КОНВЕРТОР НАПРЯЖЕНИЯ
VOLTAGE CONVERTER

Изобретение относится к области преобразовательной техники и может быть использовано для питания различных видов нагрузок, в том числе инверторов напряжения приводов постоянного и переменного тока преимущественно при питании от низковольтного источника.
Основная область применения устройства - это электроприводы постоянного и переменного тока на подвижных объектах.
Известен преобразователь напряжения с фазовой модуляцией ключей транзисторного инвертора [1], содержащий входной фильтр, мостовой инвертор, схему управления инвертором, трансформаторный датчик тока, датчик напряжения, драйвер управления ключами инвертора с трансформаторной изоляцией управления верхними ключами моста.
Недостатками устройства являются:
1) для управления ключами мостового инвертора используется специализированная микросхема (ШИМ-контроллер), при этом защита по току и стабилизация выходного напряжения реализованы во внутренней структуре микросхемы, это не позволяет использовать преобразователь напряжения в качестве блока в составе параллельной структуры (конверторного каскада) с целью увеличения мощности, при построении мощных конверторов напряжения, так как при этом "общему" блоку управления конвертора напряжения придется синхронизировать работу отдельных ШИМ-контроллеров во всех режимах работы конвертора напряжения. В случае, если это возможно осуществить, это существенно усложнит устройство и снизит надежность. Так же, применение отдельных ШИМ-контроллеров вместе с "общим" блоком управления, в котором реализованы те же функции защиты и управления, не рационально и также приведет к усложнению и снижению надежности устройства;
2) входы управления нижних ключей мостового инвертора гальванически не изолированы от выходов управления ШИМ-контроллера, что снижает помехозащищенность цепей управления нижними ключами, а значит надежность устройства;
3) отсутствует тепловая защита, что ограничивает функциональные возможности и надежность;
4) нет начального тестирования состояния устройства, что снижает надежность.
Известен преобразователь постоянного напряжения в постоянное (конвертор) (патент RU 2539560 С1, МПК: Н02М 3/00, Н02М 3/335), содержащий блок управления, два транзисторных моста, два трансформатора, выпрямительные диоды, соединенные с вторичными обмотками трансформаторов по двух-полупериодной схеме, схему управления конвертором, причем, для снижения потерь используется специальный алгоритм переключения транзисторов мостов. Данное устройство является наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению и выбрано в качестве прототипа.
Недостатками данного устройства, выбранного в качестве прототипа, являются:
1) так как добиться конструктивной идентичности трансформаторов сложно, при этом также существует разброс параметров сердечников трансформаторов, при работе устройства может возникнуть дисбаланс токов транзисторных мостов, причем тем больше, чем больше ток нагрузки. При этом ток мостов не контролируется, это может привести к перегрузке одного из транзисторных мостов, что снижает надежность;
2) отсутствует контроль тока питания конвертора, что не позволяет реализовать защиту по току в случае перегрузки на входе и выходе конвертора, это может привести к выходу из строя не только транзисторов мостов, но и внешнего источника питания, что снижает надежность;
3) отсутствует температурная защита устройства, это ограничивает перегрузочные возможности и возможность работы при повышенной температуре среды, что ограничивает область применения, а значит функциональные возможности;
4) транзисторные мосты конвертора работают непрерывно, не зависимо от тока нагрузки, это может приводить к дополнительному нагреву, что снижает надежность;
5) отсутствует режим начального тестирования состояния блоков устройства при включении, что снижает надежность;
6) отсутствует защита выхода конвертора от перенапряжения, что ограничивает функциональные возможности устройства.
Технической задачей заявляемого изобретения является повышение надежности и расширение функциональных возможностей конвертора напряжения.
