Источник питания электромагнитных компенсаторов

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в составе устройства размагничивания кораблей, в частности в качестве источника питания (ИП) электромагнитных компенсаторов (ЭМК). Техническим результатом от использования заявленного ИП ЭМК является достижение более глубокого подавления возникающих пульсаций тока и защита от импульсных помех. ИП ЭМК состоит из ДНВС (1), ИЗВ (2), первого (3) и второго (4) сумматоров, фазосдвигающего ШИМ-конвертора (5), ФВЧ (6), ВК (7), компаратора (8), ДПВН (9), инвертора (10), ФСИ (11), ДТИ (12), ДВТ (13) и нагрузки (14). Соединение перечисленных элементов схемы ИП ЭМК формирует две петли обратной связи: одну по току, вторую по напряжению. Такая схема обеспечивает технический результат - возможность подавления пульсаций выходного тока и помехи сети для произвольных типов нагрузки, активных и реактивных, без снижения КПД устройства и, следовательно, обеспечить более глубокое подавление пульсаций тока и защиту от импульсных помех. 2 ил.

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования в составе устройств размагничивания кораблей, в частности в качестве источника питания электромагнитных компенсаторов (ЭМК).

Известны источники питания ЭМК.

Так, известный источник питания ЭМК реализован в виде фазосдвигающего модулятора (ШИМ)-конвертора, на основе фазосдвигающего резонансного контроллера UC3875 (отечественный аналог 1156 Е1) и описан в справочнике Микросхемы для импульсных источников питания и их применение. М.: изд. дом «Додэка XXI», 2001, с.248. Такой источник питания (ИП) ЭМК обеспечивает управление ИП с мощностью до десятков кВт.

Недостатком указанного аналога является узкая область его применения в силу его однополярности, что исключает его применение для питания обмоток размагничивания.

Известно также устройство размагничивания судна (патент РФ №2095277, 1997 г.), в составе которого содержится источник питании ЭМК. Схема включает последовательно соединенные регулятор тока, источник питания и систему обмоток, блок сравнения и сумматор, подключенный к тензодатчикам. Такая схема обеспечивает снижение потребляемой мощности. Недостатком известного аналога является относительно низкая устойчивость источника питания к возможным пульсациям тока в нагрузке.

Наиболее близким аналогом (прототипом) по своей технической сущности к заявленному объекту является «Источник питания электромагнитных компенсаторов» по патенту РФ №2289192, МПК Н02М 7/04, опубл. 10.12.2006 г.

ИП ЭМК-прототип состоит из источника задающего воздействия (ИЗВ), снабженного сигнальным входом, фазосдвигающего широкоимпульсного модулятора (ШИМ)-конвертора, ЭМК, представляющего собой нагрузку устройства, первого и второго сумматоров, реализованных на операционных усилителях, суммирующего операционного усилителя, компаратора, выход которого через конденсатор и дроссель и с помощью трансформатора подключен к датчику тока и выпрямителю, аналогового коммутатора, инвертора, инвертирующего операционного усилителя и измерительного операционного усилителя. Перечисленные элементы и соответствующий порядок их соединения при работе ИП ЭМК обеспечивают повышение надежности работы устройства и уменьшения его массогабаритных показателей.

Недостатком ближайшего аналога является относительно неглубокое подавление пульсаций тока и недостаточная защита от воздействия импульсных помех, что обусловлено необходимостью снижения его коэффициента усиления по цепи обратной связи с целью предотвращения возбуждения источника питания в момент перехода тока через нулевые значения из-за его запаздывания, так как ЭМК представляет собой индуктивность. Кроме того, в ближайшем аналоге из-за применения в схеме его инвертора трансформаторов не обеспечивается работа устройства при квазипостоянной функции управления, составляющей доли герца.

Целью изобретения является разработка ИП ЭМК, обеспечивающего более глубокое подавление возникающих пульсаций тока и защиту от импульсных помех.

Заявленный ИП ЭМК расширяет арсенал средств данного назначения.

