Полупроводниковый регулятор напряжения для электрического генератора

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для стабилизации и регулирования напряжения электрических генераторов, преимущественно для генераторных установок автономных систем энергоснабжения. В полупроводниковый регулятор напряжения для электрического генератора дополнительно введены первый и второй транзисторы того же типа проводимости, что и силовой транзистор, RC-цепь задержки, третий транзистор другой проводимости, коллектор которого через первый резистор подключен к базе первого транзистора, база-эмиттерный переход которого зашунтирован вторым резистором, а коллектор соединен с базой силового транзистора и эмиттером второго транзистора, коллектор которого через третий резистор подключен к общей шине питания, а через RC-цепь задержки - к базе третьего транзистора, эмиттер которого подключен к коллектору силового транзистора и через цепь положительной обратной связи соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к второму выходу генератора пилообразного напряжения, на котором формируется импульсное напряжение прямоугольной формы, а выход соединен с вторым входом элемента И, выход которого через промежуточный усилитель соединен с базой второго транзистора, при этом эмиттер силового транзистора и эмиттер первого транзистора соединены и подключены к шине питания, например к якорной цепи электрического генератора. В результате повышается надежность и улучшается качество электроэнергии генераторных установок автономных систем энергоснабжения. 1 з.п.ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для стабилизации и регулирования напряжения электрических генераторов, преимущественно для генераторных установок автономных систем энергоснабжения.

Известен регулятор напряжения для электрического генератора, содержащий измерительный орган, коммутирующий транзистор с сопротивлением в коллекторной цепи. силовой транзистор, устройство защиты от короткого замыкания в цепи обмотки возбуждения, выполненное на транзисторе, резисторах и конденсаторе [1].

К недостаткам упомянутого регулятора напряжения следует отнести слабую помехозащищенность устройства защиты от короткого замыкания в цепи обмотки возбуждения генератора, которая приводит к ложным запираниям силового транзистора, при этом для последующего отпирания силового транзистора необходимо полное развозбуждение электрического генератора, приводящее к отключению устройства защиты, а это увеличивает количество срабатываний контактора, включающего в сеть электрооборудования электрический генератор, что уменьшает срок его службы и приводит к дополнительному разряду аккумуляторной батареи.

Указанный недостаток имеет место и при перемежающем коротком замыкании обмотки возбуждения генератора на массу.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является полупроводниковый регулятор напряжения для электрического генератора, содержащий входной резистивный делитель напряжения, крайние выводы которого предназначены для подключения к якорным цепям генератора, а средняя точка соединена с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого подключен к выходу источника эталонного напряжения, промежуточный усилитель, выход которого связан с входом силового транзисторного ключа (силового транзистора), выход которого предназначен для соединения с одним из выводов обмотки возбуждения электрического генератора и катодом диода, шунтирующего обмотку возбуждения электрического генератора, а анод которого соединен с общей шиной питания, генератор тактовых импульсов, цепь положительной обратной связи, элемент И и элемент ИЛИ, выход которого подключен к входу промежуточного усилителя, а первый и второй входы соответственно к выходу генератора тактовых импульсов и входу элемента И, первый вход которого соединен с выходом компаратора, а второй - через цепь положительной обратной связи - с выходом силового транзисторного ключа, генератор пилообразного напряжения и емкостной делитель, включенный между общей шиной питания и выходом генератора пилообразного напряжения, синхронизирующий вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход емкостного делителя подключен к инвертирующему входу компаратора (входной резистивный делитель соединением средней точки с выходом емкостного делителя образует блок суммирования сигнала регулирования и напряжения пилообразной формы) [2].

Такой регулятор напряжения обеспечивает защиту от короткого замыкания в цепи обмотки возбуждения генератора, при этом к недостаткам следует отнести низкую надежность защиты регулятора от перегрузки в цепи обмотки возбуждения генератора.

Короткое замыкание в цепи обмотки возбуждения характеризуется низким омическим сопротивлением на выходе силового транзисторного ключа, вследствие чего он выходит из режима насыщения в линейный режим, при котором напряжение питания практически полностью прикладывается к нему, а выходное напряжение силового транзисторного ключа относительно общей шины близко к нулю. В этом случае напряжение положительной обратной связи с выхода силового транзисторного ключа, удерживающее его в открытом и насыщенном состоянии, отсутствует, что приводит к его запиранию.

