Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАРЯДА ЕМКОСТНОГО НАКОПИТЕЛЯ

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для питания устройств, использующих энергию предварительно заряженных конденсаторных батарей.

Для зарядки емкостных накопителей применяются источники электропитания на базе преобразователей постоянного напряжения, в которых для повышения КПД реализуется режим стабилизации зарядного тока.

Известно устройство для заряда накопительного конденсатора, опубликованное в книге "Источники электропитания лазеров". М.: Изд-во Энергоиздат, 1981 г., стр.77. Известное устройство содержит преобразователь напряжения, подключенный к емкостному накопителю, и систему управления.

Недостатком известного устройства является низкая точность регулирования зарядного напряжения, так как оно производится изменением напряжения пробоя самого питаемого прибора, величина которого имеет большой статистический разброс и низкую временную стабильность. Кроме того, для обеспечения безопасной работы двухтактного преобразователя на емкостную нагрузку приходится принимать специальные меры по ограничению зарядного тока.

Применение последовательных резонансных преобразователей, работающих в режиме прерывистого тока дросселя, позволяет реализовать ограничение зарядного тока автоматически.

Известно устройство для заряда накопительного конденсатора, опубликованное в журнале J. Phys. E, Sci. Instrum., v.21, №7, 1988 г., стр.663-666. Известное устройство содержит последовательный резонансный преобразователь, подключенный к емкостному накопителю, и систему управления, включающую источник опорного напряжения и модулятор, выход которого подключен к входу преобразователя.

Известное устройство работает в режиме частотно-импульсной модуляции мощности и регулирует зарядное напряжение посредством изменения частоты импульсов сигналом рассогласования (ошибки).

Недостатком известного устройства является низкая точность регулирования зарядного напряжения из-за недостаточного быстродействия частотно-импульсного модулятора при быстрых переходных процессах.

Лучшие динамические характеристики обеспечивают схемы управления с релейной модуляцией, обладающие минимальным запаздыванием.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является устройство для заряда емкостного накопителя (С.Н.Буранов и др., “Квазирезонансный преобразователь постоянного напряжения для зарядки емкостных накопителей”), опубликованное в журнале "Приборы и техника эксперимента", 1999 г., №2, стр.84-87. Известное устройство содержит последовательный резонансный преобразователь напряжения, подключенный к емкостному накопителю, и систему управления, включающую релейный модулятор, выполненный по схеме сдвигового регистра, устройство запуска, выходом подключенное к управляющему входу модулятора, и источник опорного напряжения, выходом подключенный к первому входу сравнения модулятора, второй вход сравнения которого соединен с емкостным накопителем, управляющий выход модулятора подключен к входу преобразователя, а командный выход модулятора соединен с управляющим входом устройства запуска.

Однако данное устройство имеет недостаточную точность регулирования. Модулятор формирует автономные циклы управления по сигналам устройства запуска, вырабатываемым под действием импульсов тактового генератора. В результате временная задержка включения преобразователя составляет не менее чем четыре периода колебаний тактовой частоты, что ухудшает быстродействие и соответственно снижает точность. Кроме того, окончание процесса зарядки определяется величиной опорного напряжения, задаваемой переменным резистором вручную, что также снижает точность регулирования зарядного напряжения.

При создании изобретения решалась задача обеспечения точных выходных параметров импульсно-периодических электрофизических установок, использующих энергию предварительно заряженных конденсаторов.

Техническим результатом изобретения является повышение точности регулирования зарядного напряжения за счет уменьшения времени реакции системы управления и кодового управления опорным напряжением.

Указанный технический результат достигается тем, что по сравнению с известным устройством для заряда емкостного накопителя, содержащим последовательный резонансный преобразователь напряжения, подключенный к емкостному накопителю, и систему управления, включающую релейный модулятор, выполненный по схеме сдвигового регистра, устройство запуска, выходом подключенное к управляющему входу модулятора, и источник опорного напряжения, выходом подключенный к первому входу сравнения модулятора, второй вход сравнения которого соединен с емкостным накопителем, управляющий выход модулятора подключен к входу преобразователя, а командный выход модулятора соединен с управляющим входом устройства запуска, в заявляемом устройстве для заряда емкостного накопителя новым является то, что управляющий выход модулятора дополнительно соединен с входом сброса устройства запуска. Кроме того, источник опорного напряжения выполнен по схеме, формирующей сигнал на выходе цифроаналогового преобразователя, амплитуда которого определяется кодом числа на его входе.

Введение цепи обратной связи между выходом модулятора и входом сброса устройства запуска позволяет сократить временную задержку момента формирования автономного симметричного цикла по команде разрешения почти в два раза. Это увеличивает быстродействие системы управления, уменьшает динамическую нестабильность зарядного напряжения и повышает точность регулирования. Кроме того, в отличие от прототипа, здесь осуществляется кодовое управление опорным напряжением. При этом увеличивается точность преобразования и снижается время установления, что также повышает точность регулирования зарядного напряжения.