В заявленном ИП ЭМК поставленная цель достигается тем, что в известном источнике питания электромагнитных компенсаторов, содержащем ИЗВ, снабженный сигнальным входом, и первый выход которого подключен к первым входам первого и второго сумматоров (СУМ), выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам фазосдвигающего ШИМ-конвертора, выход и второй вход которого подключены соответственно к входу выпрямителя конвертора (ВК) и входу компаратора, снабженного инверсным входом, датчик тока инвертора (ДТИ), вход и второй выход которого подключены соответственно к выходу инвертора и к входу нагрузки, выход которой подключен к первому входу инвертора, дополнительно введены датчик напряжения выпрямителя сети (ДНВС), детектор выходного тока (ДВТ), формирователь сигнала инвертора (ФСИ), датчик пульсаций выходного напряжения (ДПВН) и фильтр верхних частот (ФВЧ).

Выход ДНВС подключен к второму входу первого СУМ. Вход и выход ДВТ подключены соответственно к первому выходу ДТИ и второму входу второго СУМ. Первый, второй входы и выход ФСИ подключены соответственно к выходу компаратора, второму выходу ИЗВ и второму входу инвертора, вход и выход ДПВН подключены соответственно к первому выходу ВК и входу ФВЧ, выход которого подключен к третьему входу первого СУМ. Первый и второй выходы ВК подключены соответственно к третьему и четвертому входам инвертора.

Благодаря новой совокупности существенных признаков в ИП ЭМК формируется одна петля обратной связи по току, вторая петля обратной связи по напряжению, что обусловливает возможность подавления пульсаций выходного тока и помехи сети для произвольных типов нагрузки: активных и реактивных, без снижения КПД устройства и, следовательно, обеспечить достижение поставленной цели - более глубокое подавления пульсаций тока.

Заявленный ИП ЭМК поясняется чертежами, на которых показаны:

на фиг.1 - общая схема ИП ЭМК;

на фиг.2 - схема инвентора.

Источник питания электромагнитных компенсаторов, показанный на фиг.1, состоит из ДНВС 1, ИЗВ 2, первого 3 и второго 4 сумматоров, фазосдвигающего ШИМ-конвертора 5, ФВЧ 6, ВК 7, компаратора 8, ДПВН 9, инвертора 10, ФСИ 11, ДТИ 12, ДВТ 13 и нагрузки 14.

Первый выход ИЗВ 2 подключен к первому входу 3.1 первого СУМ 3 и к первому входу 4.1 второго СУМ 4. Дополнительно ИЗВ 2 снабжен сигнальным входом. Выходы первого 3 и второго 4 СУМ подключены соответственно к первому 5.1 и второму 5.2 входам фазосдвигающего ШИМ-конвертора 5. Выход и второй вход 5.2 ШИМ-конвертора 5 подключены соответственно к входу ВК 7 и входу компаратора 8, снабженного дополнительно инверсным входом (I_пор). Вход и второй выход 12.2 ДТИ 12 подключены соответственно к выходу инвертора 10 и входу нагрузки 14, выход которой подключен к первому входу (вх.1) инвертора 10.

Выход ДНВС 1 подключен к второму входу 3.2 первого СУМ 3. ДНВС 1 дополнительно снабжен входом напряжения выпрямителя сети. На фиг.1 выпрямитель сети не показан. Вход и выход ДВТ 13 подключены соответственно к первому выходу 12.1 ДТИ 12 и второму входу 4.2 второго СУМ 4. Первый 11.1, второй 11.2 входы и выход ФСИ 11 подключены соответственно к выходу компаратора 8, второму выходу 2.2 ИЗВ 2 и второму входу (вх.2) инвертора 10. Вход и выход ДПВН 9 подключены соответственно к первому выходу (7.1) ВК 7 и входу ФВЧ 6, выход которого подключен к третьему входу 3.3 первого сумматора. Первый 7.1 и второй 7.2 выходы ВК 7 подключены соответственно к третьему (вх.3) и четвертому (вх.4) входам инвертора 10.

ДНВС 1 предназначен для выделения пульсаций напряжения и может быть реализован по схеме емкостного делителя.

ИЗВ 2 предназначен для приема сигнала от внешней системы управления током в ЭМК (в обмотках размагничивания) и представляет собой операционный усилитель с гальванической развязкой, например, типа АД215А, описанный на сайте www.analog.com.

Первый СУМ 3 предназначен для формирования сигнала управления током нагрузки по цепи обратной связи по напряжению и может быть реализован на операционном усилителе по типовой схеме «сложения - вычитания», описанной в книге Фолкенберри Л. «Применение операционных усилителей и линейных ИС». - М.: Мир, 1985, с.110.

