ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ С ДВУМЯ ВЫХОДАМИ С ПЕРЕКЛЮЧЕНИЕМ АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕИ ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ КОНТАКТОРОМ
TRANSISTOR TRANSDUCER WITH TWO OUTPUTS WITH ACCUMULATOR BATTERY SWITCHING AND ELECTROMECHANICAL CONTACTOR

Изобретение относится к преобразовательной технике, в частности может быть использовано в преобразователях, входящих в состав системы энергообеспечения транспортного средства.
Известен преобразователь, работающий от генератора переменного тока, включающий в себя трехфазный выпрямитель и DC-DC преобразователь с одним выходом, к которому подключается нагрузка и аккумуляторная батарея (АБ), работающая в буферном режиме [1]. Недостатками такого преобразователя являются значительные изменения напряжения на нагрузке вследствие требуемого изменения напряжения заряда АБ при изменении температуры, а также короткий срок службы работы никель-кадмиевой АБ в буферном режиме. Указанные недостатки снижают надежность системы энергообеспечения, которая, кроме того, требует дополнительной стабилизации напряжения на потребителях.
Техническим результатом данного изобретения является построение преобразователя, обеспечивающего стабильное напряжение на нагрузке первого выхода во всех режимах при одновременном заряде АБ по второму выходу, недопустимость тяжелых режимов транзисторов и диодов преобразователя при его запуске. Технический результат достигается тем, что в преобразователе (Фиг.1) установлен выходной контактор, имеющий один нормально-замкнутый (НЗ) и один нормально-разомкнутый (HP) контакты, переключающие нагрузку выхода 1 после процесса запуска на питание от преобразователя, и позволяющий одновременно с этим выход 2 - зарядное устройство (ЗУ) - подключать только к АБ; с целью повышения надежности работы транзисторов и диодов при запуске преобразователя система управления вырабатывает определенную временную последовательность нарастания напряжения на первом канале выхода 1, при которой в процессоре управляющего устройства вырабатываются два различных опорных напряжения, подключаемых в зависимости от уровня напряжения на АБ.
АБ
В зависимости от температуры и состояния разряженности напряжение АБ при запуске преобразователя может быть как меньше, так и больше требуемого выходного напряжения канала 1 Uвых1. Поэтому, если U<Uвых1, при запуске преобразователя может проходить недопустимо большой ток через силовые ключи, диоды преобразователя и диод 3, показанный на Фиг.1. Кроме того, большой ток, проходящий через АБ в процессе запуска, приводит к сокращению ее срока службы.
Предложенный алгоритм запуска преобразователя, предусматривающий два уровня опорного напряжения, исключает данный недостаток.
На Фиг.1 представлена общая схема заявляемого преобразователя с источником входного напряжения, контактами HP и НЗ выходного контактора и АБ. На Фиг.2 раскрыта схема преобразователя, на Фиг.3 показаны временные диаграммы запуска преобразователя.
К трехфазной сети 1 (Фиг.1) подключен преобразователь 2, имеющий два выхода с подключенными к этим выходам диодами 3, 4, к катодам диодов подключены HP 5, НЗ 6 выходного контактора, находящегося в преобразователе, от катода диода 3 выходное напряжение выхода 1 через автомат 7 поступает на нагрузку канала 1 выхода 1, а через HP при их замыкании - на нагрузку канала 2 выхода 1. АБ 8 своим положительным выводом подключена к катоду диода 4 и датчику напряжения 9, сигнал от датчика напряжения поступает в преобразователь. К катоду диода 3 подсоединен также автомат 10, второй вывод которого подключается к преобразователю.
К трехфазной сети 1 (Фиг.2) подключены нормально разомкнутые контакты 11 зарядного контактора 12 и нормально разомкнутые контакты 13 главного контактора (ГК) 14. К контактам зарядного контактора подключены зарядные резисторы 15, которые шунтируются контактами ГК. Зарядные резисторы подключены к трехфазному мосту 16, выход которого является входом повышающего импульсного регулятора напряжения (ИРН), в который входят датчик тока 17, дроссель 18, диод 19, транзистор 20, конденсаторы емкостного делителя 21, 22. К выходу ИРН помимо конденсаторов емкостного делителя подключены элементы резонансного DC-DC преобразователя, состоящего из транзисторной стойки 23, 24, трансформатора 25. Первичная обмотка трансформатора 26 включена последовательно с конденсатором 27 и включена в диагональ моста, образованного емкостным делителем и стойкой транзисторов.
Первая вторичная обмотка трансформатора 28 подключена к выпрямительному мосту 29, к выходу которого подключены параллельно конденсатор 30 и разрядное устройство (РУ) 31. Высокочастотный фильтр (ВЧФ) 32 подключен своим входом к конденсатору и разрядному устройству, а выходом - к датчику напряжения (ДН) 33. Нагрузка преобразователя первого выхода подключена одним выводом к первой точке соединения выхода ВЧ фильтра и датчика нагрузки, а другим - к аноду диода 3, катод которого подключен к общей точке соединения HP контакта выходного контактора 34 и автоматов 7, 10.
