Устройство пуска и управления трансформаторно-ключевого преобразователя

(Л ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМГ 1 РИ ГКНТ СССР ОПИСАНИЕ И АВТОРСКОМУ СВИДЕТ(71) Винницкий политехнический институт(57) Сущность изобретения; устройство содержит нуль-.индикатор (10), формирователь импульсов(11), О-триггеры(12,17), одновибраторы (13, 19, 20, 21, 22), элемент 3 ИЛИ (14), элементы 2 И (15, 16), элемент 2 ИЛИ (23). На этапе пуска устройство обеспечивает заряд коммутирующих конденсаторов обоих узлов коммутации трансформаторно-ключевого преобразователя до максимального значения. Это дает возможность достигнуть . коммутационной устойчивости преобразователя в процессе регулирования выходной частоты преобразователя. 2 ил.5 10 20 30 Э 5 40 45 50 55 Изобретение относится к электротехнике, в частности к преобразовательной технике, и предназначено в основном для пуска и управления трансформаторно-ключевыми преобразователями регулируемой частоты, содержащими два узла коммутации, работающими а противофазе, 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 О-триггера, двух элементов.2 И, двух элементов 2 И - НЕ и логического инаертора.Блок управления генерирует две последовательностии 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 нд 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 рэз замкнута (после рэзмыкания первой, в силу принципа действия преобразователя) при Оп п = Отпах Причем, между моментами замыкания второй и размыкания первой управляющих обмоток существует жесткая связь во времени, так как они работают в противофазе в процессе регулирования задающей и, соответственно, выходной частоты преобразователя.В силу вышесказанного блок управления по схеме прототипа не может обеспечить регулирование задающей частоты, а также обеспечить моменты пуска первого и второго узлов коммутации, которые определяют пуск и последующую коммутационную устойчивость преобразователя в целом,Цель изобретения - расширение функциональных воэможностей и повышение надежности устройства и преобразователя в целом за счет выбора момента его пуска.Указанная цель достигается тем, что в устройство пуска и управления трансформа- торно-ключевого преобразователя, включающего трехстержнеаой магнитопровод, 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 нуль-индикатора, О-триггер, С-входом соединенный с выходом формирователя импульсов, два элемента 2 И, введены дополнительный О-триггер, командоаппарат, элемент Э ИЛИ, первый одновибратор, вход которого соединен с инверсным выходом О-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом элемента 3 ИЛИ, выход первого одновибратора соединен с первым входом первого элемента 2 И и со 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 О-триггера, второй вход второго элемента 2 И соединен с инверсным выходом дополнительного О-триггера, выход командоаппарата подключен к общей точке соединения 3-входов О- триггеров, последовательно соединенные второй, третий, четвертый и пятый одновибраторы, вход второго одновибратораподключен 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 выходомвторого элемента 2 И, выход элемента 2 ИЛИ соединен с С-входом дополнительного О-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 управления трансформа- 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 управляющей 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 трансформаторно-ключевого преобразователя, включающего трехстержневой магнитопровод 1, первичную обмотку 2, две вторичные обмотки 3 и 4 и две управляющие обмотки 5 и 6, зашунтированные 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, О-триггера 12. одновибратора13, элемента 3 ИЛИ 14, элементов 2 И 15 и16, дополнительного триггера 17, командо.5 аппарата 18, одновибраторов 19, 20, 21, 22и схемы 2 ИЛИ 23, Выход формирователя .