Второй СУМ 4 предназначен для формирования сигнала управления током нагрузки по цепи обратной связи по току и может быть реализован на операционном усилителе по типовой схеме, описанной в книге Фолкенберри Л., с.110.

Фазосдвигающий ШИМ-конвертор 5 предназначен для регулирования тока нагрузки по амплитуде и может быть выполнен по известной схеме, описанной, например, в книге «Микросхемы для импульсных источников питания и их применение». - М.: изд. ДОДЭКА, 1997, с.179.

ФВЧ 6 предназначен для выделения напряжения пульсаций с частотой до 300 Гц и более и может быть выполнен по типовой схеме.

ВК7 предназначен для выпрямления напряжения ШИМ-конвертора 5 инвертора 10 с частотой 20 кГц и более и может быть выполнен по стандартной мостовой или двухполупериодной схемам.

Компаратор 8 предназначен для формирования сигнала о нуле тока в нагрузке, который может быть реализован по известной схеме «нуль - орган с гистерезисом», описанной в книге Фолкенберри Л., с.235.

ДПВН 9 предназначен для снижения уровня напряжения. В качестве такого датчика может быть использован резистивный делитель.

ФСИ 11 предназначен для изменения направления протекания тока нагрузки и он может быть реализован по схеме операционного усилителя «сложения - вычитания», описанной в книге Фолкенберри Л., с.110.

ДТИ 12 предназначен для получения сигнала о величине тока в нагрузке. В качестве ДТИ 12 может быть использован типовой шунт (низкоомный калиброванный резистор).

ДВТ 13 предназначен для выпрямления и масштабирования амплитуды тока и может быть реализован по типовой схеме с постоянной времени, составляющей единицы герц.

Нагрузка 14 в общем виде представляет собой наружные обмотки с секционированием, которые выполнены из проводящего кабеля, и представляют собой преимущественно индуктивность L до 600 мГн с сопротивлением R от единиц Ом до 30 Ом.

Инвертор 10 предназначен для изменения полярности тока в нагрузке. Схемы построения подобных инверторов известны и, в частности, может быть реализован по схеме, показанной на фиг.2.

Инвертор 10, показанный на фиг.2, выполнен по мостовой схеме на транзисторах и состоит из первого 10.1 и второго 10.2 источников питания затворов (ИПЗ) первого 10.5 и второго 10.7 транзисторов верхних плеч полумостов, третьего 10.10 источника питания затворов, третьего 10.6 и четвертого 10.8 транзисторов нижних плеч полумостов, первого 10.3 и второго 10.4 драйверов полумоста и логического инвертора (ЛИ) 10.9.

Выход первого ИП3 10.1 подключен к первому входу первого драйвера 10.3, второй вход которого подключен к первому выходу третьего ИПЗ 10.10. Первые и вторые выходы первого 10.3 и второго 10.4 драйверов подключены соответственно к первым входам первого 10.5, второго 10.7 и третьего 10.6, четвертого 10.8 транзисторов моста. Выход второго 10.2 и второй выход третьего 10.10 ИПЗ подключены соответственно к первому и второму входам второго драйвера 10.4. Входы затворов первого 10.5 и второго 10.7, третьего 10.6 и четвертого 10.8 транзисторов попарно объединены и являются соответственно четвертым (вх.4) и третьим (вх.3) входами инвертора 10. Выходы первого 10.5 и третьего 10.6, а также второго 10.7 и четвертого 10.8 транзисторов попарно соединены и являются соответственно выходом и первым входом (вх.1) инвертора 10. Третий вход второго драйвера 10.4 подключен к выходу логического инвертора 10.9, вход которого соединен с третьим входом первого драйвера 10.3 и является вторым входом (вх.2) инвертора 10.

Заявленное устройство работает следующим образом.