Перегрузка в цепи обмотки возбуждения генератора характеризуется снижением омического сопротивления на выходе силового транзисторного ключа, при котором увеличивается ток через силовой транзисторный ключ и он выходит из насыщения, при этом только часть напряжения питания падает на силовом транзисторном ключе, а другая часть является выходным напряжением, обеспечивающим положительную обратную связь для удержания силового транзисторного ключа (силового транзистора) в открытом состоянии. В таком режиме на силовом транзисторном ключе выделяется значительная электрическая мощность, резко снижается надежность работы полупроводниковых элементов, применяемых в силовом транзисторном ключе.

В эксплуатации регулятора напряжения перегрузка наиболее часто возможна при коротком замыкании, приводящем к образованию искрового (дугообразного) выделения электрической энергии, а также при межвитковом перемежающем коротком замыкании в обмотке возбуждения или при коротком замыкании в цепи обмотки возбуждения, когда последняя подключена к выходу силового транзисторного ключа длинными проводами относительно малого сечения.

Другим недостатком такого регулятора напряжения является снижение качества регулирования напряжения электрического генератора за счет уменьшения измерительного сигнала входным резистивным делителем напряжения, а также за счет отпирания силового транзисторного ключа импульсами с генератора тактовых импульсов при наличии сигнала с выхода компаратора на закрывание силового транзисторного ключа, что приводит к увеличению переходных процессов при сбросах нагрузки электрического генератора, последнее особенно сказывается при управлении вентильными генераторами с двухконтурным возбуждением, выполненными на базе синхронных электрических машин.

Технический результат изобретения заключается в повышении надежности и улучшении качества электроэнергии.

Технический результат достигается тем, что в регулятор напряжения для электрического генератора, содержащий источник эталонного напряжения, элемент И, компаратор, неинвертирующий вход которого подключен к выходу источника эталонного напряжения, а выход соединен с первым входом элемента И, генератор пилообразного напряжения, блок суммирования, первый вход которого подключен к якорной цепи генератора, а второй соединен с первым выходом генератора пилообразного напряжения, на котором формируется импульсное напряжение пилообразной формы, цепь положительной обратной связи, силовой транзистор, коллектор которого соединен с одним из выводов обмотки возбуждения электрического генератора и катодом диода, шунтирующего обмотку возбуждения электрического генератора, анод которого соединен с общей шиной питания, элемент ИЛИ, промежуточный усилитель, введены первый и второй транзисторы того же типа проводимости, что и силовой транзистор, RC-цепь, третий транзистор другой проводимости, коллектор которого через первый резистор подключен к базе первого транзистора, база-эмиттерный переход которого зашунтирован вторым резистором, а коллектор соединен с базой силового транзистора и эмиттером второго транзистора, коллектор которого через третий резистор подключен к общей шине питания, а через RC-цепь - к базе третьего транзистора, эмиттер которого подключен к коллектору силового транзистора и через цепь положительной обратной связи соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к второму входу генератора пилообразного напряжения, на котором формируется импульсное напряжение прямоугольной формы, а выход соединен с вторым входом элемента И, выход которого через промежуточный усилитель соединен с базой второго транзистора, при этом эмиттер силового транзистора и эмиттер первого транзистора соединены и подключены к шине питания, например к якорной цепи электрического генератора.

В устройство дополнительно введен источник питания для компаратора и источника эталонного напряжения, при этом общие шины источника питания и компаратора подключены к якорной цепи электрического генератора.

На фиг.1 представлена блок-схема регулятора напряжения; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу регулятора напряжения; на фиг.3 - структурная схема, близкая к практической реализации.