На фиг.1 представлена структурная схема заявляемого устройства для заряда емкостного накопителя. На фиг.2 показана структурная схема последовательного резонансного преобразователя. На фиг.3 приведена структурная схема релейного модулятора и устройства запуска. На фиг.4 представлены временные диаграммы, поясняющие работу устройства.

На приведенных фигурах использованы следующие обозначения: K - сигнал управления; RG - последовательный сдвиговый регистр; С - тактовый вход регистра; R - вход сброса регистра; D - информационный вход регистра; Q0-Q3 - выходы разрядов регистра; U_оп - опорное напряжение; U_д - напряжение делителя; U₁, U₂ - выходы усилителя мощности.

Устройство для заряда емкостного накопителя содержит последовательный резонансный преобразователь 1 (фиг.1), подключенный к емкостному накопителю 2, и систему управления 3, включающую релейный модулятор 4, устройство запуска 5, выходом подключенное к управляющему входу модулятора 4, и источник 6 опорного напряжения U_оп, выходом подключенный к первому входу сравнения модулятора 4, второй вход сравнения которого соединен с емкостным накопителем 2, управляющий выход модулятора 4 подключен к входу преобразователя 1, а командный выход модулятора 4 соединен с управляющим входом устройства запуска 5. Кроме того, управляющий выход модулятора 4 дополнительно соединен с входом сброса устройства запуска 5, а опорное напряжение U_оп источника 6, выполненного по схеме цифроаналогового преобразователя, задают кодом числа К на его входе.

Преобразователь 1 включает последовательно соединенные усилитель мощности 7 (фиг.2), последовательный резонансный инвертор 8, трансформатор 9 и выпрямительное устройство 10, выходом подключенное к емкостному накопителю 2.

Релейный модулятор 4 содержит делитель напряжения 11 (фиг.3), подключенный к емкостному накопителю 2, устройство сравнения 12, задающий генератор 13, выполненный в виде последовательного регистра сдвига, и тактовый генератор 14. При этом выходное напряжение U_д делителя 11 подается на второй вход устройства сравнения 12, первый вход которого соединен с выходом источника 6 опорного напряжения, а выход устройства 12 соединен с информационным входом последовательного регистра сдвига, на базе которого выполнено устройство запуска 5. Выход Q1 второго разряда регистра устройства 5 подключен к информационному входу регистра задающего генератора 13, выходы Q0-Q3 разрядов этого регистра подключены к входам усилителя мощности 7, а выход тактового генератора 14 соединен с тактовыми входами регистров (на фиг.3 не показано). Кроме того, выход Q0 первого разряда регистра задающего генератора 13 дополнительно соединен с входом сброса регистра устройства запуска 5.

На фиг.4 приведены следующие диаграммы: 1 - импульсы тактового генератора 14; 2 - напряжение на выходе устройства сравнения 12; 3 - напряжение на выходе устройства запуска 5; 4-7 - импульсы на выходах Q0-Q3 регистра задающего генератора 13; 8, 9 - импульсы управления на выходах U₁, U₂ усилителя мощности 7; 10 - импульсы тока в первичной обмотке трансформатора 9.

На диаграммах фиг. 4 использованы следующие обозначения: t₁ - момент формирования команды разрешения; t₂ - момент появления напряжения высокого уровня на выходе Q1 регистра устройства запуска 5; T_т - период повторения тактовых импульсов; t₃ - момент формирования команды остановки; T_ц - минимальный симметричный цикл; t_зад - время задержки включения инвертора 8.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Система 3 управляет преобразователем 1 (фиг.1) по двухпозиционному релейному закону регулирования. При этом используются серии импульсов длительностью, кратной минимальному циклу, обеспечивающему симметричное перемагничивание магнитопровода трансформатора 9. Серии импульсов, вырабатываемые на выходах U₁, U₂ усилителя мощности 7 (фиг.2), сдвинуты друг относительно друга на период собственных колебаний резонансного контура инвертора 8. В результате реализуется режим прерывистого тока дросселя с переключением силовых транзисторов моста (полумоста) в нуле тока. Это обеспечивает низкие коммутационные потери и естественное ограничение тока.

Длительность отдельной серии определяется временем, в течение которого напряжение U_д делителя 11 меньше опорного напряжения U_оп. Двухпороговое устройство сравнения 12, имеющее гистерезис Δ, сравнивает U_д с U_оп и вырабатывает команду разрешения (логическая 1, если U_д ≤ U_оп-Δ) или остановки (логический 0, если U_д ≥ U_оп). При этом инвертор 8 включается и останавливается в санкционированные моменты времени с задержкой t_зад, необходимой для формирования циклов управления.

