Способ защиты от импульсных перенапряжений

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано для защиты потребителей электроэнергии постоянного тока от воздействия импульсных помех, возникающих в питающей сети при коммутации ее нагрузок и в аварийных режимах, при грозовых разрядах, а также для ограничения тока заряда сглаживающих и накопительных конденсаторов различного назначения, преимущественно в полупроводниковых источниках вторичного электропитания. Предложен способ защиты от импульсных перенапряжений, обеспечивающий предотвращение повреждений потребителей электроэнергии импульсами коммутационных и наведенных перенапряжений, а также ограничение пусковых токов при включении напряжения питания или его скачкообразном увеличении. В способе защиты от импульсных перенапряжений, заключающемся в периодической коммутации во время действия импульса цепи питания нагрузки бесконтактным ключом и сглаживании напряжения с помощью LC-фильтра, дополнительно формируют сигналы, пропорциональные интегралу напряжения на обмотке дросселя и первой производной по времени выходного напряжения, и в моменты достижения их суммой заданных минимального и максимального значений осуществляют переключение бесконтактного ключа. Технический результат - повышение КПД. 1 ил.

 

Изобретение относится к области промышленной электроники и может быть использовано для защиты потребителей электроэнергии постоянного тока от воздействия импульсных помех, возникающих в питающей сети при коммутации ее нагрузок в эксплуатационных и аварийных режимах, наведенных грозовыми разрядами, а также для ограничения тока заряда сглаживающих и накопительных конденсаторов различного назначения, преимущественно в полупроводниковых источниках вторичного электропитания.

Известен способ защиты от импульсных перенапряжений [Глухов О.А. Оптимальная коммутация электрических цепей: Научное издание. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000, с.60, рис.18, 6], основанный на различии частотного спектрального состава токов, потребляемых из сети, в нормальных эксплуатационных режимах работы потребителя электроэнергии и при воздействии импульсов перенапряжений. Сущность способа заключается в увеличении падения напряжения на ограничительном дросселе при протекании переменной составляющей тока, обусловленной импульсом перенапряжения в питающей сети. Способ обеспечивает эффективную защиту потребителей электроэнергии от импульсов сравнительно небольшой амплитуды (до 100-200 В) либо малой длительности (до 100-200 мкс). Параметры дросселя должны выбираться такими, чтобы возникающая во время импульса перенапряжения ЭДС самоиндукции компенсировала напряжение u_имп импульса в соответствии с выражением:

где W - число витков обмотки дросселя; S - сечение магнитопровода; В - магнитная индукция в магнитопроводе.

Амплитуда тока I_м дросселя, равного сумме токов нагрузки и заряда конденсатора, не должна приводить к насыщению сердечника дросселя

где μ_э - эквивалентная относительная магнитная проницаемость магнитопровода; μ₀ - магнитная проницаемость вакуума; l_ср - длина средней магнитной силовой линии магнитопровода; B_s - индукция насыщения магнитопровода.

Эти условия приводят к необходимости увеличения габаритных размеров и веса дросселя. Как показывают расчеты, при номинальном токе нагрузки 10 А, амплитуде экспоненциального импульса 500 В длительностью 4 мс на уровне 0,5 от амплитуды масса дросселя превышает 40 кг. В переходных режимах (включение и выключение, скачкообразные изменения тока нагрузки) из-за возбуждения колебательного процесса создаются большие пульсации напряжения и собственные импульсы перенапряжения.

Известен способ защиты от импульсных перенапряжений [Глухов О.А. Оптимальная коммутация электрических цепей: Научное издание. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000, с.62, рис.20], основанный на формировании с помощью трансформатора, включенного последовательно с потребителем электроэнергии, напряжения, пропорционального импульсу перенапряжения и направленного встречно последнему. Повышение эффективности этого способа достигается за счет компенсации импульса перенапряжения трансформированным напряжением.

