Устройство для управления и защиты преобразователя

(46) (7) авто ском4 овательский ин м ники приированныхектроники мати истем(54 Я УПР 1 ЕНИЯ АЩИ СУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИЯМИ ГКНТ СССР 13361714358866/24-005,01,8815.1,89. БюлНаучно-исслеатики и элекинституте авправления иВ.Н.Мишин, В(57) Изобретение относится к электротехнике, Целью изобретения являетсяуменьшение массы и габариты устройст",ва, Устройство для управления и защиты преобразователя содержит цепи управления и защиты, а также снабженоинвертирующим усилителем 35, включенным между выходом входного выпрямителя2 и входами напряжения двух поооговыхорганов 8 и 13, В пределах областибезопасной работь 1 силовь 1 х транзисторов инвертора 4 уровень устновки тока,на который реагируют пороговые органы8 и 3 защиты, изменяется обратно пропорционально уровню выходного напряжения входного выпрямителя 2, 7 ил,Изобретение относится к преобразовательной технике и ггояет быть использовано во вторичных источниках питаниясо звеном повышенной частоты, является дополнитепьньгм к основному авт,св, Р 1336171,влечь изобретения - уменьшение массы и габаритов устройства.На фиг. 1 представлена функциональОная схема устройства для управленияи защиты преобразователя; на Фиг. 2 -пример построения схемы порогового ..Органа 4 на фиг, 3 - один из вариантовIусилителя ,мощности: на Фиг, 4 - пример 15вьгполнения схемы главного ключа защи-:Фты; на фиг, 5 - вариант блока задержки включения; на фиг, 6 - схема инвертирующего усилителя; на фиг, 7 - область безопасной работы транзистора 20КТ 840 А в качестве примера для описания работы устройства,Устройство для управления и зашитыпреобразователя ( фиг. 1) содержит входом 1 подключенный к питающей сети 25входной выпрямитель 2, первый выходкоторого через датчик 3 тока соединенс первым входом инвертора 4, выход которогс через выходной выпрямитель 5подключен к входу фильтра 6, усилитель 7 мощности, выходом соединенгп 1 йс управляющим входом иызерторе 4 пороговый орган 6, входом подключенныйк вьгходу датчика 3 тока и усилитель9 обратной связи, первый вход которо.го соединен с зажимом 10 для подключения источника спорного напряжения,а выход подключен к первому входу 11широтно-импульсного модулятора 12,Устройство содержит также второй по,роговый, орган 13, входом соединенныйс .выходом датчика 3 тока, а выходом -с первым входом элемента ИЛИ 14 и анодом первого диода 15, триггер 16 за, щиты, установочньгй вход которого подключен к аноду второго диода 17 и выходу первого порогового органа 8,счетный вход - к синхронизирующемувыходу 18 широтно-импульсного модулятора 12, инзертирующий выходу - черезэлемент 19 памяти к первому входуглавного ключа 20 защиты, а неинвертирующий выход соединен с катодомтретьего диода 21, бпск 22 задержкивключения, вход готорого подключен55к заяииу 23 для подключения положи"тельного источника питания, а выходсоединен с вторыгг входом 24 широтно-"импульсного модулятора 12, первый порогсвый элемент 25, один вход которого подключен к з ажггггу 23 для гг;дг.г:гчения положительного источника питания, выход - к второму входу элемента ИЛИ 14, а второй вход соединен свыходом второго порогового элемента26 входом подключенного,к., зажиму 27для подключения источника питанияотрицательным напряжением, причем выход фильтра 6 соецинен с зажимом 28дпя подключения нагрузки через датчик29 выходного параметра, выход которого подключен к второму входу усилителя 9 обратной связи, выход 30 широтно-импульсного модулятора 12 соединен с входом усилителя 7 мощности,анод третьего диода 21 подключен ктретьему входу 31 гпирстло-импульсного модулятора 12, катодам первого15 и второго 17 диодов и аноду четвертого диода 32, катодом соединенногос вторым входом главного ключа 20 защиты, третий вход которого подключенк выходуэлемента ИЛИ 14 второй выход входного выпрямителя 2 соединенс токоограничиваюшим дрссселем 33,зашунтирозанным пятьгм циоцом 34, анодкоторого подключен ко второму входуинвертора 4,Устройство для управления и защитыпреобразователя дополнительно включает в себя инвертирующий усилитель 35,цва входа которого соединены с выхоцом входного вьгпрямителя 2, а выходподключен к дополнительиьгм входампервого 8 и второго 13 порогового органа,Широтно-импульсный модулятор 12 может содержать ( Фиг, 1) задающий генератор 36, выходом ггодглюченный к счетному входу триггерь 37 управления и к входу дифцепи 