Система управління резонансним перетворювачем постійної напруги

Система управління резонансним перетворювачем постійної напруги, яка містить мікроконтролер з підключеними послідовно до його портів аналоговими масштабуючими підсилювачами сиг 3 вими масштабуючими підсилювачами сигналів від датчиків, стартовим одновібратором та двома ТТтригерами для генерації сигналів синхронізації драйверів силових ключів моста інвертора, згідно з пропозицією, до виходів ТТ-тригерів послідовно підключено додаткову схему з елементів логічної інверсії, кон'юнкції та виключного «АБО», причому елемент інверсії підключено послідовно до виходу другого ТТ-тригера, перший елемент кон'юнкції підключений до виходів першого та другого ТТтригерів, другий елемент кон'юнкції підключений до виходів першого ТТ-тригера та елемента інверсії, елементи виключного «АБО» підключені до виходів елементів кон'юнкції та керуючого виводу мікроконтролера. Введення додаткових логічних елементів інверсії та кон'юнкції у схему системи управління дозволяє здійснювати перемикання режимів прямої передачі енергії та розсіювання енергії за допомогою лише одного вивода мікроконтролера, а ще один вивід зарезервувати для організації режиму рекуперації. За наявності сигналу високого рівня на обох виводах додаткові логічні елементи «виключне АБО» забезпечують зсув фази генерованих ТТ-тригерами керуючих меандрів на π, що переводить міст інвертора в режим синхронного випрямлення. В даному режимі енергія, накопичена у резонансному контурі та навантаженні, відбирається назад до джерела живлення, що у випадку застосування автономного джерела збільшує термін його роботи, а також дозволяє заощадити близько 10 % споживаної енергії. На фіг. 1 подано блок-схему перетворювальної системи на основі послідовно-резонансного перетворювача (ПРП) постійної напруги із мікроконтролерною системою управління, на фіг. 2 принципову електричну схему системи управління, на фіг. 3 подано алгоритм основного циклу роботи мікроконтролера, на фіг. 4 - осцилограми резонансного струму та керуючої напруги для тринадцяти застосувань першого елементарного алгоритму комутації (nFr) за період перетворення (режим неперервних струмів), на фіг. 5 - осцилограми резонансного струму та керуючої напруги для дев'яти застосувань першого елементарного алгоритму комутації (nFr) за період перетворення (режим уривчастих струмів). ПРП із релейним способом регулювання вихідних параметрів у загальному вигляді (фіг. 1) може бути поданий як сукупність силової частини (СЧ) 1 та системи управління (СУ) 2. Силова частина ПРП містить джерело ЕРС 3, підключене до керованого транзисторного моста інвертора 4, резонансного контуру, сформованого послідовним з'єднанням резонансної індуктивності 5 та резонансної ємності 6 з включеним послідовно датчиком резонансного струму (ДС) 7, підключеного послідовно до транзисторного моста 4 та діодного моста випрямляча 8, фільтруючої ємності 9 та навантаження 10, з'єднаних паралельно, датчика напруги на навантаженні (ДН) 11. Мікроконтролерна СУ 2 містить мікроконтролер 12, пристрій сполучення з СЧ (ПС) із ТТ-тригерами та додатковою логічною схемою 13, блок, що містить піковий детектор (ПД) та детектор переходу резонансного 53708 4 струму через нуль (НД) 14. Принципова електрична схема блоків 12 та 13 подана на фіг. 2. Вона містить мікроконтролер 12, ТТ-тригер 15, підключений входом даних D послідовно до виходу РСО мікроконтролера 12, другий ТТ-тригер 16, стартовий одновібратор 17, підключений входом дозволу роботи В до виходу РС2 мікроконтролера 12, логічний елемент інверсії 18, підключений послідовно до виходу ТТ-тригера 16, двохвходовий логічний елемент «ТА» 19, підключений послідовно до виходів ТТ-тригерів 15 та 16, двохвходовий логічний елемент «ТА» 20, підключений послідовно до виходів ТТ-тригера 15 та елемента інверсії 18, двохвходовий логічний елемент «виключне АБО» 21, підключений послідовно до виходу елемента «ТА» 19 та виходу РС1 мікроконтролера 12, двохвходовий логічний елемент «виключне АБО» 22, підключений послідовно до виходу елемента «ТА» 20 та виходу РС1 мікроконтролера 12, двохвходовий логічний елемент «виключне АБО» 23, підключений послідовно до виходів НД (блок 14 на фіг. 1) та стартового одновібратора 17, спеціалізовані драйвери силових ключів мосту інвертора 24 та 25, підключені входами синхронізації IN до виходів логічних елементів «виключне АБО» 21 та 22 відповідно. Для експериментального пристрою обрано мікроконтролер ATMega168 сімейства AVR фірми Atmel, в пристрої синхронізації використано 2 ТТтригери типу SN74L126 та логічні елементи типу ACH1G фірми