Бортовые преобразователи БП-3Г-1-02 и БП-3Г-1-04

    БП-3Г-1-02 (далее БП) является электронным стабилизированным преобразователем напряжения герметичного исполнения с гальванической развязкой входных и выходных цепей и служит для использования в резервированных системах вторичного электропитания бортовой низковольтной сети трамвайных вагонов.
    Системы электропитания создаются посредством параллельного соединения нескольких БП по выходу. Такие системы могут иметь любой ток нагрузки или любой заданный коэффициент запаса.
    БП работает в двух режимах:
    - стабилизация выходного тока;
    - стабилизация выходного напряжения.
    БП состоит из предохранителя П, входного фильтра Ф, силового трансформатора напряжения СТН, силового дросселя СД и пяти модулей, выполненных в виде печатных плат: модуля высоковольтного МВ, модуля конденсаторного МК, модуля фильтра МФ, а также двух низковольтных модулей МН01 и МН02.
    Напряжение контактной сети 600 В поступает на входной фильтр Ф (конденсатор С1 на схеме, который является частью RС-фильтра, т. к. резистор подключается к блоку снаружи по цепи +600 В). Далее отфильтрованное напряжение 600 В подаётся на модуль МК, а также на вход блока защит БЗ (резисторный делитель R1 ... R7, R117* на cхеме БП3Г202.МВ02 Э3) и на силовые транзисторы СТ модуля МВ. Силовые транзисторы СТ (V57, V58 на схеме БП3Г202. МВ02 Э3), модуль МК и первичная обмотка силового трансформатора СТН соединены по схеме прямоходового двухтактного полумостового преобразователя. Напряжение, снимаемое со вторичных обмоток трансформатора СТН, подаётся на модули МН01 и МН02, которые вместе с дросселем СД представляют собой двухполупериодный выпрямитель с LC-фильтром.
    Узел управления УУ, управляющий силовыми транзисторами СТ, представляет собой двухтактный ШИМ-контроллер (м/сх D7 на cхеме БП3Г202.МВ02 Э3), на который заведены три обратых связи: по напряжению 24 В с выхода блока, по току (с выхода токового трансформатора ТТ (Т2 на cхеме БП3Г202.МВ02 Э3)) и по температуре (с выхода блока БТЗ (выполнен на м/сх D6.2, D9). Также на узел управления УУ приходит сигнал блокировки с выхода блока защит БЗ (блок БЗ выполнен на м/сх D1, D5 и сигнал блокировки на его выходе появляется если наряжение в контактной сети больше 820 В, или меньше 300 В, или если напряжение питания 15 В м/сх D1 снижается до 12,5 В). При появлении этого сигнала ШИМ-контроллер прекращает подачу импульсов через транзисторный каскад ТК (V43, V48, V51, V54) на трансформатор Т (Т4 на cхеме БП3Г202.МВ02 Э3), следовательно силовые транзисторы СТ закрываются.
    При отказе обратной связи по напряжению 24 В (когда напряжение на выходе БП превышает 33 В) узел защиты УЗ (D4, D6.1, V25) переключает выход блока защит БЗ (на выходе блока БЗ появляется сигнал блокировки и транзисторы СТ закрываются) и выход блока индикации БИ (V15,V28, K1) (выход блока БИ переключается в состояние “не норма”). Источник питания ИП выполнен по схеме однотактного обратноходового преобразователя напряжения на трансформаторе Т1 (см. схему БП3Г202.МВ02 Э3).
    Напряжение 15 В, снимаемое со вторичной обмотки с выводами 5, 6 трансформатора Т1, используется для питания блока индикации БИ, узла управления УУ, транзисторного каскада ТК и прецизионного стабилизатора напряжения 6,5 В (выполнен на м/сх D8). От прецизионного стабилизатора напряжения запитаны узел защиты УЗ и блок БТЗ.