38, генератор 39 пилообразного напряжения, вход которогосоединен с выходом дифцепи 38 и спервым входом элемента ИЛИ 40 выходс первым входом компаратора 41обратной связи, второй вход которогоявляется первым входом 11 широтно- импульсного модулятора 12, а выход подключен к второму входу элементаИЛИ 40, третий вход которого служит входом 24 широтно-импупьсного модулятора 2, а выход соединен с управляющим входом ключа 42 паузы, причем выходы триггера 37 управления через диоды 43 и 44 образуют выход 30 широтно- импульсного модулятора 12 и через диоды 45 и 46 соединены с силовым вхо 1522345дом ключа 42 паузы, являющимся третьимвходом 31 юиротна-импульсного модулятора 12, синхронизирующим выходам 18 которого является выход генератора 36.Пороговый орган 8 или 13 содержит( см, фиг, 2) компаратор 47, на входекоторого включен измерительный резисторный мост 48, в плечо которого включен датчик 3 тока, а выход компаратара 47 подключен к светодиоду оптоциоднай пары 49, управляющей полевым транзистором 50, выход которого являетсявыходом порогового органа 8 или 13,Усилитель 7 мощности для транзистор-ного инвертора Й, построенного напримерпо мостовой схеме включает в себя (фиг,) два идентичных усилителя51 и 52 мощности дчя управления силовыми транзисторами разных диагоналей 20моста, причем каждый из них может состоять (см, фиг, 3) из резистора 53,соединяющего зажим 23 для подключенияисточника питания положительный напряжением с входом усилителя 51 и 52 мощ ности и стабилитропам 54 и блока 55для управления силовым транзисторнымключем, вход которого соединен с анодом стабилитрана 54, через диод 56 -с общей шикай схемы управления, а через резистор 57 с зажимом 27 для подключения источника питания отрицательным напряжениемГлавный ключ 20 защиты содержит(фиг, 4) биполярный транзистор 58,базоэмиттерный переход которого черезстабилитрон образует третий вход главного ключа 29 защиты, и гибридную полупроводниковую пару 59, эмиттер ацнопереходного транзистора которой являетсяЩпервым входом ключа 20, а анод тиристора составляет второй вход главного ключа 20 защитыБлок 22 задержки включения представляет собой ( фиг. 5) пороговый элемент,5с времязадающей цепью по входу,Инвертирукхций усилитель .35 можетсодержать ( фиг6) операционный усилитель 60, к входу которого подключеныдва делителя, состоящие из стабилитроОнов 61, 62 и резисторов 63, 64,На фиг. 7 представлен пример области 65 безопасной работы конкретноготранзистора (КТ 840 А), эона 66 безопасной работы, реализуемая пороговым органом 13, имеющим постоянную величину опорного напряжения, и эона 67,реализуемая пороговым органом 13 сизменяемым опорным напряжением,Устройство для управления и защить 1преобразователя работает. следующим об-раз ам,При подаче сетевого напряженияна вход 1 входного выпрямителя 2,в качестве которого может быть использован диодиый мост сС-фильтрам навыходе, на его выходах возникает пос-,тоянное напряжение. поступающее черездатчик 3 тока н такоограничивающийцрассель 33 на входы инвертара 4, Однавременно поступает напряжение насхему управления, и канал управления,образованный задающим генератором 36и триггерам 37 управления, формируетимпульсы управления с коэффициентомз аполнения ъ =О, 5,0При наличие на выходе триггера37 управления напряжение логическойединицы диод 43 или 44 закрыт и токот положительного источника 23, протекая через резистор 53, стабилитрон54 и,циад 56, запирает управляющийклэч блока 55 для управления силовымтранзисторным ключом, При этом силовой ключ инвертора открывается. Приналичии на выходе триггера 37 управлею 4 я напряжение лагическага нуля диад 43 или 44 открыт, ток положительного источника 23 протекает через нега, диод 56 запирается, а управлясщий ключ 55 отпирается током отрицательного источника 27 через резистор57, При этом силовой ключ инверторазакрывается, Выходные импульсы задающего генератора 36 прсдифференцированные дифпепью 38, через элемент ИЛИ40 открывает ключ 42 паузы на времябестаковой паузы, перекрывающей подлительности, например, для мостового преобразователя суммарное времяканала управления и выключения силовых транзисторов инвертара, котороескладывается из времени спада и времени рассасывания неосновных носите" .