импульсов 11 соединен с С-входом Р-триггера 12, Инверсный выход О-триггера 12соединен с входом первого одновибратора10 13, первый вход элемента 3 ИЛИ 14 соединен с прямым выходом О-триггера 12, второй вход элемента 14 соединен с выходомпервого одновибратора 13 и первым входомпервого элемента 2 И 15, а третий вход эле.15 мента 3 ИЛИ 14 - с первым входом второгоэлемента 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- .20 ду третьего одновибратора 20, выход одновибратора 20 соединен с входом четвертогоодновибратора 21, а его выход - со входомпятого одновибратора 22,Я-входы Р-триггеров 12 и 17 соединены25 в общую точку к которой подключен выходкомандоаппарата 18, Прямой выход дополнительного О-триггера 17 соединен со вторым входом первого элемента 2 И 15, аинверсный выход триггера 17 - со вторым30 входом второго элемента И 16. Выход первого элемента 2 И 15 подключен к первомувходу элемента 2 ИЛИ 23, а выход второгоэлемента 2 И 16 - ко второму входу элемента2 ИЛИ 23. Выход элемента 23 соединен с35 С-входом дополнительного Р-триггера 17.. Вход нуль-индикатора 10 является входомустройства, предназначен для подключенияк входным выводам 9 преобразователя иопределяет момент перехода сетевого на 40 пряжения через нулевое значение. Выход элемента 2 ИЛИ 23 и выход второго одновибратора 19 предназначены для подключения к управляющим входам перво го узла коммутации трансформаторно-ключевого преобразователя, а выход третьего одновибратора 20 и выход четвертого одновибратора 21 предназначены для подключения к управляющим входам второго узла 50 коммутации. Нуль-индикатор 10 может бытьпостроек, например, на интегральном операционном усилителе, работающем в режиме компаратора по переходу входного напряжения через нуль, Формирователь 55 импульсов 11 и одновибраторы 19, 20,21; 22строятся по известной в импульсной технике схеме ждущего мультивибратора и реагируют на спад входного импульса, Одновибратор 13 реагирует нд передний фронт входного импульса.Устройство пуска и управления трансформэторно-ключевого преобразователя (фиг,1) в соответствии с диэграммэми (фиг.2) работает следующим образом.Нэ выходе нуль-индикэтора 10, входом подключенного на напряжение питающей сети Осетр (фиг,2), постоянно генерируется последовательность коротких импульсов 01 о, совпадающих с моментами перехода сетевого напряжения через нулевое значе- ние, Импульсы 010 запускают формирователь импульсов 11, на выходе которого генерируется последовательность импульсов 011 длительностью, равной четверти периода сетевого напряжения,Таким образом, задний фронт импуль. сов 011 на выходе формирователя 11 совпадает с амплитудным знэчением Осетр До пуска кнопка командоаппэрэта 18 замкнута, напряжение нэ его выходе равно нулю и на 3-входы О-триггеров 12 и 17 подается сигнал низкого логического уровня, Следовательно, в этом режиме на инверсных выходах триггеров 12 и 17 поддерживаются сигналы низкого логического 01 г.г и 017.г соответственно. Сигнал низкого логического уровня 017,г поступает на второй вход второго элемента 2 И 16 и на выходе этого элемента также поддерживэется низкий логический уровень 016, Неизменный сигнал низкого логического уровнй 01 г,г до момента пуска (на фиг.2.момент пуска 11) не вызывает срэбатывания первого одновибратора 13 и подключенных к его выходу через элемент З.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 алогический уровень.Пусть в произвольный момент временит 1 (фиг.2) нажимается пусковая кнопка комэндоаппарата 18 и на его выход подается сигнал высокого логического уровня 018, который сохраняется на протяжении работы преобразователя до момента выключения.Одновременно с окончанием первого после момента времени т 1 импульса 011 произой- дет переключение О-триггера 12 (на фиг,2 это момент тг), на его инверсном выходе установится сигнал высокого логическьго уровня и сработает первый одновибрэтор 13, Времязадэющие элементы этого одновибраторэ подобрэны таким образом, что длительность импульса 01 з на его выходе составляет половину периодэ сетевого на.- пряжения.Таким образом, момент срабатыванияО-триггерэ 12, передний и задний фронты1020253040 45 50 но, нэ выход элемента 2 ИЛИ 23,Последовательность генерации импульсов одновибраторами 19, 20, 21, 22 иллюстрируется диаграммами Ои, 01 д, Ого, Ог 1, Огг (фиг.2), из которых видно, что каждый из одновибрэторов аырэбатывает импульс соответствующей длительности по заднему фронтуимпульса, поступившего на его вход, Непрерывная генерация широких и узких импульсов, управляющих двумя узлами коммутации преобразователя обеспечивэетсякольцевой схемой, состоящей из упомянутых одновибрэторов и элемента 3 ИЛИ 14Из диаграмм фиг.2 при 1тз видно, чтоимпульс с выхода пятого одновибрэторэ 22(Огг) при т - в, поступая на первый вход второго элемента 2 И 16 и выход элемента 2 импульса 01 з на выходе одновибратора 13 совпадают с амплитудным значением Осети. Импульс 01 з, пройдя через элемент 3 ИЛИ15 (напряжение 014, фиг.2) вызовет непрерывную генерацию последовательностей импульсов одновибраторами 19, 20, 21, 22, Благодаря подбору времязадающих цепей, одновибрэторы 20 и 22 генерируют широкиеимпульсы Ого и Огг,длительность которых соответствует длительности включенного состояния управляемого ключа переменного тока преобразователя (или длительности закороченного состояния управляющей обмотки преобразователя), э одновибрэторы21 и 19 генерируют короткие импульсы Ог 1и 01 д, соответствующие моментам окончания широких импульсов Ого и Огг, которые подаются на узлы коммутации для размыкания упрэвляющей обмотки преобразователя. Созданный первым одновибратором 13 импульс 01 з пройдет также через первыйэлемент 2 И 15, т.