    Блок БЗ запитан напряжением 15 В, снимаемым со вторичной обмотки с выводами 1, 2 трансформатора Т1. Питание блока БЗ от отдельной вторичной обмотки трансформатора Т1 и применение м/сх D4, D5 обеспечивает гальваническую развязку между низковольтной бортовой сетью 24 В и высоковольтной сетью 600 В.
    В источнике питания ИП частота тактового генератора пилообразных импульсов находится в пределах от 90 до 100 кГц (вывод 4 ШИМ-контроллера D3). Частота переключения транзистора V10 ровно в два раза ниже частоты тактового генератора. Ток через транзистор V10 протекает, когда напряжение на его коллекторе равно нулю. Точность установки напряжения 15 В на обоих вторичных обмотках трансформатора Т1 осуществляется подбором сопротивления резистора R19*.
    При отсутствии сигнала блокировки на входе узла управления УУ фототранзистор в м/сх D5 открыт, транзисторы V22 и V23 закрыты. В момент запуска БП конденсатор С16 (используется для плавного запуска) не заряжен, поэтому включен стабилизатор напряжения R53, R50, V17 и напряжение на выводе 4 м/сх D7 находится в пределах от 5 до 5,5 В. Напряжение на выводах 8 и 11 м/сх D7 одинаково и равно 15 В (импульсы ШИМ на выводах 8 и 11 отсутствуют). Следовательно, открыты транзисторы V43, V48 и через две первичные полуобмотки трансформатора Т4 протекает ток (величина тока ограничена токовым стабилизатором, выполненным на транзисторах V51, V54). При этом напряжение на вторичных обмотках трансформатора Т4 равно нулю и силовые транзисторы V57 и V58 закрыты. По мере заряда конденсатора С16 напряжение на выводе 4 м/сх D7 будет плавно снижаться до значения (это значение находится в пределах от 50 до 55 мВ), определяемого делителем R56, R57, подключенным к выходу источника опорного напряжения 5 В (вывод 14 м/сх D7). При этом на выводах 8 и 11 м/сх D7 появятся короткие импульсы ШИМ низкого уровня, длительность которых будет плавно увеличиваться. Т. е. транзисторы V43, V48 (а следовательно и силовые транзисторы V57, V58) будут работать в двухтактном режиме и длительность включенного состояния этих транзисторов будет увеличиваться (что приведёт к увеличению напряжения на выходе БП) до значения, определяемого обратной связью по напряжению, которое необходимо для стабилизации напряжения на выходе БП на уровне от 26 до 30,5 В в зависимости от величины токовой нагрузки блока. Частота импульсов ШИМ на выводах 8, 11 м/сх D7 находится в пределах от 11 до 12 кГц.
    Обратная связь по напряжению заведена на вывод 16 м/сх D7 с резисторного делителя R63, R68*, R83*, R84, R85 (точность установки напряжения 30 В на выходе БП в режиме холостого хода осуществляется подбором сопротивления резисторв R68* и R83*). Обратная связь по току на выходе БП заведена на вывод 1 м/сх D7 (точность установки значения тока нагрузки БП равного 76 А, при превышении которого в БП начинает работать обратная связь по току, достигается подбором сопротивления резистора R101*).
    При увеличении тока нагрузки БП от нуля до 75 А будет линейно увеличиваться падение напряжения на резисторе R85, а, следовательно, и на выводе 16 м/сх D7. Увеличение напряжения на выводе 16 м/сх D7 приведёт к снижению напряжения на выходе БП с 30 В при сопротивлении нагрузки 200 Ом до 26,3 В при токе нагрузки 72 А. Такое снижение напряжения на выходе БП при увеличении тока нагрузки необходимо для равномерного распределения нагрузки между несколькими БП (два преобразователя и более), входы и выходы которых включены параллельно.