Регулятор напряжения содержит источник эталонного напряжения 1, элемент И 2, компаратор 3, неинвертирующий вход которого подключен к выходу 4 источника эталонного напряжения 1, а выход 5 соединен с первым входом элемента И 2, генератор пилообразного напряжения 6, блок суммирования 7, первый 8 и второй 9 входы которого подключены, соответственно, к якорной цепи 10 электрического генератора и к первому выходу 11 генератора пилообразного направления 6, на котором формируется импульсное напряжение пилообразной формы, выход 12 соединен с инвертирующим входом компаратора 3, цепь положительной обратной связи 13, силовой транзистор 14, коллектор которого соединен с одним выводом обмотки возбуждения 15 и катодом диода 16, шунтирующего обмотку возбуждения 15, анод которого соединен с общей шиной питания 17, элемент ИЛИ 18, промежуточный усилитель 19, первый транзистор 20 и второй транзистор 21 того же типа проводимости, что и силовой транзистор 14, RC-цепь 22, третий транзистор 23 другой проводимости, коллектор которого через первый резистор 24 подключен к базе первого транзистора 20, база-эмиттерный переход которого зашунтирован вторым резистором 25, а коллектор соединен с базой силового транзистора 14 и эмиттером второго транзистора 21, коллектор которого через третий резистор 26 подключен к общей шине питания 17, а через RC-цепь 22 - к базе третьего транзистора 23, эмиттер которого подключен к коллектору силового транзистора 14 и через цепь положительной обратной связи 13 соединен с первым входом элемента ИЛИ 18. второй вход которого подключен к второму выходу 29 генератора пилообразного напряжения 6, на котором формируется импульсное напряжение прямоугольной формы, а выход соединен с вторым входом элемента И 2, выход которого через промежуточный усилитель 19 соединен с базой второго транзистора 21 источник питания 28. Эмиттер силового транзистора 14 и эмиттер первого транзистора 20 соединены и подключены к шине питания, например, к якорной цепи 10 электрического генератора.

Источник питания 28 для компаратора 3 и источника эталонного напряжения 1 имеет общую шину 30, подключенную к якорной цепи 10 электрического генератора.

Регулятор напряжения работает следующим образом. На выходе 11 генератора пилообразного напряжения 6 формируется импульсное напряжение пилообразной формы U11, а на выходе 29 - импульсное напряжение прямоугольной формы U29 (см. фиг.2а). Фронты импульсного напряжения прямоугольной формы совпадают по времени с вершинами импульсного напряжения пилообразной формы.

На входе 8 блока суммирования 7 устанавливается полное регулируемое напряжение U8= U10 с якорной цепи 10, а на входе 9 - напряжение пилообразной формы U9= U11 с выхода 11 генератора пилообразного напряжения 6, амплитуда которого выбирается из условий стабильного регулирования при работе регулятора напряжения в режиме ШИМ.

Суммарное напряжение U12 с выхода 12 блока суммирования 7 поступает на инвертирующий вход компаратора 3. На неинвертирующий вход компаратора 3 поступает напряжение U4 с выхода 4 источника эталонного напряжения 1, величина которого равна напряжению регулирования электрического генератора. Когда эталонное напряжение U4 больше максимального значения суммарного напряжения U12 (см. фиг.26), на выходе 5 компаратора 3, а следовательно, на первом входе элемента И 2 имеем напряжение U5, разрешающее прохождение сигнала на открывание силового транзистора 14.

С появлением на выходе 29 генератора пилообразного напряжения 6 первого импульса напряжения U29 он проходит через элемент ИЛИ 18, а затем и через элемент И 2. Таким образом, на выходе элемента И 2 устанавливается сигнал на открывание силового транзистора, который затем усиливается промежуточным усилителем 19 и приводит к открыванию и насыщению второго транзистора 21 и силового транзистора 14.

При нормальной работе регулятора напряжения, когда в цепи обмотки возбуждения отсутствует короткое замыкание или перегрузка, напряжение на коллекторе второго транзистора 21 относительно общей шины 17 всегда ниже, чем напряжение на коллекторе силового транзистора 14 относительно общей шины питания 17. Такое соотношение напряжений на коллекторах насыщенных второго транзистора 21 и силового транзистора 14 удерживает база-эмиттерный переход третьего транзистора 23 в закрытом состоянии, поэтому третий транзистор 23 и первый транзистор 20 закрыты и не влияют на управление силовым транзистором 14. Открывание и насыщение силового транзистора 14 приводит к появлению напряжения на первом входе элемента " ИЛИ" 18 через цепь положительной обратной связи 13. Когда в течение периода закончится действие импульсного напряжения U29 с выхода 29 генератора пилообразного напряжения 6, удержание силового транзистора 14 в открытом состоянии обеспечивается напряжением цепи положительной обратной связи 13 на первом входе элемента ИЛИ 18.

