преобразователе;в котором реализован предлагаемый способ, осуществлялась стабилизация выходного напряжения с точностью +0,5 при изменейии тока нагрузки от 1 мА до 5 А.Формула изобретенияСпособ управления вентильным преобразователем со стабилизацией выходного сигнала, силовая часть которого выполнена по схеме с индуктивным ограничением скорости изменениятока на его первичной стороне, состоящий в том, что сравнивают напряжение, пропорциональное выходному сигналу преобразователя, с первым напряжением уставки и Формируют сигналдля залирания всех силовых ключейвентильного преобразователя в момент,когда напряжение, пропорциональноевыходнсму сигналу преобразователя,превышает первое напряжение уставки,а до этого момента осуществляют непрерывную коммутацию силовых ключейвентильного преобразователя, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения КПД при изменении токанагрузки в широких пределах и дляповышения качества стабилизации, Формируют второе напряжение уставки,пороговое напряжение и сигнал, пропорцибнальный мгновенному значениютока на первичной или вторичной стороне преобразователя, интегрируютразность между напряжением, пропорцйональным выходному сигналу преобразователя, и вторым напряжением уставки, полученное управляющее напряжение сравнивают с сигналом, пропорциональным мгновенному значению тока,если управляющее напряжение большепорогового напряжения, и сравниваютсигнал, пропорциональный мгновенному значению тока, с пороговым напряжением, если управляющее напряжениеменьше порогового, в моменты равенства сравниваейх напряжений осуществляют непрерывную коммутацию переключение) силовых ключей, а когдавыходной сигнал преобразователя превышает первое напряжение уставки,Формируют сигнал для запирания всехсиловых ключей преобразователя.Источники инФормации,принятые во внимание при экспертизе1. Патент ФРГ В 2209900,кл. Н 02 М 3/22, 1975.2. ЭТвА, Под ред. Ю,И.Конева,вып. 8, с. 13 б, рис. 4.3. Патент ФРГ 9 2501527,1 кл, Н 02 Р 13/22, 1976.