лей, Ключ 42 паузы через диады 45 и46 отсекают ат импульса управленияна выходе триггера 37 временной интервал, равный длительности бестоковой паузы. В момент пуска, до истечения промежутка времени, достаточногодля окончания переходных процессовво входном выпрямителе 2 и в источнике питания схемы управления, на выходе блока 22 задержки включения присутствует положительное напряжение,через элемент ЛЛК 40 атпирающее ключ42 паузы, который через диоды 45 и,46 блокирует выходы триггера 37 у- ; равления и силовые транзисторы инвер тора 4 остаются закрытыми, По истечении времени задержки, определяемой 1 блоком 22 задержки включения, на его , ,выходе Формируется. напряжение, близ; кое к нулю, и с третьего входа элемента ИЛИ 40 снимается сигнал запрета, Импульсы управления с выхода 30 широтно-импульсного модулятора 12 усиливаются усилителем 7 мощности и поступают на базы силовых транзисторных ключеи инвертора 4, Инвертор запускается, и его выходное напряжение, 15 ,выпрямленное, например, двухполупериодным выпрямителем 5 и отфильтрован.т ное ЬС-Фильтром 6 поступает через датчик 29 выходного параметра на зажим 28 для подключения нагрузки, С20выхода датчика 29 выходного параметра напряжение обратной связи и опорное напряжение зажима 10 подается на выходы усилителя 9 обратной связи, с выхода которого их усиленная разность 25 поступаеюг на второй вход компаратора 41 обратной связи, На первый вход компаратора 41 подается линейно нарастающее напряжение с выхода генератора 39 пилообразного напряжения, синхронизи руемого выходными импульсами дифцепи 38. Б случае возникновения разницымежду напряжением обратной связи и опорным напряжением на выходе компара 35 тора 41 формируются положительные импульсы дпительностью, пропорциональной величине указанной разницы, которые через элемент ИЛИ 40 открывает ключ 42 паузы, блокирующий выходы триггера 37 управления и тем самым изменяют коэффициент заполнения инвертора в сторону уменьшЕния или увеличения в зависимости от знака возмущающего воздействия,При уменьшении напряжения питания схемы управления на зажимах 23 и 27 до недопустимой величины срабатывают пороговые элементы 25 и 26, которйе могут быть построены по схеме триггера Бмидта и через элемент ИЗ%14 и транзистор 58 на управляющий электрод тиристора гибридной пары 59 глав.ного ключа 20 защиты поступает отпирающий импульс, Тиристор открывается и через диод 32 и диоды 45 и 46 блокирует выходы триггера 37 управления после чего преобразователь полностью отключается Наличие этой защиты диктуется как необходимость поддержания йормальной работы схемы управл;:кня,так и жесткими требованиями по об.спечению номинальной величины базового тока силовых транзисторных ключей,недостаточность которого при макси.мальном токе коллектора может привести к перегреву силовых транзисторов,к выходу их из строя,Пороговые органы 8 и 13 настроенына разные уровни тока, причем пороговый орган 8, настроенный на уровень,назначительно превышающий уровень номинального тока первичной обмотки силового трансформатора, работает в режиме токовой отсечки, и пороговый орган 13, настроенный на. большую величину тока относительно порогового органа 8, через элемент ЕЛИ 14 и главный ключ 20 защиты полностью отключают преобразователь, Такое построение вызвано необходимостью повышениянадежности преобразователей, Оно прзволяет осуществить страховку системы токовой отсечки в случае ее сбоя,При увеличении тока нагрузки, коротком замыкании на выходе преобразователя, возникновении сквозного токав инверторе 4 или замагничивания сердечника силового трансформатора инвертора 4 на интервале пуска выходной ток входного выпрямителя 2, представляющий собой сумму тока первичной обмотки силового трансформатораинвертора 4 и его тока намагничивания,возрастает, при этом возрастает величина напряжения, снимаемого с датчика 3 тока на вход порогового органа8. При достижении пороговой величины напряжение на выходе резисторного моста 48 меняет знак и компаратор47 формирует на светодиоце оптопары49 положительный импульс, после чего транзистор 50 запирается током фотодиода оптопары 49 и триггер 16 защиты, ранее приведенный в исходноесостояние по счетному входу импульсомзадающего генератора 36, опрокидывается, На его неинвертирующем выходевозникает напряжение логического нуля, в связи с чем выходы триггера 37управления блокируются через диоды45 и 46 и диод 21, и силовые транзисторы инвертора 4 запираются, На инвертирующем выходе триггера 16 защиты появляется напряжение логической единиць 1, которым заряжается конденсаторэлемента 19 памяти до величины, пропорциональной