ным и выходным цепям параллельно, как показано на рис. 3.14. Причем каждый неисправный модуль исключается из набора и не оказывает влияния на работу остальных.

При модульном принципе повышения надежности необходимо решить задачу оптимального резервирования узлов ИВЭП, которая заключается в достижении заданной надежности рл ИВЭП в течение заданного времени to при минимальном увеличении (уменьшении) одного из показателей W (например, массы, объема, КПД, стоимости):

Р ii, Pi) =Рзад; ш

г = 2 + - min

/= 1

или в достижении максимальной надежности при заданном показателе ИВЭП Р Pi) max,

где i - номер функционального узла; (о, - параметр модуля г-го узла.

Вероятность безотказной работы р ИВЭП с модульным принципом резервирования (рис. 3.14) определяется согласно выражению [52].

i=1/=0

где + = ii + PiV-lii Pi - iV- i ! - биномиальный коэффициент; / - число отказавших модулей; pi - вероятность безотказной работы t-ro модуля в течение времени t.

Добавление к основным модулям Ni резервного вызывает увеличение надежности функционального узла на значение Др, а также ухудшение показателя узла, для оценки значения которого можно применить целевую функцию qi = =-- Api/i:(Oi (Ni).

Для расчета оптимального модульного принципа резервирования ИВЭП на основе выбранных целевых функций и ограничений целесообразно применить метод наискорейшего спуска, так как он требует значительно меньшего объема вычислений, чем, например, метод динамического программирования.

Результатом расчетов является число N основных и F резервных модулей для каждого t-ro участка резервирования, а также значения получаемой вероятности и заданного показателя ИВЭП. На рис. 3.15 приведена схема резервированного ИВЭП с бестрансформаторным входом с Осп-1-г-11-указанием числа модулей в каждом узле при ~~р ПТ! Пм Гт ГГЛ /ГТ~ условии получения заданной надежности р I II II I (5000) -0,9998 и минимальной массы для

11 ИВЭП, принципиальная схема которого при-

• - т- ведена на рис. 8.2.

Масса выпрямителя В будет наименьшей, если каждый из девяти модулей выполнен по мостовой схеме на диодах типа КД105Р с ограничительным резистором Rg = 18 Ом (см рис. 2.7). Сетевой фильтр СФ представляет собой параллельное соединение шести модулей, состоящих из двух последовательно соединенных конденсаторов.

11 11

11 11

АЯ7-

I I I I,

I ).

LgjLQjLQjuQjLgJ

Puc. 3.15

Резервированный регулирующий конвертор К включает восемь модулей, каждый из которых состоит из полумостовой схемы инвертора со схемой усиления сигнала управления и высокочастотного выпрямителя. Выходной фильтр ВФ имеет восемь модулей, состоящих из цепей последовательно соединенных двух дросселей и двух конденсаторов. Резервированный источник питания ИП состоит из пяти модулей. Устройство управления выполнено в виде отдельного модуля, повышение надежности которого обеспечивается путем резервирования отдельных элементов и широким применением интегральных схем.

Глава IV.

ТРЕБОВАНИЯ, СТРУКТУРА И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ УЗЛЫ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКАМИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ С БЕСТРАНСФОРМАТОРНЫМ ВХОДОМ

4.1. ТРЕБОВАНИЯ, ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К УСТРОЙСТВАМ УПРАВЛЕНИЯ

Развитие силовой транзисторной электроники, началом которого можно считать появление первого (в оригинале измерительного преобразователя постоянного напряжения, широко известного как «генератор Ройера» (1955 г.), привело к созданию большого класса транзисторных преобразователей, мощности (как автогенераторных, так и с внешним возбуждением или управлением). При этом количество широко используемых схем непосредственно преобразователей постоянного напряжения - конверторов (К) - явно уступает разнообразию существующих устройств управления последними. Объясняется это вероятно, меньшим, относительно К, влиянием УУ на энергетические и массогабаритные показатели ИВЭП в целом и отсутствием в литературе достаточного освещения этого вопроса. Зачастую неоправданное усложнение УУ служит причиной снижения надежности и ухудшения технологичности изготовления и эксплуатации источников питания РЭА.

функции УУ можно определить как регулирование (стабилизацию) выходных параметров ИВЭП на заданном уровне и обеспечение безотказного функционирования в переходных и аварийных режимах путем формирования импульсов напряжений, обеспечивающих качественное \ правление мощными транзисторами ключевых ИВЭП.

Требования, предъявляемые к УУ низковольтных по входу (27 В) ключевых ИВЭП, могут быть сформулированы следующим образом 1531: обеспечение двухполярного низковольтного сигнала управления мощными транзисторами с минимальной длительностью фронта импульса, требуемой амплитудой прямого тока базы и высоким значением обратного тока на этапе закрывания транзисторов; получение линейной регулировочной характеристики УУ в широком диапазоне изменения коэффициен-а заполнения импульсов управления О < у < 1; отсутствие инерционности УУ; достижение минимальных потребляемой мощности и габаритов УУ; наличие гальванической развязки между источником питания УУ, управляющим входом и цепью управления транзистором.

