Автoры: Ганьшин Андрей Алекcандрoвич, Тoченoв Алекcандр Анатoльевич
Изoбретение oтнocитcя к преoбразoвательнoй технике и мoжет быть иcпользовано при cоздании иcточников питания для различной аппаратуры. Техничеcкий результат заключаетcя в упрощении cтруктуры управления преобразователем, уменьшении чиcла датчиков, недопуcтимоcти работы в тяжелых режимах при перегрузках и КЗ. Кроме того, решена задача повышения надежноcти при включении и повышения уровня безопаcноcти работающего преобразователя при его отключении. Уcтройство содержит зарядный и главный контакторы, зарядные резисторы, вспомогательный и основной трехфазные выпрямители. В силовую часть преобразователя входят повышающий импульсный регулятор напряжения, резонансный преобразователь с трансформатором, выходной выпрямитель, нагруженный на конденсатор, разрядное устройство и выходной диод. Преобразователь обеспечивает питание нагрузки и заряд аккумуляторной батарей с учетом ее температурных требований. Устройство управления содержит цифровой сигнальный процессор, обеспечивающий алгоритм включения преобразователя, его нормальную работу и алгоритм выключения. Указанные алгоритмы повышают надежность работы силовых ключей, а также обеспечивают быстрый разряд конденсаторов большой емкости для безопасности работы обслуживающего персонала. 3 ил.
Известен преобразователь, работающий от сети переменного тока, включающий в себя корректор коэффициента мощности (ККМ) и DC-DC преобразователь [1]. В преобразователе решались задачи стабилизации выходного напряжения при работе совместно с аккумуляторной батареей (АБ) или параллельно с другими преобразователями, а также формирования выходной характеристики с участком стабилизации выходного тока. Определенными недостатками данного преобразователя, особенно при получении большой мощности на выходе (5
100 кВт) являются: наличие двух датчиков и двух измерительных цепей, контролирующих напряжение до и после выходного диода (OR-диод); необходимость измерения токов как на входе (ККМ), так и на выходе (DC-DC преобразователь); наличие двух замкнутых контуров управления - в ККМ и в DC-DC преобразователе. Указанные недостатки усложняют преобразователь, снижают его надежность, к тому же в ряде применений не требуется формировать выходную характеристику с участком стабилизации выходного тока и необходимостью работы преобразователя при больших токах перегрузки, близких к КЗ.
Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является упрощение структуры управления преобразователем, уменьшение числа дорогостоящих и сложных датчиков, недопустимость работы преобразователя в тяжелых режимах, обусловленных перегрузками и КЗ; повышение уровня безопасности работающего преобразователя при его отключении. Повышенная надежность и повышенная безопасность, являющиеся следствием принятого схемотехнического решения, обладающего новизной, являются существенными особенностями заявляемого преобразователя.
Технический результат достигается тем, что напряжение трехфазной сети на входе преобразователя поступает на нормально открытые контакты зарядного контактора (ЗК) и главного контактора (ГК), затем на зарядные резисторы, включенные в каждую фазу и шунтированные нормально открытыми контактами ГК, а также на вспомогательный трехфазный выпрямитель, выход которого подключен к блоку вспомогательных напряжений (БВН); к зарядным резисторам подключен силовой трехфазный выпрямитель, к выходу которого подключена силовая часть преобразователя, состоящая из повышающего импульсного регулятора напряжения (ИРН), выходом подключенного к резонансному преобразователю, силового трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен мостовой выпрямитель, нагруженный на конденсатор, параллельно которому подключено разрядное устройство и высокочастотный фильтр (ВЧФ) защиты от помех, выход ВЧФ через диод подключен к нагрузке и АБ. В устройство управления преобразователем входит цифровой сигнальный процессор (ЦСП), алгоритм работы которого обеспечивает включение преобразователя, работу в нормальном режиме, отключение, а также выполнение всех защитных функций.
На Фиг.1 представлена схема заявляемого преобразователя, на Фиг.2 - временные диаграммы запуска, на Фиг.3 - временные диаграммы отключения.
К трехфазной сети 1 (Фиг.1) подключены нормально открытые контакты 2 зарядного контактора 3, нормально открытые контакты 4 главного контактора 5 и вспомогательный трехфазный выпрямитель 6. К выходу выпрямителя 6 подключен блок вспомогательных напряжений (БВН) 7, обеспечивающий требуемыми напряжениями питания устройство управления, зарядный (3) и главный (5) контакторы. К контактам зарядного контактора подключены зарядные резисторы 8, которые шунтируются контактами ГК. Зарядные резисторы подключены к трехфазному мосту 9, выход которого является входом повышающего импульсного регулятора напряжения (ИРН), в который входят датчик тока 10, дроссель 11, диод 12, транзистор 13, конденсаторы емкостного делителя 14, 15. К выходу ИРН помимо конденсаторов емкостного делителя подключены элементы резонансного DC-DC преобразователя, состоящего из транзисторной стойки 16, 17, трансформатора 18. Первичная обмотка трансформатора 19 включена последовательно с конденсатором 20 и включена в диагональ моста, образованного емкостным делителем и стойкой транзисторов.
