Схема управления двухтактными преобразователями с симметрированием электромагнитных процессов

Техническое решение относится к области электротехники, в частности к схемам управления (СУ) двухтактными преобразователями напряжения, обеспечивающим симметрирование электромагнитных процессов, как в нерегулируемых, так и в регулируемых двухтактных транзисторных преобразователях напряжения. При этом симметричный процесс перемагничивания сердечника трансформатора обеспечивается как в установившемся, так и в переходном и аварийном режимах. Увеличено быстродействие СУ. Для достижения этой задачи в составе ИВЭП используется СУ двухтактными преобразователями напряжения с симметрированием электромагнитных процессов, включающая в себя датчик тока (ДТ), установленный в общую диагональ преобразователя напряжения, датчик выходного напряжения (ДВН), подключенный к выводу выходного напряжения источника вторичного электропитания U_{ИВЭП_вых}, усилитель сигнала рассогласования (УСР) с первым источником опорного напряжения (ИОН1), подключенным к прямому входу УСР и сигналом с ДВН, идущим к инвертирующему входу; компаратор широтно-импульсного модулятора (ШИМ), на прямой вход которого подается сигнал с ДТ, а на инверсный вход сигнал с выхода УСР; компаратор токовой защиты (КТЗ) со вторым ИОН (ИОН2) на инверсном входе и сигналом с ДТ на прямом входе. Логический элемент "ИЛИ", выход которого подключен к обнуляющему входу R RS-триггера, а на входы которого подаются сигналы с выходов компаратора ШИМ и КТЗ. Выходные сигналы генератора тактовых импульсов (ГТИ) подаются на инвертор, информационный вход S RS-триггера и тактирующий вход Т-триггер. Неинвертированный выход Т-триггера подключен к первому логическому элементу "И", а инвертированный ко второму логическому элементу "И", выход инвертора и неинвертированный выход RS-триггера подключены к входам первого и второго логических элементов "И", сигналы с выходов которых подаются в преобразователь и являются управляющими импульсами.

Техническое решение относится к области электротехники, в частности к устройствам управления двухтактными преобразователями напряжения.

Известна схема управления двухтактным преобразователем напряжения с симметрированием электромагнитных процессов в составе источника вторичного электропитания, состоящая из двух датчиков тока, интеграторов, устройства сравнения, усилителя сигнала рассогласования и генератора, управляемого напряжением, который обеспечивает изменение длительностей управляющих импульсов [1].

Недостатком такой схемы управления является возможность работы только в нерегулируемых двухтактных транзисторных преобразователях напряжения из-за рассогласования средних значений токов на интеграторах в переходных режимах, неудовлетворительная работа в аварийных режимах из-за сбоев в алгоритме симметрирования, низкое быстродействие из-за наличия интеграторов.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в расширении области применения устройства, обеспечении симметричного процесса перемагничивания, как в номинальных, так и в переходных и аварийных режимах, а также повышение быстродействия симметрирующего контура.

Для достижения этой задачи в составе источника вторичного электропитания (ИВЭП) используется схема управления двухтактными преобразователями напряжения с симметрированием электромагнитных процессов, включающая в себя датчик тока (ДТ), установленный в общую диагональ преобразователя напряжения, датчик выходного напряжения (ДВН), подключенный к выводу выходного напряжения ИВЭП U_{ИВЭП_вых}, усилитель сигнала рассогласования (УСР) с первым источником опорного напряжения (ИОН-1), подключенным к прямому входу УСР и сигналом с ДВН на инвертирующем входе; компаратор широтно-импульсного модулятора (ШИМ), на прямой вход которого подается сигнал с ДТ, а на инверсный вход сигнал с выхода УСР; компаратор токовой защиты (КТЗ) со вторым ИОН (ИОН-2) на инверсном входе и сигналом с ДТ на прямом входе. Логический элемент "ИЛИ", выход которого подключен к обнуляющему входу R R,S-триггера, а на входы которого подаются сигналы с выходов компаратора ШИМ и КТЗ. Выходные сигналы генератора тактовых импульсов (ГТИ) подаются на инвертор, информационный вход S R,S-триггера и тактирующий вход Т-триггера. Неинвертированный выход Т-триггера подключен к первому логическому элементу "И", а инвертированный ко второму логическому элементу "И", выход инвертора и неинвертированный выход R,S-триггера подключены к входам первого и второго логических элементов "И", сигналы с выходов которых подаются в преобразователь и являются управляющими импульсами.

