RU2404439C1

RU2404439C1 - Two-stage electronic load

Info

Publication number: RU2404439C1
Application number: RU2009115994/07A
Authority: RU
Inventors: Василий Юрьевич Голиков (RU); Василий Юрьевич Голиков; Владимир Игоревич Антонов (RU); Владимир Игоревич Антонов; Денис Александрович Овчинников (RU); Денис Александрович Овчинников; Сергей Валерьевич Овчинкин (RU); Сергей Валерьевич Овчинкин
Original assignee: Закрытое акционерное общество "Связь инжиниринг"
Priority date: 2009-04-28
Filing date: 2009-04-28
Publication date: 2010-11-20

Abstract

FIELD: physics.

SUBSTANCE: first stage of the electronic non-scattering load is made based on a transformer converter controlled with direct current with a choke at the input. The device employs an auxiliary converter which is connected through a bridge rectifier to the mains in order to provide initial charge of a storage capacitor, upon achievement of which a controller connected to the primary side of the control system begins to switch transistors of the first stage with shutoff, thereby increasing voltage across the storage capacitor to a given level. After that the controller transmits a sinusoidal reference signal to the secondary side and switches on primary and secondary power parts of the electronic non-scattering load.

EFFECT: high efficiency of the electronic non-scattering load, smaller dimensions, low cost of input filter, easier transmission of instructions from the controller, faster control during non-standard situations.

5 dwg

Description

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.The invention relates to the field of converting technology, in particular to devices that allow loading various converters with direct current output, rechargeable batteries, direct current generators during various types of tests, including resource tests.

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.It is known that lengthy tests of electric power sources are carried out by connecting the source to a resistive load, which leads to a large and almost useless power consumption, and is also associated with technical difficulties in removing large heat power from the loads and, ultimately, entails financial losses for the enterprise, producing similar products. Therefore, electronic non-dissipative loads (ENN) are being developed, which can significantly (4 ... 6 times) reduce energy consumption during testing.

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.In [1], a test of a transistor rectifier is described, in which it is loaded on an inverter of the same power, and in order to save energy consumed during testing, an additional transistor rectifier is connected to the AC mains, the output power of which should cover the losses in the tested converter and in the inverter . The disadvantages of this device are the need to use two additional converters (inverter and additional transistor rectifier), the complexity and inefficiency of the test, because there is no controller that performs control and protective functions.

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.[2] described the technical solutions of two- and three-stage power transformers, which transmit energy to an alternating current network, however, the construction of the first stage associated with the output of the tested converter does not provide an increased power transformer efficiency, and the dimensions of the input filter turn out to be unacceptably large.

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.Closest to the proposed invention, the technical solution known to the authors for the totality of signs is the ENN, which is described in [3]. The ENN contains several stages of the power part, the first is connected to the device under test, the second provides galvanic isolation between the DC input and the network, and the third, based on the low-frequency inverter, transfers power from the device under test to the network. The disadvantages of this device are a three-stage structure, which causes insufficiently high efficiency, as well as limited control capabilities associated with the use of a digital controller on the secondary side of the power inverter, galvanically connected to the network.

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.The technical result of the invention is a significant increase in the efficiency of the power inverter, reducing the size and cost of the input filter, achieved by the fact that the first stage is based on a transformer converter controlled by a current with a choke at the input, an auxiliary converter connected through a bridge rectifier to the network to provide an initial charge is introduced storage capacitor, and the controller in the control system connected to the primary side of the system to send commands to the PWM controller and drivers of the DC-DC converter, which switches the first-stage transistors with overlapping, increasing the voltage on the storage capacitor to a predetermined level, after which the controller transmits a sinusoidal reference signal to the secondary side and turns on both the primary and secondary sides of the power part of the power supply.

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.In Fig.1 shows a General diagram of the connection of the ENN to the tested Converter (IP) and AC power. Figure 2 shows the structural diagram of the ENN. In Fig. 3 shows a diagram of the power part of the ENN. Figure 4 shows the structure of the control system. Figure 5 shows a diagram of the switching keys of the first stage of the ENN.

На фиг.1 обозначено:In figure 1 is indicated:

i_сети, i_ип, i_энн - ток, отбираемый от сети, входной ток ИП и выходной ток ЭННi _network , i _un , i _ann - the current taken from the network, the input current of the IP and the output current of the AIN

соответственно.respectively.

Ток i_сети равен разности токов i_энн и i_ип и является небольшим по сравнению с током i_ип, 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. _Network current i equal to the difference of currents i and i _Ann _un and is small compared with the current i _u is consumed only in the loss of coating SP 2 and 3. The more ANN ANN efficiency, the smaller the current will be selected by the network 1, the less power consumption during the test.

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.The ENI can be performed according to a two- or three-stage structure [2, 3], and with the improvement of transistors and, in particular, an increase in the speed of IGBT transistors, the two-stage structure shown in FIG. 2 is preferable.

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.The proposed ENN contains a transformer converter with a choke at the input, controlled by current, in the first stage 4 and a high-frequency inverter 6 in the second (figure 2). In addition, in the diagram (Fig. 3) there is an auxiliary converter 10 and a control device 7. The auxiliary converter is designed, firstly, to obtain the voltages supplying the control device, and secondly, to create the initial charge of the output capacitor 5 of the transformer converter 4 with throttle inlet. The use of a transformer converter with a choke at the input in the first stage at low input voltage levels (20 ... 100 V) can significantly reduce losses in this cascade compared to any other circuit. It is assumed that the transistors and output diodes of the same types are used, the material of the transformer cores and the current density in the windings are the same. In addition, the input choke in the transformer converter reduces the ripple of the input current, which reduces the size and cost of the input filter and to achieve the minimum value of psophometric noise.