Поставленные задачи достигаются тем, что в известный конвертор напряжения, содержащий два мостовых инвертора напряжения, два трансформатора, два выпрямителя, блок управления, дополнительно введены, согласно изобретению, блок включения, входной фильтр, датчик напряжения, датчик температуры, резистор и ключ схемы слива, два датчика тока, выходной фильтр, блок обдува,
блок управления выполнен с возможностью реализации функции регулятора тока и напряжения конверторных каскадов и алгоритма тестирования начального состояния устройства,
при этом, каждые последовательно соединенные соответствующие датчик тока, мостовой инвертор напряжения, трансформатор и выпрямитель образуют конверторный каскад,
причем количество конверторных каскадов, входящих в состав конвертора напряжения, определяется необходимой выходной мощностью конвертора напряжения,
при этом, клеммы питания "+" и "-" соединены с первым и вторым входами блока включения, первый и второй выходы блока включения соединены с первым и вторым входами входного фильтра, первый выход входного фильтра соединен со входами датчиков тока питания конверторных каскадов, выходы которых соединены с первыми входами мостовых инверторов напряжения, вторые входы мостовых инверторов напряжения соединены со вторым выходом входного фильтра, выходы мостовых инверторов напряжения конверторных каскадов соединены с первичными обмотками трансформаторов конверторных каскадов, первые, вторые и третьи выводы вторичных обмоток трансформаторов соединены с первыми, вторыми и третьими входами выпрямителей конверторных каскадов, первые, вторые и третьи выходы выпрямителей конверторных каскадов соединены с первым, вторым, третьим, четвертым, пятым и шестым входами выходного фильтра, первый выход выходного фильтра соединен с клеммой «Вых1», первым входом датчика напряжения и первым выводом резистора схемы слива, второй выход выходного фильтра соединен с клеммой «Вых2», со вторым входом датчика напряжения и вторым выводом ключа схемы слива, первый вывод ключа схемы слива соединен со вторым выводом резистора схемы слива,
кроме того, первый выход блока управления соединен с входом управления ключа схемы слива, второй и третий выходы блока управления соединены со входами управления мостовых инверторов напряжения конверторных каскадов, четвертый выход блока управления соединен с входом управления блока включения, пятый выход блока управления соединен с входом управления блока обдува, первый вход блока управления соединен с сигнальным выходом датчика напряжения, второй и третий входы блока управления соединены с выходами датчиков тока конверторных каскадов, четвертый вход блока управления соединен с выходом датчика температуры, пятый вход блока управления соединен с клеммой управления конвертором «Вх».
Кроме того блок управления состоит из драйвера управления ключами, усилителя, схемы обработки сигналов датчиков и схемы управления, причем первый выход схемы управления соединен с входом драйвера управления ключами, второй выход соединен с входом усилителя, первый вход соединен с выходом схемы обработки сигналов датчиков, а второй вход с клеммой управления конвертором «Вх».
Сравнение заявляемого изобретения с другими техническими решениями показывает, что их введение в указанной связи позволяет:
1) за счет введения в каждом конверторном каскаде датчика тока питания мостового инвертора напряжения (МИН) конверторного каскада и реализации в блоке управления регуляторов тока питания каждого конверторного каскада, уменьшается или совсем исключается дисбаланс токов мостов. Это обеспечивает равномерное распределение токовой нагрузки на транзисторные ключи МИН, что повышает надежность;
2) за счет введения в каждом конверторном каскаде датчика тока питания МИН конверторного каскада контролируется общий ток питания устройства, это позволяет реализовать защиту по току при перегрузке по входу и по выходу устройства, что также повышает надежность устройства;
3) за счет введения датчика температуры, установленного на радиаторе, на котором установлены ключи МИН конверторных каскадов, обеспечивается защита в случае перегрева ключей при длительной перегрузке или работе устройства при повышенной температуре окружающей среды, что повышает надежность и расширяет функциональные возможности;
4) за счет введения режима переключения конверторных каскадов в зависимости от тока нагрузки снижается нагрев ключей, что повышает надежность;
5) за счет введения режима начального тестирования, при котором проверяется состояние блоков устройства и ток питания холостого хода конверторных каскадов, исключается включение неисправного конверторного каскада, что повышает надежность устройства;
6) за счет введения схемы слива, которая срабатывает по сигналу датчика напряжения, обеспечивается защита выхода устройства от превышения напряжения, например, при использовании устройства как источника питания в составе электропривода (режим торможения и реверса двигателя), что расширяет функциональные возможности устройства;
7) за счет реализации в блоке управления регулятора напряжения, который использует выходной сигнал датчика напряжения, обеспечивается стабилизация выходного напряжения конвертора при изменении напряжения источника питания и изменении нагрузки, что расширяет функциональные возможности устройства.
На фиг. 1 изображена функциональная схема заявляемого конвертора напряжения.
На фиг. 2 изображена функциональная схема блока управления конвертора напряжения.
Сокращения, принятые в тексте и на фигуре:
БВк - блок включения;
БО - блок обдува;
БУ - блок управления;
В - выпрямитель;
ДН - датчик напряжения;
Др - драйвер ключей;
ДТ - датчик тока;
Дтем - датчик температуры;
КК - конверторный каскад;
МИН - мостовой инвертор напряжения;
СхОСД - схема обработки сигналов датчиков;
СхС - схема слива;
СхУ - схема управления;
Т - трансформатор;
У - усилитель выходных сигналов;
Фвх - входной фильтр;
Фвых - выходной фильтр.