к. на втором входе этого элемента поддерживается высокий логический уровень 017,1 поступивший с прямоговыходэ дополнительного О-триггера 17, С выхода элемента 2 И 15 импульс 015 продолжительностью полпериодэ Осети пройдет навыход элемента 2 ИЛИ 23. По заднему фронту (с = тз) этого импульса (первый импульс награФике Огз) произойдет переключение дополнительного О-триггерэ 17, т.к, выход элемента 23 соединен с С-входом О-триггерэ17. С прямого выхода этого триггера нэ второй вход первого элемента 2 И 15 будетподан сигнал низкого логического уровня, который исключит из дальнейшей работыэлемент 2 И 15. С инверсного выхода триггера 17 нэ второй вход второго элемента 2 И 16 будет подан сигнал высокого логического уровня (г = з), который обеспечит прохождение импульсов .с выходэ пятого одновибрэторэ 22 на выход второго элемента 2 И 16 (нэпряжение 016) и, соответствен 1775821ИЛИ 23, поступает также на третий входэлемента 3 ИЛИ 14. На первом и второмвходах данного элемента 3 ИЛИ 14 на этоминтервале времени поддерживается сигналнизкого логического уровня (012,1 и 01 з). Этопозволяет импульсу с выхода пятого одновибратора 22 пройти через элемент 3 ИЛИ14 на его выход и своим задним франтомвновь запустить последовательно соединенные одновибраторы 19, 20, 21, 22. Издиаграмм 02 о, 022 видно, что широкие импульсы, вырабатываемые одновибраторами20 и 22, определяют длительность закороченного состояния соответствующей управляющей обмотки преобразователя(преобразователь содержит две управляю, щие обмотки), т.е. длительность замкнутогосостояния управляемого ключа переменного тока (узла коммутации).Так как по принципу действия преобразователя узлы коммутации поочередно содинаковой длительностью закорачиваютуправляющие обмотки, то для обеспеченияодинаковой длительности импульсов 02 о,022 в процессе регулирования частоты предусмотрено объединение органов регулировки одновибраторов 20 и 22.Обратим внимание, что дополнительнь 1 й О-триггер 17 играет роль коммутатора,переключающего выходной элемент 2 ИЛИ23 с первого элемента 2 И 15 (после прохождения через 2 ИЛИ 23 импульса длительностью полупериода Осети) на второй элемент2 И 16, с выхода которого начинает поступать последовательность импульсов регулируемой длительности с выхода пятогоодновибратора 22. При выключении устройства, т,е. замыкании кнопки и подаче низкого логического уровня на Б-входыО-триггеров 12 и 17 в момент т = т 6, в результате переключения триггеров 12 и 17 напрямом выходе триггера 12 установится высокий логический уровень, а на инверсномвыходе триггера 17 - низкий логическийуровень,Сигнал высокого логического уровня спрямого выхода триггера 12 (012, 1) поступитна первый вход элемента 3 ИЛИ 14 и прервет генерацию импульсов адновибраторами 19, 20, 21, 22. Сигнал низкого,логического уровня 017,г с инверсного выхода триггера 17 поступит на второй вход второго элемента 2 И 16 и запретитпрохождение импульсов с выхода одновибратора 22 на выход элемента 2 И 16 и, соответственна, на выход элемента 2 ИЛИ 23.Таким образом, выходными сигналамиустройства пуска и управления трансформато рно-кл юче ваго преобразователя являются сигналы: 1, Широкие импульсы Оз для включения первого узла коммутации.2, Узкие импульсы 01 е, следующие позаднему фронту импульсов 02 з, для вь 1 клю 5 чения первого уЗла коммутации.3. Широкие импульсы Оро для включения втоаого узла коммутации. Переднийфронт этих импульсов совпадает с заднимфронтом,10 Длительности ил 1 пульсов 02 з и 02 о одинаковы.4. Узкие импульсы 021, следующие позаднему фронту импульсов 02 о, для выключения второго узла коммутации.15 По сравнению с прототипом особенности генерации этих импульсов, определяющие достижение положительного эффекта,следующие:1, На этапе пуска первым Генерируется20 управляющий импульс 02 з при т = 12, передний франт которого совпадает с максимумом Осети. Это позволяет зарядитькоммутирующий конденсатор первого узлакоммутации до максимального напряжения25 и обеспечить ега последующую коммутационную устойчивость, Длительность этогопервого импульса равна половине периодаОсети и в течение этого 112 13) интервала вре.