Кроме того, к У У источников электропитания с бестрансформаторным входом предъявляют дополнительные требования, связанные с невысокой устойчивостью высоковольтных транзисторов даже к кратковременным перегрузкам по мощности, которые в низковольтных (по входу) источниках приводят к снижению КПД, в то время как ИВЭП с бестрансформаторным входом становятся практически неработоспособными. К требованиям, исключающим кратковременные перегрузки по мощности, можно отнести следующие: исключение сквозных токов через мощные транзисторы в установившихся и переходных режимах, для чего в УУ вводится гарантированная пауза (Утах < 1)» либо автоматическая задержка открывания транзистора на время рассасывания избыточного заряда в базе закрываемого; отсутствие подмагничивания трансформатора инвертора в двухтактных схемах, для чего УУ должно обеспечить минимум времени закрывания транзисторов и симметрирование длительностей импульсов в смежные полупериоды либо, как минимум, полное отсутствие собственной несимметрии, вносимой УУ; исключение перегрузок по мощности из-за отсутствия работы транзисторов в активной области при переходных режимах (открывание и закрывание), для чего УУ должно обеспечивать апериодический (без перерегулирования) заряд конденсатора выходного фильтра за счет введения цепочек «плавного пуска», изменяющих коэффициент заполнения от 7 = О до 7 = уном, и отключение УУ при питающих его напряжениях, меньших заданного значения [541; обеспечение быстродействующей защиты от перегрузок и аварийных режимов путем закрывания транзисторов при токах коллектора, меньших допустимых, что предполагает использование транзисторов в виде ненасыщенных ключей либо обязательное наличие индуктивностей, ограниивающих скорость нарастания тока за время закрывания транзистора таким образом, чтобы обеспечивалось условие /„ < доп. 84

4.2. КЛАССИФИКАЦИЯ И СОСТАВ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ УЗЛОВ

Схема ИВЭП с бестрансформаторным входом может быть сведена к структуре, изображенной на рис. 4.1, которая включает в себя следующие функциональные узлы: источник питания устройства управления ИПУУ; модулятор длительности импульсов МДИ; устройство защиты УЗ; логическую схему ЛС для объединения сигналов МДИ и УЗ; формирователь управляющего напряжения ФУЯдля мощных транзисторов конвертора; конвертор К и фильтр Ф.

По спо.чбу организации питания УУ источники питания можно разделить на следующие: ИПУУ, подключенные непосредственно ко входному напряжению и обеспечивающие питание УУ независимо от наличия напряжения на выходе К как при „ = О, = О, так и при /„ = О, /?„->оо; ИПУУ с запускающими цепочками, кратковременно подключенными ко входному напряжению с последующим переходом на питание с выхода Ф либо от специальной обмотки трансформатора К- Варианты исполнения ИПУУ подробно рассмотрены в следующем параграфе.

Модулятор длительности импульсов формирует импульсную последовательность с заданным соотношением времени импульса к времени паузы. В зависимости от выбранной схемы К могут использоваться следующие виды модуляции: фазо-импульсная модуляция (ФИМ); частотно-импульсная модуляция (ЧИМ); широтно-импульсная модуляция (ШИМ). Сравнительный анализ способов модуляции с точки зрения характеристик преобразователя напряжения дан в [15]. Здесь же рассмотрим варианты построения УУ для различных способов модуляции.

Схемы У У с ФИМ, подробно рассмотренные в [53], наиболее эффективны для УУ однотактных регуляторов напряжения либо тока, где требуемая относительная длительность открытого состояния ключа лежит в пределах О < 7 < 1.

Схемы УУ с ЧИМ наиболее просты, поскольку для К с индуктивностью в цепи переменного тока наиболее просто обеспе- р" , > к чивается автогенераторный режим функционирования. Это исключает необходимость в специальном ИПУУ, поскольку в качестве последнего используется выходное напряжение ИВЭП. Кроме того, подоб- i - i ные УУ не требуют устройства защиты от перегрузок по току, так как эти функции автоматически выполняются мощным пре- -\УЗ

образователем. Недостатком ИВЭП с ЧИМ являются треугольная форма тока в силовой цепи и невозможность работы при /н = О, что ограничивает мощность пре- Рис. 4.1

образования и область их применения. Подробный анализ этих устройств проведен в гл. VI.

