УСТРОЙСТВО УПРАВЛЕНИЯ ПЕРВОЙ СТУПЕНЬЮ ЭЛЕКТРОННОЙ НЕРАССЕИВАЮЩЕЙ НАГРУЗКИ
DEVICE FOR CONTROLLING FIRST STAGE OF ELECTRONIC NON-DISSIPATING LOAD

Изобретение относится к области преобразовательной техники, в частности к устройствам, позволяющим нагружать различные преобразователи с выходом на постоянном токе, аккумуляторные батареи, генераторы постоянного тока при проведении различных видов испытаний, включая ресурсные.
Продолжительные испытания источников электроэнергии связаны с большим расходом электроэнергии и финансовыми потерями для предприятия, выпускающего подобную продукцию. Электронные нерассеивающие нагрузки (ЭНН) позволяют существенно (в 4…6 раза) сократить расход электроэнергии при испытаниях [1, 2].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением, которое известно авторам по совокупности признаков, является ЭНН, описание которой приводится в [2]. Недостатками этого устройства являются трехступенчатая структура и связанная с этим невозможность получения высокого КПД, а также сложность схемы управления из-за необходимости управления несколькими силовыми блоками одновременно.
Высокий КПД обязателен для ЭНН, поскольку экономия электроэнергии при испытаниях - это главное, ради чего ЭНН применяется. Поэтому двухступенчатая структура энергетически явно выгоднее возможной трехступенчатой. Кроме того, в двухступенчатой структуре появляется возможность выполнить устройство управления достаточно простыми средствами, что повышает надежность всего изделия. Именно поэтому двухступенчатая структура, содержащая DC-DC преобразователь, управляемый током (первая ступень), и высокочастотный инвертор, передающий ток на выход ЭНН (вторая ступень), используется в данной заявке. Между первой и второй ступенями включается накопительный конденсатор.
В двухступенчатой структуре, где первая ступень (DC-DC преобразователь) выполнена на основе трансформатора с дросселем на входе, для повышения надежности работы ключей первой ступени и всего ЭНН в целом работа ведется в двух режимах. Этими режимами являются пусковой, когда напряжение на выходном конденсаторе первой ступени повышается до заданного уровня, и рабочий, когда энергия от выхода испытуемого преобразователя (ИП) поступает через ЭНН на его вход.
Простыми техническими средствами, которые обеспечивают работу ЭНН как в пусковом режиме, так и в рабочем, являются микроконтроллер, программная логическая интегральная схема (ПЛИС) и аналоговый ШИМ-контроллер, которые взаимодействуют между собой, выполняя работу первой ступени.
В заявке содержится графический материал, содержащий две фигуры. На фиг.1 представлена структурная схема ЭНН, а на фиг.2 - диаграммы сигналов управления первой ступенью (трансформаторным преобразователем с дросселем на входе) в рабочем режиме.
После подачи входного постоянного напряжения на силовую часть первой ступени 1 (фиг.1) и сети переменного тока на силовую часть второй ступени появляется напряжение на промежуточной шине 3 в результате заряда накопительного конденсатора, образующего промежуточную шину, через обратные диоды IGBT транзисторов, входящих в состав высокочастотного инвертора. Напряжение на накопительном конденсаторе достигает амплитудного значения напряжения сети. Силовая часть первой ступени выполнена таким образом, что напряжение на промежуточной шине после достижения на ней напряжения, равного амплитуде сетевого, должно увеличиваться плавно, а инвертор второй ступени при этом не должен работать и передавать ток в испытуемый источник (ИП). В противном случае потребуется чрезмерно большой ток от первой ступени, а ее силовые ключи могут выйти из строя. Именно поэтому работа ЭНН происходит в двух основных режимах:
- режим запуска;
- рабочий режим.
Каждый из режимов зависит от трехбитового сигнала «Переключение режимов» 4, подаваемого от микроконтроллера 5, причем нулевому состоянию этого сигнала соответствует выключенное состояние первой ступени.
Пусковой режим реализуется плавным переключением импульсов, подаваемых на затворы транзисторного моста первой ступени. В пусковом режиме ШИМ-контроллер первой ступени 6 выключен, тактовые импульсы ТИ1 (7) и ТИ2 (8) формируются микроконтроллером и являются управляющими для каждой диагонали мостового каскада первой ступени. Импульсы микроконтроллера плавно расширяются с заданной скоростью, а ПЛИС 9 с помощью управляющих импульсов 10 формирует импульсы, поступающие на драйверы 11 силовой части. На этапе запуска происходит выключение транзисторов первой ступени на время около 20 мс, после чего управление силовыми ключами первой ступени перестраивается в ПЛИС на работу в режиме перекрытия. Пуск продолжается, и напряжение на накопительном конденсаторе продолжает повышаться. Как только оно достигает заранее установленного значения (360 В), происходит переключение в рабочий режим. Теперь ключи первой ступени работают с очень малым перекрытием, поддерживая напряжение на накопительном конденсаторе. В рабочем режиме по «Сигналу нулевой фазы» 12 от вторичной стороны управления 13 в микроконтроллер 5 поступают импульсы, в результате действия которых от первичной стороны управления на вторичную сторону 13 поступает сформированный микроконтроллером 5 опорный синусоидальный токовый сигнал 14 для работы инвертора, находящегося в силовой части второй ступени. Поэтому теперь первая ступень может передавать энергию через инвертор к ИП.