    В обратной связи по температуре элементом, измеряющим температуру радиатора, возле силовых транзисторов является м/сх D9. Напряжение на выходе 5 этой м/сх прямо пропорционально температуре радиатора. Коэффициент пропорциональности равен 5 мВ/К, что соответствует напряжению 1,49 В при температуре +25 С (298 К). Напряжение на резисторе R87 равно 1,65 В (точность установки этого напряжения обеспечивается подбором сопротивления резистора R118*), что соответствует температуре корпуса м/сх D9 +57 С (330 К). Если корпус м/сх D9 нагреется от радиатора (от силовых транзисторов) до температуры, превышающей температуру +57 С, то усилитель D6.2 будет усиливать разницу между опорным напряжением 1,65 В и напряжением на выходе 5 м/сх D9, т. е. напряжение на выводе 7 м/сх D6.2, а также и на выводе 3 м/сх D7 будет увеличиваться. Увеличение напряжения на выводе 3 м/сх D7 приведет к снижению напряжения на выходе БП, а, следовательно, к снижению тока нагрузки и снижению температуры радиатора возле силовых транзисторов.
    В блоке защит БЗ измерение напряжения в контактной сети 600 В осуществляется резисторным делителем R1 ... R7, R117* в масштабе 1 : 100 (точность коэффициента деления достигается подбором сопротивления резистора R117*). М/сх D1.4 работает в режиме повторителя напряжения, и служит буфером для элементов D1.3 и D1.2, работающих в режиме компаратора. М/сх D1.1 также работает в режиме компаратора. Если напряжение контактной сети 600 В в норме (т. е. находится в пределах от 300 до 820 В) и напряжение питания м/сх D1 больше 12,5 В (его номинальное значение равно 15 В), то напряжение на выходах всех трёх компараторов равно напряжению питания м/сх D1. Следовательно, транзистор V14 открыт, через светодиоды D5.1 и V61 протекает ток, фототранзистор D5.2 открыт, транзисторы V22 и V23 закрыты, напряжение на выводе 4 м/сх D7 находится в пределах от 50 до 55 мВ (сигнал блокировки отсутствует) и на выходах 8 и 11 м/сх D1 имеются импульсы ШИМ определённой длительности, т. е. БП включен и работает в режиме стабилизации выходного напряжения.
    Если напряжение в контактной сети становится больше 820 В, то выход компаратора D1.3 переключается в состояние логич. нуля.
    Если напряжение в контактной сети будет меньше 300 В, то в состояние логич. нуля переключится выход компаратора D1.2. Снижение напряжения питания м/сх D1 с 15 до 12,5 В и ниже приведёт к приведёт к переключению в состояние логич. нуля выхода компаратора D1.1. Переключение выхода одного из трёх компараторов в состояние логич. нуля приводит к закрыванию транзистора V14, а, следовательно, и к закрыванию транзистора D5.2 (т. е. к появлению сигнала блокировки на выходе блока защит БЗ). Когда транзистор D5.2 закрыт, то транзисторы V22, V23 открыты, напряжение на выводе 4 м/сх D7 находится в пределах от 5 до 5,5 В, импульсы ШИМ на выводах 8 и 11 м/сх D7 отсутствуют, силовые транзисторы V57, V58 закрыты и напряжение на выходе БП равно нулю.
    Когда напряжение на выходе БП не превышает 33 В, то напряжение на выходе компаратора D6.1 равно логич. нулю, транзистор V25 закрыт (транзистор D4.1 также закрыт), транзистор V28 открыт, горит световой индикатор V15 “Норма” на корпусе БП, катушка реле К1 запитана и выход индикации “Норма” подключен к цепи -24 В.
    При отказе обратной связи по напряжению (когда напряжение на выходе БП превышает 33 В) напряжение на выходе компаратора становится больше 5 В, открываются транзисторы V25 и D4.1 (на выходе блока БЗ появляется сигнал блокировки и силовые транзисторы закрываются), транзистор V28 переходит в закрытое состояние, световой индикатор V15 “Норма” гаснет и выход индикации “Норма” становится отключен от цепи -24 В

    БП-3Г-1-04 (далее БП), предназначен для электропитания резистивного нагревателя, встроенного в специальные стекла трамвайных вагонов и является модификацией преобразователя БП-3Г.
    БП работает в двух режимах:
    - стабилизация выходного тока;
    - стабилизация выходного напряжения.