мени остается закароченнай первая управ 30 ляющая обмотка преобразователя. При т ==1 з по заднему фронту 02 з генерируется короткий импульс 019 и происходит размыкание первой управляющей обмотки первымузлом коммутации, По заднему Фронту 01 э35 при 1 = т 4 генерируется широкий импульс02 о, подаваемый на второй узел коммутации.Длительность этого импульса соответствуетчастоте управления преобразователем в режиме текущей работы и определяется вре 40 мязадающей цепью одновибратора 20, Таккак передний фронт этога импульса практически совпадает с максимумам Осети, то коммутирующий конденсатор второго узлакоммутации также зарядится до максималь 45 ного напряжения, что обеспечит его дальнейшую коммутационную устойчивость. Пазаднему фронту 020 генерируется короткийимпульс 021, который, постуг:эя нэ отаройузел коммутации, размыкает вторую управ 50 ляющую обмотку преобразователя,На этом этап пуска заканчивается.2, Так как в момент 1 = ;. триггер 17отключает элемент 2 И 15 и переключаетэлемент 2 ИЛИ 23 на вта рой злемент 2 И 16,55 то через этот элемент нэ выход элемента 2ИЛИ 23 начинается поступление широкихимпульсов от кольцевой схемы, состоящейиз элементов 14, 19,О, 21, 22 Это состояние устройства свидетельствует аб окончании этапа пуска и начале,:1 э 5"ты у;трайствав периодическом режиме генерирования задающей частоты преобразователя.В предлагаемом устройстве совмещаются функции пуска и текущего управлениятрансформаторно-ключевым преобразователем, а функциональные элементы технически реализуются на базе интегральнойсхемотехники, что практически исключаетнеобходимость регулировки и настройкиустройства, а также снижает его массогабаритные показатели. На этапе пуска повыша. ется коммутационная устойчивость узловкоммутации преобразователя. строящихся поавтотрансформаторной схеме. Это позволяет повысить надежность преобразователя вцелом,Заявляемое устройство пуска и управления используется в трансформаторно-ключевом преобразователе савтотрансформаторными узлами коммутации.Преимущественное применение преобразователя - питание электромагнитногоперемешивателя металлического расплавав электронно-лучевой литейной технологии.Использование заявляемого техническогорешения позволяет повысить качество отливок и сократить отходы.Формула изобретенияУстройство пуска и управления трансформаторно-ключевого и реобразователя,включающего трехстержневой магнитопровод, первичную обмотку, две вторичные обмотки и две управляющие обмотки,зашунтированные двумя управляемымиключами переменного тока, содержащеенуль-индикатор, вход которого предназначен для соединения с входными выводамипреобразователя, формирователь импульсов, входом соединенный с выходом нульиндикатора, О-триггер, С-входом соединенный с выходом формирователя импульсов, два элемента 2 И, о тл и ч а ю ще е с я тем, что, с елью расширения функциональных 5 возможностей и повышения надежностипреобразователя, введены дополнительный О-триггер, командоаппарат, элемент 3 ИЛИ, элемент 2 ИЛИ, первый одновибратор, последовательно соединенные второй, тре тий, четвертый и пятый одновибраторы,вход первого одновибратора соединен с инверсным выходом О-триггера, прямой выход которого соединен с первым входом элемента 3 ИЛИ, выход первого одновибра тора соединен с первым входом первогоэлемента 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 пря мым выходом дополнительного Р-триггера,второй вход второго элемента 2 И соединен с инверсным выходом дополнительного О- триггера, выход командоаппарата подключен к общей точке соединения 5-входов 25 О-триггеров, вход. второго одновибратораподключен к выходу элемента 3 ИЛИ, выход пятого одновибратора соединен с третьим входом элемента 3 ИЛИ,первый вход элемента 2 ИЛИ соединен с выходом первого 30 элемента 2 И, а второй - с выходом второгоэлемента 2 И, выход элемента 2 ИЛИ соеди нен с С-входом дополнительного О-триггера, причем выход элемента 2 ИЛИ и выход второго одновибратора предназначены для 35 подключения к управляющим входам первого управляемого ключа переменного тока, а выход третьего одновибратора и выход четвертого одновибратора - для подключения к управляющим входам второго управляе мого ключа переменного тока.1775821 Редактор Т.Иванов ободяник орректо Заказ 4039 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гюаринл, 101л0 йц Ы,тавитель О.Парфенред М.Моргентал