Техническим результатом является возможность работы предлагаемой структуры СУ с симметрированием электромагнитных процессов, как с нерегулируемыми, так и с регулируемыми двухтактными транзисторными преобразователями напряжения. При этом симметричный процесс перемагничивания сердечника трансформатора обеспечивается не только в установившемся, но также в переходном и аварийном режимах. Увеличено быстродействие СУ.

На фигуре представлена функциональная схема СУ с симметрированием электромагнитных процессов и двухтактный преобразователя напряжения, который может быть выполнен, как по мостовой или полумостовой схеме, так и со средней точкой. Датчик тока 1 (ДТ), установлен в общую диагональ преобразователя напряжения 2, датчик выходного напряжения 3 (ДВН) подключен к выводу U_{ИВЭП_вых} выходного напряжения ИВЭП 4. К прямому входу усилителя сигнала рассогласования 5 (УСР) подключен первый источник опорного напряжения 6 (ИОН-1), а к инвертирующему входу - сигнал с ДВН 3. Компаратор широтно-импульсного модулятора 7 (ШИМ), на прямой вход которого подается сигнал с ДТ 1, а на инверсный вход сигнал с выхода УСР 5. Компаратор токовой защиты 8 (КТЗ) со вторым источником опорного напряжения ИОН-2 9, подключенным к инверсному входу и сигналом с ДТ 1 на прямом входе. Логический элемент «ИЛИ» 10, выход которого подключен к обнуляющему входу R,S-триггера 11, а на входы которого подаются сигналы с выходов компаратора ШИМ 7 и КТЗ 8. Сигналы с выхода генератора тактовых импульсов (ГТИ) 12 подаются на инвертор 13, информационный вход RS-триггера 11 и тактирующий вход Т-триггера 14. Неинвертированный выход Т-триггера 14 подключен ко входу первого логического элемента "И" 15, а инвертированный ко входу второго логического элемента "И" 16. Выход инвертора 13 и неинвертированный выход R,S-триггера 11 подключены ко входам первого и второго логических элементов "И" 15, 16, сигналы с выходов которых подаются в преобразователь напряжения 2 и являются управляющими импульсами.

Двухтактный преобразователь напряжения со схемой управления, обеспечивающей симметрирования электромагнитный процессов, работает следующим образом. Для обеспечения симметричного режима перемагничивания необходимо выполнение условия:

,

где -t_1.n - длительность управляющего импульса первого полупериода n-ого периода, t_0-2.n -t_2.n - длительность управляющего импульса второго полупериода n-ого периода, U_1.n - напряжение на первичной обмотке в первый полупериод n-ого периода, U_2.n - напряжение на первичной обмотке во второй полупериод n-ого периода. Выполнение этого условия происходит за счет обратной связи, обеспечиваемой следующим образом.