    Конструкция БП представляет собой герметично закрытый ящик, внутри которого размещены электронные модули. Корпус прибора приспособлен для установки на вагоне трамвая. Положение установки блока в пространстве не имеет значения и не влияет на выходные параметры.
    Корпус литой анодированный из алюминиевого сплава состоит из коробки и крышки. На двух внешних боковых поверхностях коробки выполнены ребристые радиаторы. На внешней поверхности крышки имеется игольчатый радиатор. Верхняя крышка откидывающаяся, а её крепление к корпусу выполнено через резиновую прокладку шестью винтами и гайками типа “барашек”, что позволяет без использования специального инструмента получить доступ к внутренним узлам БП для проведения осмотра блока и поиска неисправностей.
    Входные и выходные провода блока выведены через кабельные вводы с резиновыми уплотнителями. На входные и выходные провода блока нанесена маркировка для безошибочного подключения на вагоне.

    В состав БП входят следующие модули:
    - входной контур (модуль фильтра, предохранитель, входной конденсатор);
    - модуль конденсаторный (конденсаторный делитель и RC демпфер первичной обмотки трансформатора);
    - силовой трансформатор с двойной изоляцией;
    - выходной контур (модуль низковольтный и LC фильтр);
    - модуль индикации;
    - модуль высоковольтный.

    Преобразователь представляет собой ключевой компенсационный стабилизатор напряжения с гальванической развязкой входных и выходных цепей. Между входным напряжением 550 В и выходным 100 В блока организовано две ступени изоляции.
    Входное напряжение 550В сглаживается входным RC – фильтром (балластное сопротивление 2,5 Ом установлено на вагоне, входная емкость С3 (см. схему блока) внутри блока и поступает на модуль конденсаторный А4 и модуль высоковольтный А3.
    Модуль конденсаторный выполняет функции конденсаторного делителя и демпферной RC – цепочки по первичной обмотке трансформатора Т1.
    Силовой трансформатор конструктивно выполнен на тороидальном сердечнике тремя обмотками, уложенными определённым образом. Первичная обмотка выводом «1» подключена к средней точке конденсаторного делителя, а выводом «2» – к средней точке полумоста модуля высоковольтного. Средняя обмотка представляет собой экран с отводом, электрически соединённым с корпусом блока. Вторичная сторона трансформатора выполнена обмоткой со средней точкой (выводы 4, 5, 6). Силовой трансформатор преобразует поступающее с модуля высоковольтного напряжение «550В» по амплитуде, осуществляет гальваническую развязку напряжений «550В» и «100В» и обеспечивает необходимую электропрочность изоляции между входными и выходными цепями.
    Дроссель L1 выходного LC фильтра установлен на дне БП и работает в цепи «–24В». Результатом совместной работы дросселя с модулем низковольтным, на котором расположен двухполупериодный выпрямитель и ёмкости LC – фильтра, является выпрямленное и сглаженное напряжение «±100В».
    О наличии напряжения 100В на выходе блока свидетельствует светящийся светодиод (модуль индикации), установленный на боковой стенке блока.

    Модуль высоковольтный входит в состав БП, является главным управляющим звеном преобразователя и предназначен для управления силовым трансформатором в соответствии с внешними задающими параметрами (входные напряжения 550 В и 24 В, температура воздуха внутри блока, напряжение на выходе блока, сопротивление нагрузки блока, ток первичной обмотки трансформатора).Он включает в себя:
    – датчик высокого напряжения;
    – датчик температуры блока;
    – датчик тока первичной обмотки силового трансформатора (звено обратной связи по току);
    – источник служебного питания;
    – схема ШИМ контроллера, детектор служебного питания;;
    – полумост, выполненный на IGBT транзисторах,
    – датчик напряжения 100В (звено обратной связи по напряжению).

    Все перечисленные функциональные узлы имеют гальваническую развязку друг от друга.