Работа устройства иллюстрируется временными диаграммами на фиг.4. Импульсы тактового генератора 14 (диагр.1) синхронизуют работу задающего генератора 13, устройства запуска 5 и определяют частоту следования управляющих импульсов на выходах U₁, U₂ усилителя мощности 7. Однако пока устройство сравнения 12 находится в состоянии лог. 0 на выходах Q0-Q3 четырехразрядных регистров записываются лог. 0 и инвертор 8 не работает. В момент времени t₁ (U_д ≤ U_оп-Δ) устройство 12 переключается в состояние лог. 1 (диагр.2). Тогда под действием тактовых импульсов нулевые состояния регистра устройства 5 последовательно переключаются в состояние высокого логического уровня и в момент времени t₂ уровень лог.1 появляется на выходе Q1 второго разряда (диагр.3). Так как регистры устройства 5 и генератора 13 соединены по следующей кольцевой схеме: выход Q1 второго разряда - информационный вход D - выход Q0 первого разряда - вход R сброса (фиг.3), то на выходах Q0-Q3 генератора 13 поочередно формируются импульсы длительностью в период T_т повторения тактовых сигналов (диагр.4-7), образующие автономный цикл управления. Текущий цикл завершается полностью независимо от момента t₃ (U_д=U_оп) снятия команды разрешения (диагр.2). Выходы Q0, Q1 и Q2, Q3 подключены к входам двухтактных усилителей мощности, формирующих на U₁, U₂ сигналы управления плечами мостовой (полумостовой) схемы транзисторного инвертора 8 (диагр.8, 9). В первичной обмотке трансформатора 9 возбуждаются импульсы тока синусоидальной формы. Причем благодаря цепи обратной связи временная задержка t_зад ≤ 2,5×Т_т. Четыре полуволны тока составляют минимальный цикл Т_ц, обеспечивающий симметричное перемагничивание магнитопровода (диагр.10). Напряжение переменного тока вторичной обмотки трансформатора 9 выпрямляется устройством 10 и заряжает емкостной накопитель 2.

В исходном состоянии емкостной накопитель 2 разряжен. Поэтому U_д<U_оп и устройство сравнения 12 вырабатывает команду разрешения, осуществляя перезапуск циклов управления. В результате на выходе выпрямительного устройства 10 зарядное напряжение нарастает до верхнего уровня. В этот момент U_д=U_оп и устройство 12 формирует команду остановки, блокируя устройство 5 запуска. После завершения текущего цикла управления инвертор 8 выключается. По цепям нагрузки или утечки напряжение на емкостном накопителе 2 уменьшается до нижнего значения, при котором U_д=U_оп-Δ. В этот момент на вход устройства 5 поступает команда разрешения, инвертор 8 вновь включается и напряжение на емкостном накопителе 2 увеличивается до верхнего уровня. Далее последовательность операций в процессе регулирования повторяется, удерживая зарядное напряжение в заданных пределах. Увеличение (уменьшение) опорного напряжения вызывает соответствующее изменение зарядного напряжения и его стабилизацию на новом уровне по описанному выше алгоритму. Так как величина гистерезиса Δ значительно меньше U_оп, то пульсации зарядного напряжения малы, обеспечивая необходимую точность.

В предлагаемом устройстве введена дополнительная связь между управляющим выходом модулятора 4 и входом сброса устройства запуска 5. В результате в процессе регулирования зарядного напряжения временная задержка t_зад включения преобразователя 1 относительно моментов переключения устройства 12 не превышает 2,5 периодов тактовой частоты (фиг.4), что по сравнению с прототипом позволяет отслеживать более быстрые переходные процессы по току и напряжению питания, и соответственно повысить точность регулирования зарядного напряжения. Кроме того, в предлагаемом устройстве пороги срабатывания релейного устройства 12 задаются источником 6 опорного напряжения в соответствии с двоичным кодом числа К на его входе. При этом преобразование цифровой информации в аналоговую осуществляется с помощью цифроаналогового преобразователя с высокой точностью и линейностью при обеспечении высокой скорости изменения U_оп, что также повышает точность зарядного напряжения.

В примере реализации заявляемого устройства в инверторе 8 предложенного устройства использовались транзисторы КП955А и обратные диоды 2Д2990А. Питание инвертора производилось сетевым (220 В) выпрямителем. Выпрямительное устройство 10 выполнено на основе диодов КД226Д или КЦ106. Задающий генератор 13 и запускающее устройство 5 выполнены на двух регистрах, входящих в микросхему К561ИР2. Усилитель мощности 7 - двухтактный, с трансформаторной развязкой. В устройстве 12 сравнения использовался компаратор К554СА3 или микросхема КР1006ВИ1, включенная по схеме компаратора с заданным гистерезисом. Тактовый генератор 14 выполнен на трех логических элементах микросхемы К561ЛА7. Рабочая частота тактового генератора 14 равнялась 100 кГц. При этом максимальная задержка t_зад работы преобразователя 1 не превышала 25 мкс. В качестве регулируемого источника 6 опорного напряжения применялся цифроаналоговый преобразователь КР572ПА1, обеспечивающий точность преобразования не хуже ±0,2% при времени установления U_оп не более 2 мкс. Суммарная нестабильность зарядного напряжения не превышала ±0,5%.

Предложенное устройство прошло успешные испытания в составе источника питания медицинского СО₂-лазера и медицинского озонатора, обеспечивая в условиях сильных помех высокую точность регулирования.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет повысить по сравнению с прототипом точность регулирования зарядного напряжения в два раза. Точность обеспечивается высокими динамическими параметрами системы управления и кодовым управлением опорным напряжением.