Вторичная обмотка 35 трансформатора 25 необходима для создания второго выхода преобразователя, который является зарядным устройством (ЗУ) АБ. Эта обмотка подключена к выпрямительному мосту 36, к выходу которого подключен параллельно конденсатор 37. К конденсатору 37 подключены последовательно транзистор 38 и диод 39. Точка соединения второго выходного вывода выпрямительного моста 36, второго вывода конденсатора 37 и анода диода 39 подключена к датчику тока 40. К общей точке соединения транзистора 38 и катода диода 39 подключен первый вывод дросселя 41, второй вывод которого подключен к выводу конденсатора 42. Второй вывод этого конденсатора подключен к датчику тока 40. Элементы 38, 39, 41 и 42 образуют понижающий импульсный регулятор напряжения. К конденсатору 42 подключены разрядное устройство (РУ) 43 и высокочастотный фильтр (ВЧФ) 44. Выход ВЧФ 44 подключен к датчику напряжения (ДН) 45, одна точка соединения выхода ВЧФ 44 и ДН 45 подключена к аноду диода 4, а вторая - ко второму выводу ДН 33, образуя общую точку всего устройства.
Силовые ключи управляются от драйверов 46, 47 и 48, в свою очередь получающих входные сигналы от устройства управления 49, в котором находится цифровой сигнальный процессор (ЦСП). Температурный режим АБ от термодатчика (ТД) 50 передается в устройство управления. В зависимости от температуры окружающей среды напряжение на АБ должно выставляться различным с целью создания наилучших условий работы для АБ и повышения ее срока службы. Напряжение питания устройства управления и контакторов поступает от блока вспомогательных напряжений (БВН) 51, который начинает свою работу после замыкания автомата 10 (Фиг.1).
Алгоритм запуска преобразователя показан на Фиг.3. На этом чертеже показана работа контакторов, последовательность изменения управляющих импульсов и диаграмма нарастания напряжения на датчике напряжения 33.
Этап 1 - преобразователь выключен.
Этап 2 - включение зарядного контактора - момент включения главного контактора. На этом этапе происходит заряд конденсаторов 21, 22 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 1 (датчике напряжения 33) на этом этапе нарастает.
Этап 5 - отключение ЗК - момент достижения на датчике напряжения 33 значения напряжения Uвых1.min. Напряжение Uвых1.min выбирается меньше минимально возможного напряжения АБ при всех температурах и степени ее разряженности. Длительность управляющих импульсов DC-DC преобразователя в этом интервале и последующих не изменяется и составляет немного менее половины длительности полупериода его работы.
АБ
АБ
АБ
На этом этапе опорное напряжение ПИД-регулятора, работающего в ЦСП, устанавливается либо на уровень U-ΔU, либо на уровень Uвых1+ΔUвых1, в зависимости от того меньше или больше напряжение, U требуемого выходного напряжения Uвых1.
АБ
АБ
АБ
В первом случае опорное напряжение ниже U на некоторую величину (ΔU) для того, чтобы преобразователь не был нагружен на АБ во время запуска. Во втором случае (когда U>Uвых1) опорное напряжение Uвых1+ΔUвых1 учитывает изменение напряжения на диоде 3 от проходящего через него тока. В конце этапа ЦСП отправляет команду на переключение выходного контактора.
АБ
АБ
Этап 6 - начало плавного нарастания длительности управляющих импульсов ИРН - достижение напряжением Uвых1 значения U-ΔU, либо напряжение продолжает нарастать к значению Uвых1+ΔUвых1. Напряжение Uвых1 возрастает с определенной скоростью, не позволяющей чрезмерно увеличивать ток в ключах и диодах преобразователя.
АБ
АБ
Этап 7 - достижение напряжения Uвых1 значения U-ΔU - поступление в ЦСП сигнала о переключении выходного контактора.
АБ
АБ
На этом этапе напряжение Uвых1 либо стабилизируется на уровне U-ΔU, либо продолжает нарастать к значению Uвых1+ΔUвых1, в зависимости от того, какое опорное напряжение, указанное в этапе 5, установлено в ПИД-регулятор.
АБ
АБ
АБ
АБ
Этап 8 - подтверждение переключения выходного контактора (поступление сигнала в ЦСП) - окончание процесса запуска. В начале этого этапа напряжение Uвых1 в зависимости от того, какое напряжение на АБ, либо продолжает нарастать к значению U-ΔU, либо продолжает нарастать к значению Uвых1+ΔUвых1 (пунктирная линия на Фиг.3). В случае, если напряжение Uвых1 в начале этапа 8 было стабилизировано на уровне U-ΔU, опорное напряжение ПИД-регулятора изменяется и устанавливается на уровень Uвых1+ΔUвых1, а напряжение Uвых1 плавно возрастает (сплошная линия на этапе 8, Фиг.3).
Этап 9 - работа преобразователя после окончания процесса запуска. После окончания этапа 8 и переключения контактов выходного контактора от преобразователя поступает энергия в каналы 1 и 2 выхода 1, а напряжение на выходе 2 после некоторой задержки плавно нарастает и АБ заряжается при требуемом для заданной температуры напряжении.
Литература
1. А.Анучин, Ф.Силаев. «Блок регулирования напряжения для автономной системы электроснабжения пассажирских вагонов поездов дальнего следования», сборник материалов конференции «Силовая электроника», июнь 2009, стр.31…33, рис.2.