    Датчик высокого напряжения предназначен для выключения блока при напряжении на входе лежащем за пределами допустимого диапазона. Узел датчика реализован на операционном усилителе D1.1 и компараторах D3.1, D3.2.
    Напряжение цепи 550В поступает на высоковольтный делитель на сопротивлениях R1...R7. Напряжение с сопротивления R1 поступает на повторитель напряжения, собранный на операционном усилителе D1.1, усиливается по току и поступает на компараторы D3.1 и D3.2, где оно сравнивается с опорным напряжением 2,5В. Опорное напряжение формируется прецизионным управляемым стабилитроном D2 и должно лежать в пределах 2,498...2,520 В (вывод 1 и 3 м/с D2). Выходные сигналы компараторов (выв. 1 и 7 м/с D3) через схему усиления управляют светодиодом оптопары D5. При протекании через светодиод тока от 0,9 до 15мА на эмиттере транзистора оптопары формируется сигнал, разрешающий работу блока.
    Датчик температуры предназначен для измерения температуры воздуха внутри БП и ограничения выдаваемой мощности, вплоть до выключения, при достижении блоком температуры 65°С. Изменение выходной мощности БП от максимума до нуля происходит при изменении температуры от 65°С до 67°С (т.е. 2°С). У различных изделий точка входа блока в режим ограничения выдаваемой мощности по перегреву будет находиться в интервале от 64°С до 68°С, а выключение, соответственно, - от 66°С до 70°С.
    Схема измерения температуры реализована на аналоговом датчике температуры D12 и операционном усилителе D9.2. Чувствительность датчика составляет 20мВ/°С, при температуре корпуса микросхемы 0°С напряжение на выводе 2 равно 0В, соответственно при температуре напряжение будет равно 1,4В. Это напряжение сравнивается операционным усилителем с опорным, усиливается, инвертируется и подается на катод V25. Максимальной мощности блока соответствует напряжение 5В и более на выводе 1 м/с D9.2, а минимальной – 0В. Регулировка порога входа блока в режим ограничения мощности по температуре осуществляется изменением сопротивления R72. Тем самым меняется величина опорного напряжения на входе операционного усилителя. В процессе эксплуатации регулировка данного параметра не требуется. Достаточно проконтроллировать работоспособность схемы нагрев датчик температуры до температуры 70...90°С, следя за величиной напряжения 100В на выходе блока.
    Датчик тока первичной обмотки силового трансформатора линейного типа предназначен для измерения величины импульсного тока, формирования линейно изменяющегося, гальванически развязанного с цепью 550В сигнала и его фильтрации. Именно цепи датчика тока совместно с ШИМ-контроллером задают наклон вольт-амперной характеристики БП в режиме стабилизации выходного тока.
    Датчик тока состоит из трансформатора тока Т3, выпрямителя V16...V19 и операционного усилителя D9.1. Схема измерения тока силового трансформатора работает следующим образом: переменное напряжение вторичной обмотки токового трансформатора частично сглаживается конденсатором С22 (удаляется первоначальный бросок тока), выпрямляется и подается на прямой вход операционного усилителя D9.1. Сравнивается с опорным, усиливается и подается на катод диода V24. При напряжении на выводе 7 м/с D9.1 более 5В (что соответствует на отрегулированном блоке менее 20А выходного тока) данная обратная связь не участвует в работе ШИМ-контроллера. При напряжении на выводе 7 м/с D9.1 менее 5В (что соответствует на отрегулированном блоке более 20А выходного тока) БП начинаетработать в режиме стабилизатора тока. Порог входа схемы в режим ограничения выходного тока выбирается изменением сопротивления R37. Уменьшение сопротивления соответствует повышению выходного тока БП.