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.The control system 7 is disclosed in figure 4. It consists of two galvanically isolated parts: the primary and secondary sides of control. On the primary side are the key management drivers for the DC-DC converter 29, the PWM controller of this converter 30 and the digital controller 31. On the secondary side are the drivers for controlling the inverter keys 36, the inverter key management logic block 35, the PWM controller of the inverter 34, the transition determination unit mains voltage through zero 33 and a signal filter 32, eliminating distortion of the mains voltage.

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.The device operates as follows. After connecting the ENN to the output of the device under test (voltage Uin, Fig. 3 is applied) and connecting to an alternating current network (U network), the rectified voltage through the bridge rectifier 9 is supplied to the auxiliary converter 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).This converter generates several DC voltages supplied to the primary and secondary sides of the control device for the operation of analog and digital nodes. In addition, the converter provides a preliminary charge of the storage capacitor 5 connected to the output of the transformer converter 4 with a choke at the input to the voltage amplitude of the network (at a nominal voltage value of 220 V the amplitude value is 311 V). The pre-charge of the capacitor 5 is made through the charging resistor 11. After the pre-charge is completed, this resistor is bridged by the contacts of the relay 12 according to the signal from the controller 31 located on the primary side of the control device (Fig. 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.In this state, the power switches of the transformer converter with a choke at the input 4 and inverter 6 are locked and no energy is supplied from the power supply to the device under test. After receiving a signal by the controller 31 about the completion of the preliminary charge of the capacitor 5, the controller controls the keys 13 ... 16 of the transformer converter 4 with a choke at the input. These keys work with overlapping, that is, there is a time interval when the keys of two racks (13, 14 and 15, 16) are in an open (conductive) state, as shown in Fig. 5 (a rack refers to two bridge transistors vertically located on circuit, for example, transistors 13, 14). Therefore, when the keys of two racks are open, current flows through the input choke 17 and the current sensor DT1 18, the voltage on the transformer windings is zero and energy is not transmitted to the secondary side of the transformer. In another interval of the switching period, the keys (13, 16 or 14, 15) diagonally located on the circuit and the energy from the source under test, the inductor 17 through the primary winding 20 of the transformer 19, the secondary winding 21 and the rectifier bridge 22 are fed to the charge of the capacitor 5. the voltage on this capacitor reaches the set value (400 V), the signal "Set input current" (Svht), which is supplied to the primary side of the control device 7, sets the required current, which must be taken from the tested device. Upon receipt of the Zvht signal by the controller 31, the latter, using the PWM controller 30 and the drivers 29 located on the primary side of the control device 7, sets the required duty cycle of the keys 13 ... 16 of the bridge. At the same time, on the secondary side of the control device 7, a sinusoidal signal is received from the controller, which is close in shape to the rectified voltage of the network and is phased with the network using block 33, which determines the transition of the network voltage through zero. This signal is fed to the PWM controller 34 of the inverter 6 and is intended to specify a sinusoidal current at the output of the power supply. The second stage (inverter) begins to work in the diagonal of the bridge on the keys 23 ... 26, which includes the current sensor DT2 27, inductor 28, input DUT and network 1, an alternating current is supplied, the phase of which coincides with the phase of the network. The keys of the inverter bridge 23 ... 26 work in such a way that the higher the voltage on the capacitor 5, the more the current leaves the AIN 3. One rack of keys of the inverter bridge (for example, keys 23, 24) switches with the mains frequency. In each half-period of the network, in the mode of pulse-width modulation at high frequency, only one transistor of the right rack operates, and the PWM period is divided into two intervals - pulse and pause. In the pulse interval, one transistor of the right rack is turned on, and in the interval of a pause, both transistors of the same rack are turned off.

ЛитератураLiterature

1. Ю.С.Черкашин, А.И.Зубов. «Рекуперация энергии при испытаниях электроаппаратуры в процессе ее изготовления», Электричество, №3, 2007, стр.56-58.1. Yu.S. Cherkashin, A.I. Zubov. “Energy recovery during testing of electrical equipment in the process of its manufacture”, Electricity, No. 3, 2007, pp. 56-58.

2. Р.П.Рудзенскас, М.М.Танаев, В.И.Мелешин. «Принципы построения электронной нерассеивающей нагрузки». Электротехника, №3, 1998, стр.28-32.2. R.P. Rudzenskas, M.M. Tanaev, V.I. Meleshin. "Principles of building an electronic non-dissipative load." Electrical Engineering, No. 3, 1998, pp. 28-32.

3. В.И.Мелешин. «Транзисторная преобразовательная техника», изд-во «Техносфера», 2005, 632 с.3. V.I. Meleshin. "Transistor Converter Technology", Publishing House "Technosphere", 2005, 632 p.

Claims

An electronic two-stage non-dissipative load (ENN), the power part of which consists of a first stage in the form of a DC-DC converter connected to the output of the tested converter by its input and a second stage in the form of an inverter that transfers energy to the input of the tested converter or to an alternating current main, the output of the first stage has a storage capacitor, both stages are controlled from the control system, characterized in that the first stage is based on a transformer converter controlled by current, with a choke at the input, an auxiliary converter is introduced, connected through a bridge rectifier to the network to provide the initial charge of the storage capacitor, and a controller in the control system connected to the primary side of the control system to send commands from it to the PWM controller and DC-DC drivers a converter that switches the first stage transistors with overlapping, increasing the voltage at the storage capacitor to a predetermined level, after which the controller transmits a sinusoidal signal to the secondary side The primary reference signal also includes both the primary and secondary sides of the power part of the ENI.