ДВУХСТУПЕНЧАТАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ НАГРУЗКА
TWO-STAGE ELECTRONIC 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.
Известно, что продолжительные испытания источников электроэнергии проводятся путем подключения источника к резистивной нагрузке, что приводит к большому и практически бесполезному расходу электроэнергии, а также связано с техническими сложностями при отведении большой тепловой мощности от нагрузок и, в конечном счете, влечет финансовые потери для предприятия, выпускающего подобную продукцию. Поэтому разрабатываются электронные нерассеивающие нагрузки (ЭНН), которые позволяют существенно (в 4…6 раза) сократить расход электроэнергии при испытаниях.
В [1] описано испытание транзисторного выпрямителя, при котором он нагружается на инвертор такой же мощности, а с целью экономии электроэнергии, потребляемой при испытаниях, к сети переменного тока подключается дополнительный транзисторный выпрямитель, выходная мощность которого должна покрывать потери в испытываемом преобразователе и в инверторе. Недостатками данного устройства являются необходимость использования двух дополнительных преобразователей (инвертора и дополнительного транзисторного выпрямителя), сложность и неэффективность проведения испытания, поскольку отсутствует контроллер, выполняющий управляющие и защитные функции.
В [2] описано техническое решения двух- и трехступенчатых ЭНН, передающих энергию к сети переменного тока, однако построение первой ступени, связанной с выходом испытываемого преобразователя, не обеспечивает повышенный КПД ЭНН, а размеры входного фильтра оказываются недопустимо большими.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением, известным авторам по совокупности признаков, является ЭНН, которая описана в [3]. ЭНН содержит несколько ступеней силовой части, первая подключается к испытываемому устройству, вторая обеспечивает гальваническую развязку между входом постоянного тока и сетью, а третья, выполненная на основе низкочастотного инвертора, передает мощность от испытываемого устройства к сети. Недостатками данного устройства являются трехступенчатая структура, обуславливающая недостаточно высокий КПД, а так же ограниченные возможности управления, связанные с применением цифрового контроллера на вторичной стороне ЭНН, гальванически связанной с сетью.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является значительное повышение КПД ЭНН, снижение размеров и стоимости входного фильтра, достигаемое тем, что первая ступень выполнена на основе трансформаторного преобразователя, управляемого током с дросселем на входе, введены вспомогательный преобразователь, подключенный через мостовой выпрямитель к сети для обеспечения начального заряда накопительного конденсатора, и контроллер в систему управления, подключенный к первичной стороне системы для подачи команд на ШИМ-контроллер и драйверы DC-DC преобразователя, который переключает с перекрытием транзисторы первой ступени, повышая напряжение на накопительном конденсаторе до заданного уровня, после чего контроллер передает на вторичную сторону синусоидальный опорный сигнал и включает в работу как первичную, так и вторичную стороны силовой части ЭНН.
На фиг.1 показана общая схема подключения ЭНН к испытуемому преобразователю (ИП) и сети переменного тока. На фиг.2 показана структурная схема ЭНН. На фиг.З показана схема силовой части ЭНН. На фиг.4 показана структура системы управления. На фиг.5 показана диаграмма коммутации ключей первой ступени ЭНН.
На фиг.1 обозначено:
сети
ип
энн
i, i, i - ток, отбираемый от сети, входной ток ИП и выходной ток ЭНН
соответственно.
сети
энн
ип
ип
Ток i равен разности токов i и i и является небольшим по сравнению с током i, расходуется только на покрытие потерь в ИП 2 и ЭНН 3. Чем больше КПД ЭНН, тем меньший ток будет отбираться от сети 1, тем меньше будет расход электроэнергии при испытании.
ЭНН может выполняться по двух- или трехступенчатой структуре [2, 3], причем с совершенствованием транзисторов и, в частности, повышением быстродействия IGBT транзисторов двухступенчатая структура, показанная на фиг.2, является предпочтительной.
Предлагаемая ЭНН содержит трансформаторный преобразователь с дросселем на входе, управляемый током, в первой ступени 4 и высокочастотный инвертор 6 во второй (фиг.2). Кроме того, на схеме (фиг.3) имеется вспомогательный преобразователь 10 и устройство управления 7. Вспомогательный преобразователь предназначен, во-первых, для получения напряжений, питающих устройство управления, а во-вторых, для создания начального заряда выходного конденсатора 5 трансформаторного преобразователя 4 с дросселем на входе. Применение трансформаторного преобразователя с дросселем на входе в первой ступени при небольших уровнях входного напряжения (20…100 В) позволяет значительно снизить потери в этом каскаде по сравнению с любой другой схемой. При этом полагается, что применены транзисторы и выходные диоды одних и тех же типов, одинаков материал сердечников трансформатора и плотности токов в обмотках. Кроме того, входной дроссель в трансформаторном преобразователе снижает пульсации входного тока, что позволяет уменьшить размеры и стоимость входного фильтра и достичь минимального значения псофометрического шума.