отсекаемому интервалу5работы, Это явление приводит разработчика к расчетному завышению требуемых максимально допустимых параметров силовых транзисторных ключей, что в конечном итоге приводит к увеличению массы и габаритов преобразователя и его удорожанию, Для устранения этого недостатка в предлагаемом устройстве для управления и защиты преобраэоратсля введен инвертирующий усилитель 35, позволяющий уменьшить величину опорного напряжения пороговых органов 8 и 13 нри увеличении напряжения питающей, сети и наоборот, что способствует смещению зоны 67 безопасной работы, контролируемой защитой в сторону возрастания тока коллектора силовых транзисторных ключей инвертора при уменьшении напряжения питающей сети и наоборот в пределах конкретной области бе зопасной работы 65. Инверти- рующий усилитель 35 реализует следушую зависимость: Б аь о = К (Оьй - где П- выходное напряжение операВЬ боционного усилителя 60;К - коэффициент усиления опер ационного усилителя;1 Т- напряжение на стабилитроне 62, оэ - напряжение на резисторе 63.Ограничение в сторону увеличения тока коллектора легко осуществляется самим операционным усилителем 60 при соответствующих К и минимальной вели" чине напряжения на резисторе 63, соответствующей минимуму сетевого напряжеф ния, С выхода усилителя 60 напряжение поступает на входы опорного напряжения пороговых органов 8 и 13, уменьшая ил увеличивая порог срабатывания их при увеличении или снижении напряжения, а следовательно, и напряжения на выходе входного выпрямителя 2, Таким образом, эона 66 безопасной работы силовых транзисторных ключей, обеспеченная базовой схемой сдвигается в сторону больших значений при снижении напряжения на выходе входного выпрямителя 2 и принимает вид 67.Формула иэ обретенияУстройство для управления и защиты преобразователя по авт, св, У 1336171, отличающееся тем, что, с целью уменьшения массы и габаритов, оно снабжено инвертирующим усилителем, входные выводы которого подключены к выходу входного выпрямителя, а выходк входам опорного напряжения первог и в э.ого пороговых органов,9 15223/ 1 Оимпульса управления. Следующий тактовый импульс задающего генератора 36,возвращает триггер 16 защиты по счетному входу в исходное состояние, и че-.рез силовые ключи инвертора 4 сновапротекает ток. При наличии устойчивости перегрузки триггер 16 защиты многократно сра.батывает, отсекая по времени зону перегрузки и уменьшая длитель ность импульса инвертора, одновременно заряжая конденсатор элемента 19 па.мяти, По достижении напряжением наконденсаторе величины, достаточнойдля срабатывания однопереходного тран зистора гибридной пары 59, тиристорглавного ключа 20 защиты отключаетпреобразователь в целом, Если перегрузка кратковременная, то токовая отсечка защищает интервал беэ отключения преобразователя, Постоянную времени элемента 19 памв;и выбирают изусловия недопустимого перегрева силовых транзисторов, В связи с т.ем,что времяэапирания силовых транзисторов инвертора 4 с момента выдачикоманды на выключение определяется еговременем спада и рассасывания, то дляограничения тока в течение этого времени в цепь питания инвертора 4 вклю чен токоограничивающий дроссель 33 собратным диодом,При выборе уровня срабатывания максимальной защиты, функцию которой реализует пороговый орган 13, руководствуются обычно возможностью возник 35новения режима короткого замыкания нагрузки инвертора при максимальном напряжении питающей сети, Поэтому награфике области 65 безопасной работы 4 О: скважности импульсов ) определяется граничная точка, соответствующая максимяль.но допустимому току силового транзисторного ключа при максимальном заданном напряжении на коллекторе, При работе преобразователя со стабилизацией,уровня выходной мощности возникаетусловие, когда максимальному напряже Онию питающей сети соответствует минималыщй ток коллектора при номиналь-. ной нагрузке, а минимальному сетевомунапряжению - максимальный коллекторный ток, что приводит к недоиспользованию силового транзистора по токупри наличии стабильного опорного напряжения пороговых органов 8 и 13, которые реализуют зону 66 безопаснойСоставитель О.МещеряковРедактор М,Недолуженко Техред .П.Сердюкова оРМ,По. Подписи л. Гагарина, 10 1 11водственно-издательский комбинат Патент , г. Ужг Заказ 6975/53 Тираж б 08 ВНИИПИ Государственного комитета по изобретени 113035, Москва, Ж, Раушскаяи открытиям при ГКНТ СССРнаб., д. 4/5