Ток в обмотке возбуждения 15 нарастает, что вызывает увеличение напряжения в якорной цепи 10 электрического генератора. Когда максимальное значение напряжения U12, поступающего на инвертирующий вход компаратора 3, будет какое-то время в течение периода превышать эталонное напряжение U4 на выходе 4 источника эталонного напряжения 1, работа регулятора напряжения характеризуется эпюрами напряжений, приведенными на фиг.2в. В этом режиме работы, когда на инвертирующем входе компаратора 3 напряжение U12 будет превышать напряжение U4 на неинвертирующем входе, на выходе 5 компаратора 3 устанавливается низкий уровень напряжения, запрещающий прохождение как импульсного сигнала прямоугольной формы с выхода 29 генератора пилообразного напряжения 6, так и сигнала цепи положительной обратной связи 13, что обеспечивает запирание силового транзистора 14. Ток в обмотке возбуждения 15 начинает уменьшаться. Когда на инвертирующем входе компаратора 3 напряжение ниже, чем на неинвертирующем, на выходе 5 компаратора 3 устанавливается высокий уровень напряжения, разрешающий прохождение импульсного сигнала с выхода 29 генератора пилообразного напряжения 6, который открывает силовой транзистор 14, при этом, когда действие импульсного сигнала с выхода 29 прекращается, силовой транзистор 14 удерживается в открытом состоянии за счет цепи положительной обратной связи 13 до тех пор, пока имеется разрешающий сигнал на выходе 5 компаратора 3. Таким образом регулятор работает в режиме ШИМ-регулирования.

При сбросе нагрузки с электрического генератора кратковременно возможна работа регулятора напряжения, характеризующаяся эпюрами напряжений, приведенными на фиг.2г, из которых следует, что если в течение всего периода напряжение U12 на инвертирующем входе компаратора 3 превышает напряжение на неинвертирующем входе, то на выходе 5 компаратора 3 имеем сигнал, запрещающий открывание силового транзистора 14. Таким образом, данным техническим решением достигнут положительный эффект, заключающийся в улучшении качества электрической энергии путем устранения прохождения каких-либо импульсов, отпирающих силовой транзистор 14, во время запрещающего сигнала с выхода 5 компаратора 3, а также путем использования полного сигнала рассогласования с якорной цепи 10. В прототипе имеет место открывание силового транзисторного ключа на время действия тактовых импульсов при сигнале с компаратора, запрещающем его открывание. что замедляет переходный процесс при сбросе нагрузки, а сигнал рассогласования уменьшен и величина его определяется соотношением резисторов входного резистивного делителя напряжения, что при одном и том же коэффициенте усиления регулятора напряжения понижает стабильность напряжения электрического генератора.

При коротком замыкании и перегрузке в цепи обмотки возбуждения 15 электрического генератора через силовой транзистор 14 увеличивается коллекторный ток и когда он превысит величину, которая обеспечивается базовым током, силовой транзистор 14 выходит из насыщения. В момент выхода из насыщения, когда напряжение на коллекторе силового транзистора относительно общей шины питания 17 станет ниже, чем напряжение на коллекторе второго транзистора 21, находящегося в насыщенном состоянии, начнет открываться третий транзистор 23, а следовательно, и первый транзистор 20. Открывание первого транзистора 20 приводит к шунтированию базового тока силового транзистора 14, что способствует увеличению скорости его выхода из насыщения и к еще большему отпиранию третьего транзистора 23 и первого транзистора 20. Происходит лавинообразный процесс насыщения третьего 23 и первого 20 транзисторов, что обеспечивает полное шунтирование базового тока силового транзистора 14 и он надежно закрывается, при этом второй транзистор 21 на время открывающего сигнала с промежуточного усилителя 19 остается в открытом и насыщенном состоянии. Поскольку после закрытия силового транзистора 14 напряжение с цепи положительной обратной связи 13 отсутствует, то второй транзистор 21 удерживается в открытом и насыщенном состоянии только на время действия импульсного напряжения U29 с выхода 29 генератора пилообразного напряжения 6. Когда на первом и втором входах элемента ИЛИ 18 отсутствуют сигналы отпирания и удержания, второй транзистор 21 закрывается, что, в свою очередь, приводит к запиранию третьего 23 и первого 20 транзисторов. С появлением очередного импульсного сигнала U29 при разрешающем сигнале с выхода 5 компаратора 3 силовой транзистор 14 вновь открывается, но если короткое замыкание или перегрузка не устранены, повторяется описанный выше процесс закрывания силового транзистора при коротком замыкании или перегрузке.