Недостатками этого способа также являются наличие колебательного процесса в переходных режимах и необходимость применения дросселя с еще большими массогабаритными показателями.

Известен также способ защиты от импульсных перенапряжений [Глухов О.А. Оптимальная коммутация электрических цепей: Научное издание. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2000, с.61, рис.19]. Сущность способа заключается в накоплении с помощью конденсатора энергии в течение времени, предшествующего появлению импульса перенапряжения, отключении нагрузки от питающей сети на время действия импульса и питании нагрузки за счет накопленной энергии.

Однако этот способ практически неприменим при больших мощностях нагрузки (единицы киловатт и более) из-за необходимости накопления большого количества энергии, определяемой допустимым разрядом конденсатора за время импульса, а также критичности к длительности фронта импульса из-за инерционности транзистора и блока управления в устройствах, реализующих способ. Для обеспечения надежности при включении питания требуются дополнительные меры, обеспечивающие плавный заряд конденсатора.

Наиболее близким к заявленному (прототипом) является способ стабилизации постоянного напряжения [Домеников В.И., Казанский Л.М. Стабилизированные источники электропитания судовой радиоэлектронной аппаратуры. Л., Судостроение, 1971, с.165, рис.5.6, б], обеспечивающий ограничение импульсных перенапряжений и основанный на промежуточном преобразовании постоянного напряжения в импульсное напряжение прямоугольной формы с последующим его сглаживанием. Сущность способа-прототипа заключается в периодической коммутации цепи питания нагрузки бесконтактным ключом и сглаживании импульсного напряжения с помощью фильтра, содержащего дроссель и конденсатор, причем коэффициент заполнения сигнала управления бесконтактного ключа изменяют таким образом, чтобы обеспечить заданное значение напряжения на нагрузке.

Недостатками этого способа являются низкий коэффициент полезного действия устройств, реализующих способ, обусловленный влиянием динамических потерь мощности в элементах силовой цепи (бесконтактный ключ, демпферный диод, дроссель, сглаживающий конденсатор) из-за непрерывной работы в режиме широтно-импульсной модуляции, сложность блока управления, содержащего широтно-импульсный модулятор с цепями коррекции частотных характеристик элементов контура регулирования, а также склонность устройства к самовозбуждению при воздействии импульсов большой амплитуды из-за необходимости изменения в широком диапазоне коэффициента заполнения сигналов управления бесконтактным ключом.

Задачей изобретения является защита потребителей электроэнергии постоянного тока от импульсных перенапряжений. Техническим решением изобретения является повышение коэффициента полезного действия и устойчивости устройства, упрощение блока управления бесконтактным ключом.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в способе защиты от импульсных перенапряжений, основанном на периодической коммутации цепи питания нагрузки бесконтактным ключом и сглаживании импульсного напряжения с помощью фильтра, содержащего дроссель и конденсатор, управление бесконтактным ключом осуществляют в зависимости от напряжения на дросселе и скорости изменения напряжения на конденсаторе.

Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что в нем дополнительно формируют сигналы, пропорциональные интегралу напряжения на обмотке дросселя и первой производной по времени выходного напряжения, полученные сигналы складывают и в моменты достижения суммой заданных минимального и максимального значений осуществляют переключение бесконтактного ключа.

Рассмотрим пример реализации способа.

На чертеже приведена функциональная схема устройства, реализующего предложенный способ защиты от импульсных перенапряжений. Устройство содержит последовательно соединенные бесконтактный ключ 1 (SI), дроссель 2 (L1) и конденсатор 3 (С2) фильтра, а также демпферный диод 4 (VD1), интегрирующее устройство 5, подключенное к дросселю 2, дифференцирующее устройство 6, подключенное к конденсатору 3, сумматор 7, входы которого соединены с выходами интегрирующего устройства 5 и дифференцирующего устройства 7. Выход сумматора 7 через пороговый элемент 8 (например, триггер Шмитта) подключен к управляющему входу бесконтактного ключа 1. Нагрузка 9 (Rн) подключена к выходу фильтра, т. е. параллельно конденсатору 3.