ИЗВ 2 вырабатывает сигнал постоянного тока I_з, величина и полярность которого зависят от сигнала управления током в нагрузке 14 (в частности, в обмотках размагничивания корабля), поступающих на вход ИЗВ 2. Сигнал на первом выходе 2.1 ИЗВ 2, соответствующий значению модуля величины тока |I_з|, поступает одновременно на первые входы 3.1 и 4.1 первого 3 и второго 4 сумматоров. На втором выходе 2.2 ИЗВ 2 сигнал, соответствующий знаку направления тока «плюс» или минус», поступает на второй вход 11.2 ФСИ 11. Последовательно соединенные по токовым входам/выходам первый СУМ 4, фазосдвигающий ШИМ-конвертор 5, ВК 7, инвертор 10, ДТИ 12 и ДВТ 13 образуют цепь обратной связи по току, с помощью которой обеспечивается контроль за выходным током (I_н) в нагрузке.

Возникающий сигнал ошибки по току ΔI=I_з-I_н при его отрицательном значении, т.е. ΔI<0, поступает дополнительно на вход компаратора 8, который сравнивает его с заданным пороговым уровнем I_пор, подаваемым на инверсный вход компаратора 8. С входа компаратора 8 разностный сигнал поступает на первый вход 11.1 ФСИ 11. При условии поступления на второй вход 11.2 ФСИ 11 сигнала с второго выхода 2.2 ИЗВ 2 разностный сигнал с выхода ФСИ 11 поступает на первый вход 10.1 инвертора 10, который вырабатывает сигнал, поступающий через ДТИ 12 для изменения направления тока в нагрузке 14.

Кроме того, последовательно соединенные по входам/выходам напряжения ДПВН 9, ФВЧ 6 и первый СУМ 3, подключенные к выходу ВК 7, образуют цепь обратной связи по напряжению, выход которой (выход первого СУМ 3) подключен к первому входу 5.1 фазосдвигающего ШИМ-конвертора 5. Этим обеспечивается требуемая глубина подавления возникающих пульсаций и помех сети фиксируемых ДВНС 1 и поступающих на второй вход 3.2 с полосой частот в несколько кГц.

В заявленном устройстве управление инвертором 10 осуществляется как непосредственно по входному сигналу, так и по сигналу, формируемому при условии ΔI<0, что позволяет избежать возбуждения ИП при работе на индуктивную нагрузку и, следовательно, расширить динамический диапазон регулировки в ней тока.

На одну диагональ мостовой схемы инвертора 10 подают напряжение с ВК 7, а во вторую диагональ включена нагрузка 14. Управление транзисторами 10.5-10.8 производится с помощью драйверов 10.3 и 10.4 соответствующих полумостов, питание на первые входы которых подается соответственно от изолированных источников питания 10.1 и 10.2.

Изменение направления протекания тока в нагрузке 14 производят коммутацией транзисторов 10.5 и 10.8 или 10.6 и 10.7. Инвертор 10, реализованный по данной схеме, сохраняет работоспособность при управлении постоянным током.

Введение цепи обратной связи по напряжению обеспечивает возможность подавления пульсаций тока в нагрузке. При этом полоса пропускания цепи обратной связи по напряжению составляет 3-5 кГц при подавлении пульсаций с частотой 300 Гц. Такая возможность реализована введением ДНВС 1, выход которого подключен ко второму входу 3.2 первого СУМ 3.

Таким образом, благодаря новой совокупности существенных признаков при использовании заявленного ИП ЭМК достигается указанный технический результат.

Источник питания электромагнитных компенсаторов, содержащий источник задающего воздействия, снабженный сигнальным входом, и первый выход которого подключен к первым входам первого и второго сумматоров, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам фазосдвигающего ШИМ-конвертора, выход и второй вход которого подключены соответственно к входу выпрямителя конвертора и входу компаратора, снабженного инверсным входом, датчик тока инвертора, вход и второй выход которого подключены соответственно к выходу инвертора и к входу нагрузки, выход которой подключен к первому входу инвертора, отличающийся тем, что дополнительно введены датчик напряжения выпрямителя сети, выход которого подключен к второму входу первого сумматора, детектор выходного тока, вход и выход которого подключены соответственно к первому выходу датчика тока инвертора и второму входу второго сумматора, формирователь сигнала инвертора, первый, второй входы и выход которого подключены соответственно к выходу компаратора, второму выходу источника задающего воздействия и второму входу инвертора, датчик пульсаций выходного напряжения, вход и выход которого подключены соответственно к первому выходу выпрямителя конвертора и входу фильтра верхних частот, выход которого подключен к третьему входу первого сумматора, причем первый и второй выходы выпрямителя конвертора подключены соответственно к третьему и четвертому входам инвертора.