RC-цепь служит для предотвращения возможного открывания третьего транзистора 22 при неодновременном нарастании напряжений на коллекторах силового транзистора 14 и второго транзистора 21 вследствие различного импеданса их нагрузок. Величина задержки должна составлять доли микросекунд и она не вносит каких-либо изменений в описание работы регулятора напряжения.

Таким образом, техническим результатом достигнут положительный эффект, заключающийся в повышении надежности регулятора напряжения вследствие обеспечения его защиты от перегрузок в цепи обмотки возбуждения электрического генератора. Также следует отметить и улучшение теплового режима работы кристалла силового транзистора при коротком замыкании, так как в предлагаемом техническом решении запирание силового транзистора начинается уже на переднем фронте открывающего сигнала, что устраняет нарастание его базового тока до расчетной величины, определяемой третьим резистором 22 при насыщенном втором транзисторе 21. В прототипе же запирание силового транзисторного ключа начинается после окончания действия импульса с генератора тактовых импульсов.

По предлагаемому устройству разработан макетный образец. Проведены испытания образца, результаты испытаний положительные.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ 1. Авторское свидетельство СССР 762124, кл. Н 02 Р 9/30, 1982 г., БИ 47.

2. Авторское свидетельство СССР 983968, кл. Н 02 Р 9/30, 1980 г., БИ 33.

Формула изобретения

1. Полупроводниковый регулятор напряжения для электрического генератора, содержащий источник эталонного напряжения, элемент И, компаратор, неинвертирующий вход которого подключен к выходу источника эталонного напряжения, а выход соединен с первым входом элемента И, генератор пилообразного напряжения, блок суммирования, первый и второй входы которого подключены соответственно к якорной цепи электрического генератора и к первому выходу генератора пилообразного напряжения, на котором формируется импульсное напряжение пилообразной формы, а выход соединен с инвертирующим входом компаратора, цепь положительной обратной связи, силовой транзистор, коллектор которого соединен с одним из выводов обмотки возбуждения электрического генератора и катодом диода, шунтирующего обмотку возбуждения, анод которого соединен с общей шиной питания, элемент ИЛИ, промежуточный усилитель, отличающийся тем, что в него дополнительно введены первый и второй транзисторы того же типа проводимости, что и силовой транзистор, RC-цепь задержки, третий транзистор другой проводимости, коллектор которого через первый резистор подключен к базе первого транзистора, база-эмиттерный переход которого зашунтирован вторым резистором, а коллектор соединен с базой силового транзистора и эмиттером второго транзистора, коллектор которого через третий резистор подключен к общей шине питания, а через RC-цепь задержки - к базе третьего транзистора, эмиттер которого подключен к коллектору силового транзистора и через цепь положительной обратной связи соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к второму выходу генератора пилообразного напряжения, на котором формируется импульсное напряжение прямоугольной формы, а выход соединен с вторым входом элемента И, выход которого через промежуточный усилитель соединен с базой второго транзистора, при этом эмиттер силового транзистора и эмиттер первого транзистора соединены и подключены к шине питания.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дополнительно введен источник питания для компаратора и источника эталонного напряжения, при этом общие шины источника питания и компаратора подключены к якорной цепи электрического генератора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3