Конвертор напряжения (фиг. 1) содержит блок включения БВк 1, входы которого соединены с входными клеммами питания "+" и "-", блок управления БУ 2, входной фильтр Фвх 3, входы которого соединены с выходами блока включения БВк 1, по меньшей мере, два конверторных каскада КК1 4 и КК2 5, каждый из которых состоит из датчика тока питания (ДТ1, ДТ2) 6,7, вход каждого из которых соединен с первым выходом входного фильтра Фвх 3, мостового инвертора напряжения (МИН1, МИН2) 8,9, первый вход которых соединен с выходом каждого датчика тока питания (ДТ1, ДТ2) 6,7, а второй вход со вторым выходом входного фильтра Фвх 3, трансформаторы (T1, Т2) 10,11, первичная обмотка которых соединена с выходами каждого мостового инвертора напряжения (МИН1, МИН2) 8,9, выпрямителя (B1, В2) 12,13, входы которых соединены с выводами вторичных обмоток трансформаторов (T1, Т2) 10,11,
кроме того, конвертор напряжения дополнительно содержит выходной фильтр Фвых 14, датчик напряжения Дн 15, схему слива (СхС) 16, в состав которой входит резистор 17 и транзисторный ключ 18, блок обдува 19 и датчик температуры 20, установленный на радиаторе (на фиг. не показан), который имеет тепловой контакт с ключами МИН 8,9 конверторных каскадов (КК1,КК2) 4,5,
при этом, входы выходного фильтра Фвых 14 соединены с выходами выпрямителей (B1, В2) 12,13 конверторных каскадов КК1 4 и КК2 5, а выходы соединены с клеммами «Вых1» и «Вых2», а также со входами датчика напряжения ДН 15 и первым выводом резистора 17 схемы слива СхС 16, и вторым выводом ключа 18 схемы слива СхС 16,
при этом, второй вывод резистора 17 схемы слива СхС 16 соединен с первым выводом ключа 18 схемы слива СхС 16, а вход управления ключа 18 схемы слива СхС 16 соединен с первым выходом блока управления 2, второй и третий выходы которого соединены со входами мостовых инверторов напряжения 8,9, четвертый выход блока управления 2 соединен со входом управления блока включения 1, пятый выход блока управления 2 соединен со входом блока обдува 19, первый вход блока управления 2 соединен с сигнальным выходом датчика напряжения 15, второй и третий входы блока управления 2 соединены с сигнальными выходами датчиков тока питания конверторных каскадов 6,7, четвертый вход блока управления 2 соединен с выходом датчика температуры 20, а пятый вход блока управления 2 соединен с клеммой управления «Вх».
Кроме того, блок управления 2 (фиг. 2) состоит, в свою очередь, из схемы управления СхУ 21, которая может быть реализована на основе микроконтроллера, например, 1986 ВЕ92У, драйвера управления ключами МИН конверторных каскадов Др 22, который выполнен по схеме с гальванической изоляцией цепей управления схемы управления СхУ 21 и управляющих выводов ключей МИН 8,9 конверторных каскадов, усилителя выходных сигналов У 23, который может быть реализован, например, на основе транзисторных оптопар, и схемы обработки сигналов датчиков СхОСД 24, поступающих с датчиков тока питания ДТ1 6, ДТ2 7, датчика напряжения ДН 15 и датчика температуры ДТ 20, которая может быть реализована, например, на основе операционных усилителей, при этом первый выход схемы управления СхУ 21 соединен с входом драйвера управления ключами Др 22, второй выход соединен с входом усилителя У 23, первый вход соединен с выходом схемы обработки сигналов датчиков СхОСД 24, а второй вход с клеммой управления конвертором «Вх».