В начале каждого полупериода импульс с ГТИ 12, подаваемый на информационный вход R,S-триггера 11, устанавливает логическую «1» на неинвертирующем выходе R,S-триггера 11, начиная тем самым выдачу управляющих импульсов, при условии, что сигнал на ДТ меньше напряжения на ИОН-2. Параллельно с этим импульсы с ГТИ переключают состояние Т-триггера 14, попеременно устанавливая логическую «1» на одном из его выходов, а, следовательно, и на входах первого или второго логических элементов «И» 15, 16. Длительности управляющих импульсов определяются уровнем сигнала на выходе УСР 5 и длительностью нарастания напряжения на ДТ 1 до этого уровня, а в аварийных режимах также срабатыванием токовой защиты (появлением логической "1" на выходе КТЗ). При этом напряжение на выходе УСР 5 тем больше, чем больше разность сигналов ИОН-1 6, определяющего уровень требуемого напряжения на выходе ИВЭП 4, и фактического напряжения на выходе ИВЭП 4, передаваемого на инверсный вход УСР 5 через ДВН 3. Сигнал с выхода УСР 5 приходит на инверсный вход компаратора ШИМ 7 и при достижении на ДТ 1 этого уровня происходит переключение выходного сигнала компаратора ШИМ 7 с логического «0» в логическую «1». После этого происходит переключение выхода логического элемента «ИЛИ» 10 из логического «0» в логическую «1», что обнулит R,S-триггера 11, на неинвертирующем выходе которого появится логический «0». Появление логического «0» на входах первого и второго элементов «И» 15, 16 приводит к переключению их выходов из логической «1» в логический «0» и, следовательно, прекращению выдачи управляющих импульсов. Прекращение выдачи управляющих импульсов происходит также при превышении на ДТ 1 уровня напряжения на ИОН-2 9 (срабатывание токовой защиты). При этом произойдет переключение выхода КТЗ 8 в состояние логической «1», а, следовательно, переключение выхода элемента «ИЛИ» 10 в состояние логической «1», что в конечном итоге приведет к прекращению выдачи управляющих импульсов.

Таким образом, осуществляется не только обратная связь по напряжению, что позволяет использовать эту СУ в регулируемых ИВЭП, но и обеспечивается выполнение уравнения (1), а именно: при возрастании напряжения на первичной обмотке в преобразователе напряжения 2 в первый или второй полупериоды n-ого периода, ток, протекающий через ДТ 1, увеличится, что приведет к уменьшению времени, необходимому для нарастания напряжения на ДТ 1 до уровня ИОН-1 6, а, следовательно, и к уменьшению длительности соответствующего управляющего импульса. Верно и обратное: при уменьшении напряжения на первичной обмотке в преобразователе напряжения 2 в первый или второй полупериоды n-ого периода, ток, протекающий через ДТ 1, уменьшится, что приведет к увеличению времени, необходимому для нарастания напряжения на ДТ 1 до уровня ИОН-1 6, а, следовательно, и к увеличению длительности соответствующего управляющего импульса.

Источники информации:

1. Шевцов Д.А., Манбеков Д.Р. Сравнительный анализ и классификация методов симметрирования двухтактных преобразователей напряжения с ШИМ-регулированием // Силовые транзисторные устройства. Выпуск 2. / Тематический сборник научных трудов. Под редакцией Е.В.Машукова - М.: «Экон-Информ», 2006. Стр.58-75.

Схема управления двухтактными преобразователями напряжения с симметрированием электромагнитных процессов, включающая датчик тока и усилитель сигнала рассогласования, отличающаяся тем, что датчик тока установлен в общую диагональ преобразователя напряжения, датчик выходного напряжения подключен к выводу выходного напряжения источника вторичного электропитания; к прямому входу усилителя сигнала рассогласования подключен первый источник опорного напряжения, а к инвертирующему - подключен датчик выходного напряжения; компаратор широтно-импульсного модулятора, прямой вход которого соединен с датчиком тока, а инвертирующий вход - с выходом усилителя сигнала рассогласования; компаратор токовой защиты - со вторым источником опорного напряжения, подключенным к инвертирующему входу, и датчиком тока, подключенным к прямому входу; логический элемент ИЛИ, выход которого подключен к обнуляющему входу RS-триггера, а к входу логического элемента ИЛИ подключены выходы компаратора широтно-импульсного модулятора и компаратора токовой защиты; генератор тактовых импульсов, соединенный с инвертором, информационным входом RS-триггера и тактирующим входом Т-триггера, при этом неинвертирующий выход Т-триггера подключен к первому логическому элементу И, инвертирующий выход - ко второму логическому элементу И; к входам первого и второго элементов И также подключены выход инвертора и неинвертирующий выход RS-триггера.