CC BY
15
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА им. С. М. КИРОВА
Том 294 1976
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ НА АВМ
В. И. СТЕПАНОВ, И. А. ГОНЧАР
(Представлена научно-техническим семинаром кафедры автоматики и телемеханики)
Для питания электронной аппаратуры широко используются стабилизированные преобразователи постоянного напряжения с широтно-импульсной модуляцией. При расчете таких преобразователей необходимо знать область устойчивости. Для определения границы области устойчивости целесообразно использовать аналоговые вычислительные машины.
На рис. 1 приведена электрическая схема тиристорного преобразователя постоянного напряжения в переменное.
Задающий генератор (ЗГ) выдает напряжение прямоугольной формы. Модулятор выполнен на транзисторе Т1 [1] с выходным трансформатором Тр4 и двумя переключающими трансформаторами Тр2 и ТрЗ. Длительность выходных импульсов пропорциональна разности токов резистора R2 и коллектора транзистора Т2. Напряжения с задающего генератора и модулятора через конденсаторы С1 и С2 соответственно передаются к управляющим электродам тиристоров Т1 Т4 регулируемого параллельного инвертора тока [2]. Конденсаторы С1, С2 совместно с сопротивлениями обмоток и входными сопротивлениями тиристоров образуют дифференцирующие цепи. Запуск инвертора происходит после запуска задающего генератора. Время задержки задается параметрами резистора R3 и конденсатора СЗ [*3].
Со вторичной обмотки инверторного трансформатора Тр5 снимается переменное напряжение, близкое к синусоидальной форме. С другой вторичной обмотки инверторного трансформатора снимается напряжение обратной связи и через выпрямитель и Г-образный фильтр Др2, С5 подается на измерительный мост.
Задачу моделирования преобразователя можно свести к построению модели широтно-импульсного модулятора, инвертора, выпрямителя и модели непрерывной части.
Структурная схема модели преобразователя представлена на рис. 2, где модели инвертора, выпрямителя и фильтра показаны в виде одного блока ИВФ. Блок-схема элемента широтно-импульсной модуляции показана на рис. 3 [4]. Она включает в себя генератор развертки 1 (генератор пилообразного напряжения), устройство сравнения 2 и формирующее устройство 3. Входной сигнал им и сигнал от генератора развертки подаются на устройство сравнения с противоположными знаками. Формирующее устройство выдает прямоугольные импульсы, длительность которых пропорциональна им. Все составные части
Ри:. 1. Схема тиристорного преобразователя постоянного напряжения в переменное
блок-схемы строятся на базе комплекта стандартных решающих элементов любой аналоговой вычислительной машины.
В литературе [4, 5, 6] описано большое число схем генераторов пилообразного напряжения, однако наиболее полно отвечает требованиям точности и простоты схема с использованием быстрого разряда конденсатора через замкнутые контакты реле [7]. Для этого исполь-
Рис. 2. Структурная схема модели преобразователя постоянного напряжения в переменное
Рис. 3. Блок-схема элемента широтно-имиульсной модуляции
зуется решающий усилитель в режиме интегрирования (усилитель 1, рис. 2). Прямоугольные кратковременные импульсы подаются на реле Р1. Контакты этого реле периодически замыкаются на короткое время и вызывают разряд емкости С1 через резистор И1. На выходе интегратора образуются импульсы пилообразной формы, частота следования которых равна частоте /г импульсов, подаваемых на реле Р1, а амплитуда определяется соотношением:
и
Яп с1/г
(1)
где и — входное напряжение интегратора; /?п и С1—входное сопротивление и емкость обратной связи интегратора 1.
Функции сравнивающего и формирующего устройства выполняет блок нелинейностей (усилитель 2 с кремниевым стабилитроном). Такая схема ограничителя надежно сохраняет нулевой уровень на выходе усилителя при наличии на входе напряжения отрицательной полярности.
При моделировании быстродействующего магнитно-транзисторного модулятора в структурную схему был введен элемент (усилитель 3, конденсатор С2, контакты реле РЗ), запоминающий дискретные значения входного сигнала. Реле РЗ периодически кратковременно срабатывает и на выходе усилителя 3 в течение полупериода сохраняется напряжение, равное входному в момент окончания импульса модулятора. Таким образом, процессы в модели будут аналогичны процессам з быстродействующем магнитно-транзисторном модуляторе [8]. Для предупреждения срабатывания реле Р2 в момент смыкания контактов РЗ в схеме использованы дополнительные контакты реле Р2, которые соединяют через дополнительный резистор выход интегратора 1 со входом сумматора 2.
Для описания процессов в инверторе примем следующие допущения:
1) индуктивности рассеивания и потери в трансформаторе отсутствуют;
2) коммутирующий дроссель Др1 имеет индуктивность 1к;
3) сопротивления тиристоров в открытых состояниях равно нулю, в закрытом — бесконечности;
4) нагрузка преобразователя приведена к половине первичной обмотке трансформатора.
В процессе работы инвертора можно выделить ряд интервалов, каждый из которых соответствует либо открытому состоянию одного из тиристоров Т1 — Т4, либо закрытому состоянию всех тиристоров (режим прерывистого тока). Последовательность включения тиристоров следующая: Т4, Т1, ТЗ, Т2. Соответствующие этой последовательности схемы замещения инвертора приведены на рис. 4, а—4, г. Для интервала, когда все тиристоры закрыты и ток дросселя 1 = 0, схема замещения инвертора представлена на рис. 4, д.