Сущность предложенного способа заключается в ограничении нарастания выходного напряжения при воздействии импульса перенапряжения путем периодической коммутации цепи питания нагрузки на достаточно высокой частоте с последующим сглаживанием импульсного напряжения фильтром, содержащим дроссель 2 и конденсатор 3. Коэффициент заполнения сигнала управления коммутирующим бесконтактным ключом 1 регулируют в зависимости от скорости увеличения выходного напряжения (первой производной этого напряжении по времени), при этом частота коммутации определяется сигналом, пропорциональным интегралу напряжения на обмотке дросселя 2 сглаживающего фильтра.

В соответствии с предложенным способом устройство работает следующим образом. В установившемся режиме работы (при отсутствии импульсов перенапряжения, постоянных значениях напряжения питания U_пит и тока нагрузки 9) сигнал на выходе дифференцирующего устройства 6 равен нулю. Через дроссель 2 течет постоянный ток, и падение напряжения на дросселе 2, определяемое активным сопротивлением его обмотки, практически равно нулю. Выходные сигналы интегрирующего устройства 5, дифференцирующего устройства 6 и сумматора 7 практически равны нулю, пороговый элемент 8 поддерживает бесконтактный ключ 1 во включенном состоянии.

При поступлении на вход устройства импульса перенапряжения конденсатор 3 заряжается нарастающим током через дроссель 2. Нарастание тока заряда создает на дросселе 2 падение напряжения u_L, равное

где W и S - количество витков и сечение сердечника дросселя 2; B(t) - зависимость магнитной индукции в сердечнике дросселя 2 от времени t.

Это падение напряжения интегрируется реальным интегрирующим устройством 5 практически в соответствии с выражением

где u₅ - выходное напряжение интегрирующего устройства 5; τ - постоянная времени интегрирования.

Подставляя в формулу (4) u_L из выражения (3), получаем

Как видно из полученного выражения, мгновенное значение напряжения на выходе интегрирующего устройства 5 пропорционально мгновенному значению магнитной индукции в сердечнике дросселя 2.

При достижении выходным напряжением интегрирующего устройства 5 значения, соответствующего верхнему уровню переключения порогового элемента 8, происходит выключение бесконтактного ключа 1 и отключение нагрузки 9 от источника питания. Ток дросселя 2 начинает уменьшаться, что приводит к изменению полярности ЭДС самоиндукции на противоположную. Открывается демпферный диод 4, пропуская через себя ток нагрузки 9 и заряда конденсатора 3, а выходное напряжение интегрирующего устройства 5 начинает уменьшаться.

В момент времени, когда выходное напряжение интегрирующего устройства 5 уменьшается до значения, соответствующего нижнему уровню переключения порогового элемента 8, последний включает бесконтактный ключ 1, и ток через дроссель 2 снова увеличивается. Полярность ЭДС самоиндукции дросселя 2 опять становится такой, при которой выходное напряжение интегрирующего устройства 5 увеличивается. Далее процесс повторяется аналогично описанному.

Соответствующим выбором постоянной времени τ и уровней переключения порогового элемента 8 можно обеспечить включение и выключение бесконтактного ключа 1 в моменты времени, когда магнитная индукция В в магнитопроводе дросселя 2 достигает заданных значений.

Выходное напряжение на конденсаторе 3 и нагрузке 9 дифференцируется дифференцирующим устройством 6. Сигнал на его выходе, пропорциональный скорости увеличения выходного напряжения, поступает на вход сумматора 7 и увеличивает его выходной сигнал. В результате этого срабатывание порогового элемента 8 и переключение бесконтактного ключа 1 происходят при меньших значениях выходного напряжения интегрирующего устройства 5, т.е., как следует из (5), при меньших значениях магнитной индукции в магнитопроводе дросселя 2 и меньших значениях тока дросселя 2. Такое уменьшение тока снижает скорость нарастания напряжения на нагрузке 9, а также предотвращает насыщение магнитопровода дросселя 2.