Конвертор напряжения работает следующим образом:
При подаче сигнала включения через вход управления «Вх» на схему управления 21 блока управления 2 происходит включение питания схемы управления 21, при этом запускается выполнение тестовой программы (режим начального тестирования), которая проверяет параметры датчиков тока питания ДТ1 6, ДТ2 7, датчика напряжения ДН 15, датчика температуры ДТ 20 и параметры схемы обработки сигналов датчиков СхОСД 24. После успешного прохождения первого этапа тестирования через усилитель У 23 подается сигнал включения на блок включения БВк 1, который может быть реализован, например, на основе контактора КНЕ220. С выхода блока включения БВк 1 силовое питание подается на входной фильтр Фвх 3, который предназначен для фильтрации входного напряжения питания и гашения коммутационных пульсаций напряжения питания, возникающих при работе конверторных каскадов, с выхода входного фильтра Фвх 3 силовое питание подается через датчики тока питания (ДТ1, ДТ2) 6,7 (например, датчик тока на эффекте Холла) на мостовые инверторы напряжения конверторных каскадов (МИН1, МИН2) 8,9, при этом драйвер управления ключами Др 22 блока управления БУ 2 выключен, а запущенная после включения схемы управления тестовая программа проверяет токи питания конверторных каскадов и в случае превышения допустимого значения снимает сигнал включения с блока включения БВк 1.
В случае успешного прохождения первого этапа программы тестирования, импульсный сигнал управления со схемы управления СхУ 21 подается на драйверы ключей Др 22 и далее на входы управления мостовых инверторов напряжения (МИН1, МИН2) 8,9, для управления которыми может быть применено, например, фазовое управление ключами [2].
На выходе мостовых инверторов напряжения (МИН1, МИН2) 8,9 формируется импульсное двух-полярное напряжение с амплитудой, равной напряжению питания конвертора напряжения, которое подается на первичные обмотки трансформаторов (T1, Т2) 10,11 конверторных каскадов (КК1, KK2) 4, 5, со вторичных обмоток которых переменное напряжение, примерно равное произведению напряжения питания конвертора напряжения на коэффициент трансформации трансформаторов (T1, Т2) 10,11, поступает на выпрямители (B1, В2) 12,13 конверторных каскадов (КК1, КК2) 4, 5. С выхода выпрямителей (B1, В2) 12,13 импульсное однополярное напряжение подается на вход выходного фильтра 14, с выхода которого постоянное напряжение подается на выходные клеммы «Вых1» и «Вых2» конвертора напряжения, вход датчика напряжения 15 и схему слива 16. На выходе датчика напряжения формируется сигнал обратной связи по напряжению, который подается на вход схемы управления 21 блока управления 2 через схему обработки сигналов датчиков 24.
В схеме управления 21 блока управления 2 реализован регулятор напряжения, например, на основе ПИД регулятора [3], в результате чего, если выходное напряжение превышает заданное значение, на выходе регулятора напряжения формируется корректирующий импульсный сигнал, который через драйвер 22 блока управления 2 подается на управляющие входы ключей (МИН1, МИН2) 8,9, в результате напряжение устанавливается на заданном в управляющей программе уровне. Таким образом, происходит стабилизация выходного напряжения при изменении напряжения питания конвертора напряжения или изменении нагрузки конвертора напряжения.
Также в схеме управления 21 блока управления 2 реализованы регуляторы токов питания конверторных каскадов, которые могут быть построены, например, на основе ПИД регуляторов. Сигнал на вход регуляторов поступает с выходов датчиков тока конверторных каскадов 6,7 через схему обработки сигналов датчиков 24, при этом опорное значение токов конверторных каскадов определяется по формуле:
Iop_n=Ipit(t)/N,
где:
Iop_n - опорное значение для каждого регулятора;
Ipit(t) - суммарный ток питания конверторных каскадов (сумма сигналов с датчиков тока конверторных каскадов);
N - количество конверторных каскадов;
при этом, должно выполняться условие:
Ipit(t)≤Ipit_max,
где:
Ipit_max - ток стабилизации конвертора питания при перегрузке (максимальный ток питания).
В результате токи питания конверторных каскадов «выравниваются», а так же, в случае перегрузки по выходному току, суммарный ток питания конвертора напряжения ограничен на заданном, допустимом уровне, что позволяет применять конвертор напряжения для питания нагрузки с широким диапазоном изменения потребляемого тока, а также при импульсной кратковременной перегрузке.
Если конвертор напряжения используется как источник питания в электроприводах постоянного или переменного тока, то в режиме торможения или реверса электродвигателя постоянного или переменного тока, происходит рекуперация энергии торможения на выходной фильтр Фвых 14 питания конвертора напряжения, в результате, напряжение на конденсаторах фильтра Фвых 14 увеличивается до напряжения срабатывания схемы слива 16. При этом по сигналу с датчика напряжения 15 схема управления 21 блока управления 2 через усилитель 23 выдает сигнал включения на управляющий вход ключа 18 схемы слива 16. При этом энергия торможения (реверса) электродвигателя за вычетом потерь на обмотках электродвигателя и ключах внешнего инвертора рассеивается на резисторе 17 схемы слива 16.