Система управления 7 раскрыта на фиг.4. Она состоит из двух гальванически развязанных частей: первичной и вторичной сторон управления. На первичной стороне находятся драйверы управления ключами DC-DC преобразователя 29, ШИМ-контроллер этого преобразователя 30 и цифровой контроллер 31. На вторичной стороне находятся драйверы управления ключами инвертора 36, блок логики управления ключами инвертора 35, ШИМ-контроллер инвертора 34, блок определения перехода напряжения сети через ноль 33 и сигнальный фильтр 32, устраняющий искажения напряжения сети.
Устройство работает следующим образом. После подключения ЭНН к выходу испытуемого устройства (подано напряжение Uвх, фиг.3) и подключения к сети переменного тока (Uсети) выпрямленное напряжение через мостовой выпрямитель 9 поступает на вспомогательный преобразователь 10.
Этот преобразователь вырабатывает несколько напряжений постоянного тока, поступающих на первичную и вторичную стороны устройства управления для возможности работы аналоговых и цифровых узлов. Кроме того, преобразователь обеспечивает предварительный заряд накопительного конденсатора 5, подключенного к выходу трансформаторного преобразователя 4 с дросселем на входе до амплитуды напряжения сети (при номинальном значении напряжения сети 220 В амплитудное значение составит 311 В). Предварительный заряд конденсатора 5 производится через зарядный резистор 11. После окончания предварительного заряда этот резистор шунтируется контактами реле 12 по сигналу от контроллера 31, расположенного на первичной стороне устройства управления (фиг.4).
В этом состоянии силовые ключи трансформаторного преобразователя с дросселем на входе 4 и инвертора 6 заперты и энергия от ЭНН к испытуемому устройству не поступает. После получения сигнала контроллером 31 о завершении предварительного заряда конденсатора 5 контроллер управляет ключами 13…16 трансформаторного преобразователя 4 с дросселем на входе. Эти ключи работают с перекрытием, то есть имеется интервал времени, когда ключи двух стоек (13, 14 и 15, 16) находятся в открытом (проводящем) состоянии, как показано на фиг.5 (под стойкой понимаются два транзистора моста, вертикально расположенные на схеме, например транзисторы 13, 14). Поэтому, когда открыты ключи двух стоек, проходит ток через входной дроссель 17 и датчик тока ДТ1 18, напряжения на обмотках трансформатора равны нулю и энергия на вторичную сторону трансформатора не передается. В другом интервале периода переключения открыты диагонально расположенные на схеме ключи (13, 16 или 14, 15) и энергия от испытуемого источника, дросселя 17 через первичную обмотку 20 трансформатора 19, вторичную обмотку 21 и выпрямительный мост 22 поступает на дозаряд конденсатора 5. Как только напряжение на этом конденсаторе достигает установленного значения (400 В), сигналом «Задание входного тока» (Звхт), который поступает на первичную строну устройства управления 7, установится требуемый ток, который должен отбираться от испытуемого устройства. При получении сигнала Звхт контроллером 31 последний с помощью ШИМ-контроллера 30 и драйверов 29, расположенных на первичной стороне устройства управления 7, устанавливает требуемый коэффициент заполнения ключей 13…16 моста. Одновременно на вторичную сторону устройства управления 7 поступает от контроллера синусоидальный сигнал, близкий по форме к выпрямленному напряжению сети и сфазированный с сетью с помощью блока 33, который определяет переход напряжения сети через ноль. Этот сигнал поступает в ШИМ-контроллер 34 инвертора 6 и предназначен для задания синусоидального тока на выходе ЭНН. Вторая ступень (инвертор) начинает работать и в диагональ моста на ключах 23…26, в которую входят датчик тока ДТ2 27, дроссель 28, вход ИУ и сеть 1, поступает переменный ток, фаза которого совпадает с фазой сети. Ключи моста инвертора 23…26 работают таким образом, что чем больше напряжение на конденсаторе 5, тем больше ток уходит от ЭНН 3. Одна стойка ключей моста инвертора (например ключи 23, 24) переключается с частотой сети. В каждом полупериоде сети в режиме широтно-импульсной модуляции на высокой частоте работает только один транзистор правой стойки, а период ШИМ делится на два интервала - импульса и паузы. В интервале импульса один транзистор правой стойки включен, а в интервале паузы оба транзистора этой же стойки выключены.
Литература
1. Ю.С.Черкашин, А.И.Зубов. «Рекуперация энергии при испытаниях электроаппаратуры в процессе ее изготовления», Электричество, №3, 2007, стр.56-58.
2. Р.П.Рудзенскас, М.М.Танаев, В.И.Мелешин. «Принципы построения электронной нерассеивающей нагрузки». Электротехника, №3, 1998, стр.28-32.
3. В.И.Мелешин. «Транзисторная преобразовательная техника», изд-во «Техносфера», 2005, 632 с.