По окончании импульса перенапряжения ЭДС самоиндукции дросселя 2 при включенном бесконтактном ключе 1 становится недостаточной для увеличения выходного напряжения интегрирующего устройства 5 значения, соответствующего верхнему уровню переключения порогового элемента 8 и выключения бесконтактного ключа 1. Схема переходит в описанное выше установившееся состояние с включенным бесконтактным ключом 1.

Данное устройство может рассматриваться как система с отрицательной обратной связью по первой производной выходного параметра - выходного напряжения, т.е. является стабилизатором скорости увеличения выходного напряжения. Амплитуда выброса напряжения на выходе устройства (на нагрузке 9) определяется скоростью нарастания этого напряжения и длительностью импульса перенапряжения. Амплитуда импульса перенапряжения на величину выброса влияния не оказывает. При постоянном значении питающего напряжения устройство работает на участке ограничения передаточной характеристики контура регулирования.

При включении питания U_пит скачок питающего напряжения воспринимается схемой аналогично импульсу перенапряжения, и она обеспечивает плавное увеличение выходного напряжения от нуля до максимального значения, равного питающему напряжению за вычетом падения напряжения на бесконтактном ключе 1 и дросселе 2. Ток заряда конденсатора 3 определяется его емкостью и скоростью заряда.

Так как из условия ограничения импульса перенапряжения скорость заряда конденсатора 3 выбирается достаточно малой, ток заряда соизмерим с номинальным током нагрузки. Например, при U_пит=220 В, номинальном токе нагрузки 10 А и емкости конденсатора 3, равной 300 мкФ, для ограничения выброса выходного напряжения во время воздействия импульса перенапряжения длительностью 10 мс, значением 30 В скорость нарастания выходного напряжения должна быть равной 3 В/мс. При этом среднее значение тока заряда конденсатора 3 во время воздействия импульса, а также при включении питающего напряжения равно

что значительно меньше номинального тока.

Аналогичным образом происходит ограничение импульсов тока заряда конденсатора 3 фильтра при скачкообразном увеличении питающего напряжения.

Таким образом, предложенный способ осуществляет ограничение импульсов перенапряжения, возникающих в питающей сети, до безопасных значений. Благодаря тому, что в установившемся режиме бесконтактный ключ 1 постоянно включен, динамические потери в нем отсутствуют, что повышает коэффициент полезного действия устройств.

Благодаря высокому быстродействию контура регулирования, обусловленному применением глубокой отрицательной обратной связи по первой производной выходного напряжения, отсутствует необходимость применения цепей частотной коррекции, что также приводит к упрощению схем устройств, реализующих предложенный способ.

Блок управления бесконтактным ключом 1 выполнен в виде интегрирующего устройства 5, дифференцирующего устройства 6, сумматора 7 и порогового элемента 8. Так как интегрирующее устройство 5 и дифференцирующее устройство 6 могут быть выполнены в виде RC-цепей, а сумматор образован последовательным соединением этих элементов, блок управления бесконтактным ключом 1 будет проще использованного в устройстве-прототипе широтно-импульсного модулятора.

Способ защиты от импульсных перенапряжений, заключающийся в периодической коммутации во время действия упомянутого импульса цепи питания нагрузки бесконтактным ключом и сглаживании импульсного напряжения с помощью фильтра, содержащего дроссель, включенный последовательно в цепь бесконтактного ключа, демпферный диод и конденсатор, включенный параллельно нагрузке, отличающийся тем, что формируют сигналы, пропорциональные интегралу напряжения на обмотке дросселя и первой производной по времени выходного напряжения, полученные сигналы складывают и в момент достижения суммы заданного минимального значения бесконтактный ключ выключают, при этом происходит отключение нагрузки от источника питания, а в момент достижения суммы указанных сигналов максимального значения бесконтактный ключ включают.