Процессы в инверторе для первых четырех интервалов описываются уравнениями
сИ
^ к ~~
си 4ЯН Ск
хЕ -р уис,
ёис
+ ис = уг/?„
при I
(2)
См 1
е Счш
где
При открытом Т4 Л гз Т2
тиристоре
X 1 0 0
У 1 1 — 1
Для интервала,
когда I — 0, процессы
описываются уравнением
4Я„ Ск Н- и£ аъ
0.
(3)
■О*
На основе дифференциальных уравнений (2), (3) составлена структурная схема модели инвертора (рис. 5, усилители 4, 5, 6, 7). На вход модели инвертора подаются прямоугольные импульсы, задающие значение х. Для определения значения у используется триггер Т со счетным входом и реле Р4. Переход от уравнений (2) к уравнению (3) и наоборот осуществляется диодом в усилителе 4.
Функции выпрямителя выполняет усилитель 8 с симметричным стабилитроном и реле Р5.
Непрерывная часть преобразователя, в данном случае Г-образного сглаживающего фильтра, описывается дифференциальным уравнением
с12и„ . с1ин
Рис. 4. Схемы • замещения регулируемого инвертор а
йЧ
-I- а;
М
+ #„== £/вх(0.
(4)
где ¿Увх(0, — напряжения на входе и выходе, соответственно, непрерывной части, (/вх(0 = ис;
а*
а, =
ф.
Сф — индуктивность и емкость соответственно дросселя Др2 и конденсатора С5 (рис. 1); — сопротивление нагрузки на выходе непрерывной части. Выражая уравнение (4) относительно первой производной, по-
Для решения уравнений (5) используются усилители 9, 10, 11 (рис. 5).
Модель преобразователя напряжения в ряд постоянных напряжений отличается от модели преобразователя в переменное схемой блока ИВФ. Принципиальная схема инвертора с фильтром преобразователя постоянного напряжения в ряд постоянных напряжений показана на рис. 6, а, а на рис. 6,6 — структурная схема блока ИВФ.
В данном инверторе использован общий сглаживающий дроссель в цепи переменного тока Дрф, а сглаживающие конденсаторы Сф подключены непосредственно к выходам выпрямителей [9]. Реле Р5 срабатывает при изменении полярности выходного напряжения усилителя 9, которое является аналогом тока сглаживающего дросселя Дрф. При м6 <"ю. где «6, Що— напряжения на выходе соответствующих усилителей, в замкнутом контуре, составленном из усилителей 9, 8 контактов реле Р6, будут присутствовать автоколебания. Если время переключения реле Р6 меньше времени срабатывания реле Р5, то контакты реле Р5 будут находиться в нейтральном положении, что аналогично в реальной схеме запиранию диодов выпрямителя при и<- < ии.
Моделирование обоих типов преобразователей проведено на машине МН-7. При этом были найдены области устойчивости в плоскости параметров Ьф Сф и коэффициенты обратной связи Кос для преобразователя напряжения в переменное (рис. 7, а) и в плоскости параметров ЕСф (суммарная емкость конденсаторов фильтра) и Кос для преобразователя напряжения в ряд постоянных напряжений (рис, 7,6). Из анализа полученных зависимостей Кос — / (¿фСф) и Кос = f (2Сф можно заключить, что для увеличения запаса устойчивости необходимо в преобразователе напряжения в переменное увеличивать постоянную времени фильтра ¿фСф, а в преобразователе напряжения в ряд посто-
лучим:
(5)
где
Рис. 5. Структурная схема модели блока ИВФ преобразователя постоянного напряжения в переменное
К модулятору
в)
Рис. 6. Блок ИВФ преобразователя постоянного напряжения в постоянное напряжение другой величины: а — принципиальная схема; б — структурная схема модели
Рис. 7. Области устойчивости преобразователей: а — в переменное напряжение; б — в постоянное напряжение
янных напряжения увеличивать ЕСф, так как индуктивность дросселя ДрФ согласно [9] не варьируется. Полученные зависимости позволяют выбрать параметры фильтров при расчете преобразователей.
Формы токов и напряжений, полученные при моделировании, хорошо согласуются с кривыми токов и напряжений реальных преобразователей.
ЛИТЕРАТУРА
1. В. И. Степанов. Полупроводниковый .преобразователь. Авторское свидетельство СССР № 163262, кл. НО 2т, опубл. 22.7.64 г.
2. В. И. Стел ан о в. Параллельный инвертор. Авторское свидетельство СССР № 379965, опубл. Бюллетень изобретений, 1973, № 20.
3. В. И. Степанов. Устройство для управления однофазным параллельным инвертором. Авторское свидетельство СССР № 379965, кл. Н02р, опубл. 20.4.73 г.
4. М. А. Ш н е й д м а н. Элемент широтно-имюульсной модуляции для исследования систем импульсного регулирования на электронной модели. Автоматика и телемеханика, т. 17, 1956, № 10.
5. М. А. Ш ¡н е й Д м а н. Моделирование импульсных систем автоматического регулирования. Сб. Теория и применение дискретных автоматических систем. Изд-bö АН СССР, 1960.
6. Bedford В. D., Hoft R. G. Principles of Inverter Circuits, I. Willev a. Sons, New York, 1964.
7. И. А. Гончар. Вопросы исследования и проектирования регулятора напряжения с широтно-ишгульсной модуляцией. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Томск, 1967.
8. В. И. Степанов, И. А. Гончар, Ю. С. Мельников. Двухтактный магнитно-транзисторный модулятор с положительной обратной связью. «Известия вузов. Электромеханика», 1974, № 7.
9. В. И. Степанов, Ю. С. Мельников, И. А. Гончар. Сглаживающий дроссель в цепи переменного тока многоканального преобразователя постоянного напряжения. «Известия вузов. Электромеханика», 1975, № 6.