Для исключения перегрева и выхода из строя резистора 17 по сигналу с блока управления 2 включается блок обдува 19, который охлаждает резистор 17 и радиатор с установленными ключами МИН конверторных каскадов. Блок обдува 19 так же включается по сигналу с датчика температуры 20, который установлен на радиаторе с установленными ключами МИН конверторных каскадов, что обеспечивает принудительное охлаждение ключей при длительной максимальной нагрузке и при повышенной температуре окружающей среды.
Для уменьшения тепловыделения на ключах мостовых инверторов напряжения 8,9 введен режим переключения конверторных каскадов. При этом, если ток нагрузки конвертора напряжения ниже определенного значения, работает один из двух конверторных каскадов и происходит периодическое переключение. При этом момент выключения одного конверторного каскада и момент включения другого конверторного каскада перекрывается по времени. Это сделано для исключения провалов выходного напряжения при переключении, если ток нагрузки превысит заданное значение - включаются два конверторных каскада.
Количество конверторных каскадов, входящих в состав конвертора напряжения, определяется необходимой выходной мощностью конвертора напряжения и параметрами трансформаторов конверторных каскадов, при этом количество одновременно включенных конверторных каскадов определяется заданным током нагрузки.
Алгоритм переключения, например, при наличии трех конверторных каскадов в составе конвертора напряжения:
условие одновременно включенные конверторные каскады включения и направление переключения
при этом: Iop_2>Iop_1
где,
I(t) - текущее значение тока питания конвертора напряжения;
Iop_1 - первое пороговое значение тока питания;
Iop_2 - второе пороговое значение тока питания;
kkn - включенный n-ый конверторный каскад;
В блоке управления 2 конвертора напряжения реализована также максимально-токовая защита и защита от превышения максимально допустимой температуры, которая может быть реализована, например, на основе компараторов. При этом, при превышении максимального тока питания конвертора напряжения на выходе схемы управления 21 коэффициент заполнения управляющих импульсов уменьшается до ноля, выходное напряжение конвертора напряжения также снижается до ноля. Через определенное время, которое задается в алгоритме защиты, происходит плавное нарастание коэффициента заполнения управляющих импульсов на выходе схемы управления 21, выходное напряжение конвертора напряжения так же плавно нарастает. Если перегрузка на выходе конвертора напряжения, превышающая максимально-допустимую, или короткое замыкание не устранены, то происходит повторное срабатывание защиты. Время работы в режиме защиты ограничено и определяется алгоритмом работы, по истечении которого происходит блокировка драйвера 22 блока управления 2 и отключение питания конвертора напряжения по сигналу с выхода схемы управления 21 через усилитель 23 на вход управления блока включения 1. При превышении максимальной температуры происходит выключение конверторных каскадов через драйверы 22 блока управления 2, после этого отключается силовое питание конвертора напряжения через блок включения 1.
Таким образом, предложенное техническое решение позволяет:
- обеспечить равномерное распределение токовой нагрузки на транзисторные ключи МИН, что повышает надежность;
- реализовать защиту по току при перегрузке по входу и по выходу устройства, что повышает надежность устройства;
- обеспечить защиту в случае перегрева ключей при длительной перегрузке или работе устройства при повышенной температуре окружающей среды, что повышает надежность и расширяет функциональные возможности;
- снизить нагрев ключей, что повышает надежность;
- исключить включение неисправного конверторного каскада, что повышает надежность устройства;
- обеспечить защиту выхода устройства от превышения напряжения, что расширяет функциональные возможности устройства;
- обеспечить стабилизацию выходного напряжения конвертора напряжения при изменении напряжения источника питания и изменении нагрузки, что расширяет функциональные возможности устройства.
Положительный эффект предлагаемого преобразователя подтвержден проведенными автономными испытаниями конвертора напряжения и испытаниями конвертора напряжения в составе электропривода.
Источники литературы:
1. Готтлиб И.М. Источники питания. Инверторы. Конверторы. Линейные и импульсные стабилизаторы / И.М. Готтлиб. - М: Посмаркет, 2002. - С. 472.
2. Мелешин В.И. Транзисторная преобразовательная техника / В.И. Мелешин. - М: Техносфера, 2005. - С. 339).
3. Козаченко В.Ф. Практическое руководство по применению 16-ти разрядных микроконтроллеров Intel MCS-196/296 в встроенных системах управления / В.Ф. Козаченко. - М: ЭКОМ, 1997. - 500 с.