Вторичная обмотка трансформатора 21 подключена к выпрямительному мосту 22, к выходу которого подключены параллельно конденсатор 23 и разрядное устройство (РУ) 24. Высокочастотный фильтр (ВЧФ) 25 подключен своим входом к конденсатору и разрядному устройству, а выходом - к датчику напряжения (ДН) 26. Нагрузка преобразователя подключена одним выводом к первой точке соединения выхода ВЧ фильтра и датчика нагрузки, а другим - к катоду диода 27, анод которого подключен ко второй точке соединения ВЧ фильтра и датчика нагрузки. АБ 28 подключается параллельно нагрузке.
Силовые ключи управляются от драйверов 29, 30, в свою очередь получающих входные сигналы от устройства управления 31, в котором находится цифровой сигнальный процессор. Температурный режим АБ от термодатчика (ТД) (32) передается в устройство управления. В зависимости от температуры окружающей среды напряжение на нагрузке и АБ должно выставляться различным с целью создания наилучших условий работы для АБ.
Алгоритм запуска преобразователя показан на Фиг.2. На этом чертеже показана работа контакторов, последовательность изменения управляющих импульсов и диаграмма нарастания напряжения на датчике 26.
Этап 1 - преобразователь выключен.
Этап 2 - момент включения зарядного контактора - момент включения главного контактора. На этом этапе происходит заряд конденсаторов 14, 15 емкостного делителя на выходе ИРН.
Этап 3 - включение ГК - начало формирования импульсов DC-DC.
Этап 4 - начало формирования управляющих импульсов DC-DC преобразователя - отключение ЗК. Длительность управляющих импульсов увеличивается линейно. Напряжение на выходе (датчике напряжения 26) на этом этапе нарастает.
Этап 5 - отключение ЗК - момент достижения напряжения на датчике напряжения 26 значения Uвых.min. Длительность управляющих импульсов DC-DC преобразователя в этом интервале и последующих не изменяется и составляет немного менее половины длительности полупериода его работы.
Этап 6 - начало плавного нарастания длительности управляющих импульсов ИРН - достижение напряжения на выходе несколько меньшего значения, чем задается с помощью опорного сигнала от датчика температуры (ДТ) АБ. В конце этапа напряжение на выходе достигает значения на несколько вольт меньше требуемого (Uвых-
U). На данном этапе контур обратной связи (регулятор), управляющий напряжением на выходе, не подключен.
Этап 7 - программное подключение регулятора - достижение напряжения на ДН 26 значения Uвых+0,7 В, где Uвых - требуемое для данной температуры напряжение заряда АБ. Если в процессе запуска напряжение на ДН 26 не возросло до значений Uвых_min или Uвых -
U, происходит аварийное отключение.
Этап 8 - работа преобразователя после окончания процесса запуска.
Данный алгоритм включения преобразователя и последовательность подключения его силовых блоков позволяет повысить надежность работы ключей ИРН и DC/DC преобразователя, поскольку происходит плавное нарастание их токовой нагрузки при заряде конденсаторов большой емкости. Подключение контура обратной связи в ИРН происходит только после достижения значения напряжения на выходе преобразователя, несколько меньшего требуемому для данной температуры напряжения заряда АБ.
Кроме того, данный алгоритм позволяет произвести аварийное и безопасное отключение преобразователя, если напряжение на выходе не достигло установленных значений за заданные интервалы времени.
Отключение преобразователя происходит согласно алгоритму, показанному на Фиг.3. Как при штатном отключении, так и при аварийном производится отключение ГК и разряд конденсаторов на выходе ИРН 14, 15 и конденсаторов на выходе DC-DC преобразователя 23. При отключении имеют место следующие этапы.
Этап 1 - продолжающаяся работа преобразователя.
Этап 2 - поступление команды «Стоп» от процессора - выключение ГК.
Этап 3 - момент выключения ГК - начало поступления управляющих импульсов DC-DC преобразователя и подключение разрядного устройства (РУ).
Этап 4. Начало поступления управляющих импульсов DC-DC преобразователя - начало поступления импульсов ИРН. Импульсы DC-DC преобразователя плавно расширяются во времени, максимальная длительность чуть меньше половины периода работы DC-DC преобразователя (с момента их появления включается разрядное устройство).
Этап 5 - плавное нарастание управляющих импульсов ИРН, максимальная длительность импульсов - половина периода частоты переключения транзистора 13.
Этап 6 - прекращение формирования импульсов DC-DC и ИРН.
Предложенный алгоритм отключения преобразователя позволяет за заданное короткое время разрядить все конденсаторы большой емкости (14, 15 и 23), что повышает для обслуживающего персонала безопасность работы с преобразователем.
Источники информации
1. В.И.Мелешин, «Транзисторная преобразовательная техника», изд-во «Техносфера», 2005 г.