Работа в рабочем режиме поясняется с помощью диаграмм на фиг.2. Микроконтроллер передает в ПЛИС в этом режиме два коротких импульса с частотой, в четыре раза превышающей частоту работы силового трансформатора - тактовые импульсы 1 (ТИ1) и тактовые импульсы 2 (ТИ2) (две верхние диаграммы на фиг.2).
Оба сигнала синфазные по фронту, длительность ТИ1 около 300 нс, длительность ТИ2 - около 600 нс. Импульсы ТИ1 формируют частоту ШИМ-контроллера, а также необходимы для формирования управляющих импульсов ключей 1-й ступени. Частота ШИМ-контроллера образуется делением на два частоты импульсов ТИ1 с последующим их поступлением на транзистор, участвующий в получении пилообразного напряжения ШИМ-контроллера. Если ШИМ-контроллер получает от микроконтроллера разрешающий сигнал “Управление ШИМ” 15, происходит формирование последовательности импульсов с коэффициентом заполнения, определяемым обратной связью. Указанная последовательность образует “Сигнал ШИМ” 16, поступающий в ПЛИС. В свою очередь логика ПЛИС формирует несколько сигналов, которые управляют ключами силовой части в последовательности, необходимой для рабочего режима (режим с перекрытием ключей).
“Сигнал ШИМ”, вырабатываемый ШИМ-контроллером, имеет задержку около 100…150 нс относительно импульсов ТИ1. Микросхема ПЛИС не может правильно вырабатывать выходные сигналы при наличии такой задержки. Поэтому решение заключается в создании импульсов ТИ2, имеющих в рабочее режиме большую длительность, чем ТИ1 и гарантированно перекрывающих задержку импульсов ШИМ-контроллера. Получая от микроконтроллера импульсы ТИ1 и ТИ2, ПЛИС формирует промежуточные тактовые импульсы (ТИП) 17 - третья диаграмма, фиг.2. Тогда фронт импульсов ТИП формирует фронт импульсов силовых ключей моста, а спад импульсов “Сигнал ШИМ”, четвертая диаграмма, фиг.2 - соответственно спад управляющих импульсов ключей моста первой ступени.
В процессе работы коэффициент заполнения сигнала “Сигнал ШИМ” может потребоваться равным нулю и поэтому для формирования спада сигнала “Управляющие импульсы” сигналы ТИП и “Сигнал ШИМ” проходят через ячейку ИЛИ (пятая диаграмма, фиг.2). Тем самым гарантируется, что длительность сигналов “Управляющие импульсы” для ключей моста в рабочем режиме будет изменяться от минимальной (близкой к Т/2, что соответствует длительности импульсов ТИП) до максимально разрешенной.
При не слишком коротком импульсе «Сигнал ШИМ» сигнал на выходе ячейки ИЛИ имеет вид, показанный на шестой диаграмме, фиг.2. Максимальное значение коэффициента заполнения D импульсов, поступающих на входы ключей моста, также ограничивается с помощью ПЛИС. Это выполняется делением частоты ТИ1 до 2f (f - частота работы трансформатора) и логическим умножением полученного сигнала на “Сигнал ШИМ”, пришедший от ШИМ-контроллера. Последние две диаграммы на фиг.2 поясняют сказанное.
Задание входного тока ЭНН (то есть выходного тока ИП) осуществляется сигналом 18, поступающим в ШИМ-контроллер 6 первой ступени управления. Токовый сигнал 19 от датчика, находящегося в силовой части первой ступени, поступает в ШИМ-контроллер 6 для стабилизации заданного входного тока, а также в компаратор 20, который вырабатывает сигнал защиты 21, поступающий в ПЛИС и выключающий силовые ключи первой ступени. Вторичная сторона управления 13 получает несколько входных сигналов и передает на первичную сторону управления несколько сигналов.
Напряжение сети 22 необходимо для работы второй ступени, кроме того, по этому сигналу обеспечивается срабатывание защит по минимальному и максимальному напряжению сети. Токовый сигнал 23 от датчика тока, установленного в высокочастотном инверторе второй ступени, вызывает срабатывание схемы защиты на вторичной стороне управления при превышении током заданного уровня. При этом с помощью сигналов управления ключами 24 выключаются силовые транзисторы высокочастотного инвертора, и одновременно передается сигнал защиты 25 в микроконтроллер 5 для выключения ключей первичной стороны.
Цитируемая литература
1. Р.П.Рудзенскас, М.М.Танаев, В.И.Мелешин. «Принципы построения электронной нерассеивающей нагрузки», Электротехника, №3, 1998, стр.28-32.
2. В.И.Мелешин. «Транзисторная преобразовательная техника», изд-во «Техносфера», 2005, 632 с.