Наиболее широкое применение нашли ключевые ИВЭП с ШИМ, что объясняется их благоприятными характеристиками (при / const, О < Y < 1 ток нагрузки изменяется от О до / нтах)- Вопросы построения модуляторов средствами интегральной схемотехники не представляют затруднений, поэтому ниже рассматриваются вопросы согласования ШИМ с входами мощных транзисторов. В подавляющем большинстве случаев в требования к ИВЭП входит обеспечение гальванической развязки питающей сети, к которой подключепы транзисторы, и нагрузки, связанной с усилителем сигнала рассогласования ШИМ. В качестве развязывающего элемента, передающего импульсную информацию, в настоящее время могут применяться оптроны либо трансформаторы.

Несомненными преимуществами оптронной развязки по сравнению с трансформаторной являются ее технологичность, малые габариты и возможность передавать любой импульсный сигнал в широком диапазоне изменения необходимых для ИВЭП параметров {О < [ < f при 0<Т< 1), что определяет предпочтительность применения оптронов в чисто информационных каналах устройств.

Однако для УУ важны также энергетические аспекты преобразования выходных сигналов ШИМ, питающихся от напряжений 15-30 В, в импульсы тока управления мощных транзисторов с прямым падением напряжения на переходах Ubs IB, что требует применения трансформаторов. Кроме того, для управления мостовыми и полумостовыми схемами К, в которых эмиттеры транзисторов не имеют гальванической связи, необходимы источники вспомогательных низких напряжений, выполненных на основе автогенераторных схем преобразователя с высокочастотным трансформатором [4].

Поскольку в конечном счете избежать применения трансформаторов в УУ ИВЭП не удается, то представляет интерес разработка и ан а-лиз таких схем УУ, в которых функции согласования и гальванической развязки совмещены в трансформаторном узле формирователя управляющего напряжения (ФУН). Формирователем управляющего напряжения назовем устройстю, преобразующее выходной сигнал компаратора ШИМ в управляющее мощными транзисторами напряжение необходимой формы и мощности. В зависимости от способа построения ИПУУ формирователи управляющих напряжений с внешним возбуждением можно разделить на две большие группы: У У на основе авто генераторного нерегулируемого преобразователя напряжения (АНПН) малой мощности, в которых АНПН подключается к сетевому напряжению через балластный элемент и выпрямитель [541 ~ в этом случае АНПН выполняет функции ИПУУ, задающего генератора и устройства гальванической развязки; У У на основе бестрансформаторного задающего генератора (/?С-релаксатора) - используется в тех случаях, когда питание УУ осуществляется от уже имеющегося источника постоянного напряжения, например выпрямителя после сетевого трансформатора

(50-400 Гц). Обзор и сравнительный анализ различных схем двух групп формирователей даны в гл. VII.

Устройства защиты предназначены для исключения выхода из строя ИВЭП при увеличении тока нагрузки выше заданного значения и выхода из строя нагрузки РЭА при нарушении функционирования ИВЭП, т. е. при De„,-> и

н.ном- Токовая защита ИВЭП может осуществляться следующими способами: отключением К при /„ > > -нтах С самоблокировкой [50]; отключением К на ограниченный интервал времени с последующим включением с использованием цепочки плавного пуска [55]; ограничением тока нагрузки на таком уровне в режиме короткого замыкания, при котором выполнялось бы условие

/к m < /Кдоп [56.]

Устройство защиты нагрузки от перенапряжений дублирует ф\ ик-ции стабилизатора выходного напряжения (U < D„.hom)- Наиоолее просто и надежно устройство защиты выполняется в виде тиристора, шунтирующего выход ИВЭП. В том случае когда неисправность возникла в цепи обратной связи регулирования напряжения, то срабатывает защита по току, а когда в цепи передачи импульсного сигнала (от ШИМ до входа мощных транзисторов), то после выхода из строя транзисторов сгорают плавкие предохранители.

4.3. ИСТОЧНИКИ ВТОРИЧНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ДЛЯ УСТРОЙСТВ УПРАВЛЕНИЯ

применение отдельного источника питания для УУ позволяет независимо от состояния силовой части (R = О или оо) контролировать процессы, происходящие как в питающей сети,так и в нагрузке, что упрощает задачу построения надежного УУ, но в этом случае появляется необходимость в маломощном источнике питания = 30-50 В и Рн = 2-5 Вт от сети 220-380 В, 50 Гц. Использование трансформаторов на низкой частоте приводит к неудовлетворительным массогабаритным показателям и, кроме того, нарушает единство технологии изготовления моточных узлов ИВЭП. Применение АНПН с питанием от выпрямленного напряжения сети (Е = 342 В) на мощных транзисторах (КТ809) приводит к использованию синхронизируемых полумостовых схем преобразователей напряжения, в которых за счет разброса времени закрывания транзисторов длительности полупериодов и амплитуды напряжений неидентичны, что вносит дополнительную несимметрию в УУ.

Хорошие результаты дает включение низковольтной (30-50 В) схемы АНПН на маломош,ных высокочастотных транзисторах (рис. 4.2) через балластный Конденсатор С и выпрямитель VD к сети Рис. 4.2