Texas Instruments, ПД та НД виконані на компараторах LM 361 фірми National Semiconductor, в мостах застосовані силові IGBTтранзистори типу IRG4BC30UD фірми International Rectifier із зворотними діодами та драйверами в інтегральному виконанні, силові діоди КД29981 (Росія), резонансна ємність набрана з силових конденсаторів КВИ-3 (ООО "ЗВЭК "Прогресс"). Під час роботи перетворювача постійну напругу, яка подається від джерела 3, інвертують на транзисторному мості 4 із підключеним резонансним контуром, утвореним послідовним з'єднанням резонансної індуктивності 5 та резонансної ємності 6 потім випрямляють на діодному мості 8 та згладжують на фільтруючій ємності 9. Згладжену напругу подають на навантаження 10. Аналогоцифровий перетворювач (АЦП) мікроконтролера 12 опрацьовує сигнали уставки напруги uупр, значення реальної напруги на навантаженні, яка знімається з датчика 11, та середнього значення резонансного струму, що знімається з датчика 7. Усереднення досягається встановленням відповідної частоти вибірки АЦП. На входи зовнішніх переривань приходять сигнали від блоку ПД та НД 14. Сигнали від керуючих виводів мікроконтролера 12, які відповідають за дозвіл прямої та реверсної фаз перетворення, а також за запуск стартового одновібратора, поступають до ПС 13, який відповідно до них генерує керуючі імпульси для силових ключів мосту інвертора 4. Основний цикл роботи мікроконтролера 12 наведено в алгоритмі на фіг. 3. При перевищенні напругою на навантаженні уставки напруги мікроконтролер встановлює прапор DSEN (дозвіл фази розсіювання). При досягненні номінальної потужності встановлюється пра 5 пор RVEN (дозвіл фази рекуперації). Логічні рівні керуючих виводів мікроконтролера 12 РСО та РС1 пов'язані із прапорами наступними співвідношеннями: PC0=not(DSEN) or RVEN; PC1=DSEN and RVEN. Прапор DSEN також може встановлюватись при зовнішньому перериванні по входу INT0 (сигнал від ПД, перевищення амплітудою резонансного струму максимально припустимого значення). Керуючий вивід РС2 відповідає за запуск стартового одновібратора 17 на початку роботи перетворювача та у випадку тривалої відсутності сигналів від НД 14. Логічна одиниця на виході РС0 дозволяє перекидання ТТ-тригера 15 за кожним фронтом синхронізуючого імпульсу на вході тригера С ТТ-тригер 16 перекидається незалежно від керуючих сигналів за фронтом синхронізуючих імпульсів. Синхронізуючі імпульси формуються за допомогою елемента «виключне АБО» 23 із вихідних сигналів стартового одновібратора 17 та НД 14. За допомогою логічних елементів 18,19,20 у прямій фазі формуються протифазні меандри, які поступають на елементи «виключне АБО» 21 та 22. Якщо на виході мікроконтролера 12 РС1 присутня логічна одиниця (дозволена рекуперація), фази обох меандрів за допомогою елементів 21 та 22 зсуваються на кут π. Сигнали з виходів логічних елементів 21 та 22 поступають на входи синхронізації спеціалізованих драйверів 24 та 25 відповідно. За фронтами даних сигналів здійснюється зміна стану пар транзисторів в мості інвертора 4, яка 53708 6 у фазах прямої передачі енергії, розсіювання та рекуперації призводить до роботи мосту інвертора 4 в режимі інвертування, замикання резонансного контуру та синхронного випрямлення відповідно. Експериментальний зразок системи керування, побудований на основі мікроконтролера АТМеда168 сімейства AVR, дозволив виконувати комутацію ключів з частотою до 90 кГц. Для підвищення частоти комутації можливо використання двох мікроконтролерів: перший виконує функції керування інвертором, другий - функції обчислення вихідної потужності. На фіг. 3 та фіг. 4 подано експериментальні осцилограми, отримані при наступних параметрах: часова шкала - 20 мкс/поділ., резонансний струм - 5 А/поділ., керуюча напруга - 2,5 В/поділ., загальна кількість півперіодів резонансних коливань за період перетворення - n=18. Під час роботи експериментального зразка з автономним джерелом, здатним до накопичення рекуперованої енергії, було встановлено, що застосування реверсного режиму дозволяє збільшити час роботи джерела до повного розряду на 9-11 % порівняно з роботою в режимі «пряма передача - розсіювання». Таким чином, застосування додаткових логічних елементів у системі регулювання вихідних параметрів РП постійної напруги, реалізованої на базі мікроконтролера, дозволяє реалізувати фазу рекуперації енергії резонансного контуру до автономного джерела живлення, що збільшує час роботи джерела, а також дозволяє заощадити близько 10 % споживаної енергії. 7 53708 8 9 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 53708 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601