    Источник служебного питания предназначен для формирования гальванически развязанных от цепей 24В и 550В напряжений для запитки остальных узлов высоковольтного модуля: питание датчика высокого напряжения – 15±1В, питание схемы ШИМ-контроллера 15,5±0,5В. Входным напряжением источника служит питание блока «±24В». Тип источника – однотактный обратноходовый – реализован на контроллере D4. Работает схема следующим образом: напряжение 24В подается на стабилизатор тока 7...10мА, собранный на транзисторах V3, V4, заряжает конденсаторы С5...С7 до уровня включения м/с D4 (9,5В). После чего на выводе 6 появляются импульсы управления транзистором V8. По первичной обмотке Т1 протекает импульсный ток, вызывающий появление напряжения на вторичных обмотках. Выпрямленное диодом V9 напряжение подзаряжает конденсаторы С5...С7 до уровня 15...16В. Таким образом происходит самозапитка источника. Частота работы источника находится в пределах от 40 до 50 кГц. Трансформаторы Т1, Т2 обеспечивают двойную изоляцию между цепями 24В и 550В. Регулировка осуществляется изменением сопротивления R12.
    При изменении питающего напряжения «24В» от 10В до 30В Токопотребление служебного источника должно быть не более 250 мА. При напряжении на входе источника 16В на конденсаторах С7, С18, С19 значения напряжений должны быть в пределах от 11 В до 16 В и должны сохраняться при изменении входного напряжения от 10 В до 35В.
    При отсутствии сигналов управления на затворах силовых транзисторов V36, V37 (сильноточных потребителей) напряжение на конденсаторе С18 должно быть 15,5±1В.
    При изменении входного напряжения от 10 В до 35В форма тока стока транзистора V8, а именно наклонный участок, обусловленный намагничиванием первичной обмотки трансформатора Т1, должен быть линейным. На временных диаграммах должны отсутствовать периодические колебания амплитудного значения тока эмиттера, ширина токового импульса должна уменьшаться. При напряжении питания 30 В импульсный ток стока должен быть в преде-лах от 1,5 до 2 А. Выстрел напряжения на стоке транзистора V8 в момент его выключения должен быть не более чем на 18±1В выше входного напряжения питания источника.
    При замыкании выводов конденсатора С18 (короткое замыкание нагрузки) источник должен перейти в режим перезапуска. При этом ток стока транзистора V8 будет представлять собой пачки импульсов тока с частотой примерно 10 Гц. Величина отдельного импульса должна быть не более 6 А, а длительность – 1 мкс. Ток транзистора в режиме короткого замыкания регулируется сопротивлениями R28...R30.
    Датчик напряжения 100В предназначен для формирования линейного гальванически развязанного сигнала управления обратной связью по напряжению. Данный узел работает в режиме стабилизации выходного напряжения БП и отвечает за горизонтальный участок вольт-амперной характеристики. Схема обратной связи по напряжению реализована на управляемом стабилитроне D8 и оптроне D7. При достижении измеренного и поделенного напряжения на выводе 2 уровня 2,5В напряжение на выводе 3 начинает уменьшаться, что приводит к появлению тока светодиода оптрона D7. Транзистор оптрона начинает открываться, что приводит к уменьшению напряжения на выводе 8 м/с D10. Результатом этого является уменьшение длительности открытого состояния силовых ключей силового полумоста. Установка стабилизируемого напряжения осуществляется подбором сопротивления R43. Диод V21 в совокупности с R44 представляет параметрический стабилизатор и служит для защиты от перенапряжений микросхемы D8.
    Схема ШИМ-контроллера выполнена на базе микросхемы D10 и непосредственно управляет силовыми ключами полумоста на основании сигналов от внешних датчиков. Так как питающее напряжение микросхемы используется для управление затворами полевых транзисторов, то к нему предъявляются самые жесткие требования. За величиной напряжения следит монитор напряжения D6, который во-первых генерирует сигнал запрета с заданной длительностью на выводе 6 при снижении напряжения на выводе 15 м/с D10 ниже 11В, во вторых является буферным элементом между датчиком высокого напряжения и контроллером D10.
    Управление силовыми ключами полумоста V36, V37 осуществляется через разделительный трансформатор Т4, который обеспечивает гальваническую развязку схемы управления от цепей 550В. Управление разделительным трансформатором организовано на усилителе из полевых транзисторов V30, V31, V34, V35.