Стабилизированный источник разнополярного постоянного напряжения с защитой от токовых перегрузок

 

Союз Сонетскик

Соь1иалнстмческмк республик

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

ABTOPCKOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

< 964608

Ф

/ ч / (6l ) Дополнительное к авт. свил-ву (22) Заявлено 04,12.80 (2!) Зг15 180Г24-07 с присоелинеиием заявки .% (23)Приоритет

Опубликовано 07,10 82. Бюллетень М 37

Дата опубликования описании 07, ) 0.82

{51)М. Кл.

<З О5 Р 1/58 (Ьоударсткнвый комитет

СССР ко делам каобретенкй и опрыткк (5З) УДК01 81@

1 .722. 1 (088.8) (72) Автор изобретения

А. В. Ил (7l) Заявитель (5 4) СТА1ь11ЛИЗИРОВЛННЫ11 ИСТОЧНИК 1ьАЗНОПОЛИ1ьНОГО

ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАЩ11ТОЙ

ОТ ТОКОВЫХ Ш t ÅÃРУЗОК

Изобретение относится к эпектротех-" нике и может быть использовано в источниках разнополярного постоянного напряжения, предназначенных дпя электропитания устройств автоматики, вычислитепь5 ной и измерительной техники, Известны стабилизированные источники разнопопярного напряжения с защитой, содержащие два зеркально-симметричных ь стабилизатора (на транзисторах противо о положного типа проводимости) с резистивными датчиками тока, включенными в разнополярные шинн (1 ) и (2)

Недостатками данных устройств являются дополнительные потери в реэистивных датчиках тока, а также ограниченное применение, связанное с невозможностью применения средств зашиты при одинаковых схемах обоих стабилизаторов.

Наиболее близким по своей техничес- щ кой сущности к изобретению является стабилизированный источник разнопопярного постоянного напряжения с эашитвй От то»

I ковых перегрузок, содержащий два стабилизатора с последоватещ,ныь:и регупи руюшими элементами и узел зашиты, состоящий иэ измерителей выходных токов с соответствующими датчиками и усилителями, подключенными через сумматор к исполнительным элементам зашиты (Э).

В известном устройстве при возникновении токовой перегрузки в цепях нагрузки какого-либо из плеч источника (ипи в обоих плечах одновременно) возрастает напряжение на (реэистивном) гатчнке тока (или на обоих датчиках).

Через вспомогательные усилители и сумматор это напряжение прикладывается к укьравляюшему переходу исполнительного транзистора, который открывает и шунтирует источник опорного напряжения, тем самым снижая выходное напряжение

Одновременно в обоих плечах источника.

Ограничивая отдаваемую в нагрузку мощность. Однако зашита источника от токо вой перегрузки при одновременном увеличении потребления в обоих плечах сутест венно отличается от зашиты при несим3 96 мвтричном предельном режиме. При несимметричном увеличении потребления в нагрузке (перегрузка только в одном плече) для включения исполнительного тран. зистора требуется наличие предельного тока в два раза превышающего предель ный ток при симметричной перегрузке (так как сумматор осуществляет арифме тическое сложение напряжений на двух реэистивных датчиках тока). Это приводит к большому раэбросу порогов срабатывания ограничительной защиты в зависимости от условий перегрузки и повышения баллас-.ной мощности, выделяющейся на регулирующем транзисторе стабилизатора, оказавшегося в несимметричном предельном режиме (примерно в два раза большей, чем при симметричном предельном режиме, что снижает надежность источника). Наличие резистивных датчиков тока обусловливает низкий КПД стабилизатора из-за баластного падения напряжения в силовых шинах, причем при несимметричной перегрузке КПД стабилизатора снижается еше больше (т.е. появляется возможность протекания в каком-либо из плеч выходного тока, превышающего предельный, но еше не достаточного для включения исполнительного тран-. зистора при несимметричной перегрузке).

Наличие гальванической связи вьйсодных и входных зажимов стабилизаторов в известном источнике позволяет осуществ,лять суммирование сигналов, пропорциональных токам, снимаемых с реэистивных датчиков тока, но ограничивает область применения данной защиты только в источниках с зеркально-симметричными стабилизаторами. В источниках разнопопярного напряжения с одинаковыми стабилизаторами применение такой зашиты невозможно, так как отсутствует гальваническая связь между входными зажимами стабилизаторов, Недостатками известного стабилизированного источника разнопопярного постоянного напряжения с защитой от токовых перегрузок являются низкая надежность низкий КПД и ограниченная область применения.

Э

Белью изобретения является повышение надежности, коэффициента полезного действия и расширение области применения.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизированном источнике разнополярного постоянного напряжения с зашитой от токовых перегрузок измерители выполнены один в виде измерителя модуля разностного тока, а другой - в виде измерителя суммы абсошотных значений выходных токов, при этом датчики измерителей включены в соответствующие силовые шины, а усилители выполнены в виде усилителей-амплитудных детекторов и входами подключены к датчикам тока, а выходами - к входам сумматора.

Кроме того, в узел защиты введен ге30 нератор переменного напряжения, а датчики тока в нем выполнены в виде магнитных модуляторов, при этом возбуждающие обмотки модуляторов подключены к генератору, измерительные — к входам

15 соответствующих усилителей, а сигнальные - выполнены в виде участков силовых шин источника, пропущенных через отверстия магнитопроводов магнитных модуляторов, р0 На фиг. 1 представлена функциональная схема стабилизированного источника разнополярного постоянного напряжения с зашитой от токовых перегрузок; на фиг, 2 — функциональная схема датчика

25 тока, Устройство содержит два стабилизатора 1 и 2, состоящих из последовательно включенных регулирующих элементовтранзисторов 3 и 4 и усилителей постоянного тока 5 и 6 соответственно в це-. пях отрицательной обратной связи. Вход усилителя 5 подключен к источнику 7 опорного напряжения, а вход усилителя 6 через резистивный делитель (состоящий из резисторов 8 и 9) подключен к выход35 ным зажимам источника. При этом стабилизаторы l и 2 могут быть выполнены также по зеркально-симметричной схеме, в этом случае один из входов усилителя

6 через делитель 8 и 9 должен быть подключен к опорному источнику 7, а второй вход — к обшей шине источника.,Бат.ики тока 10 и 11 включены последовательно в выходные силовые шины источ45 ника. Датчик 10 включен в общую выходную шину 12, а датчик 11 — в разнопопярные шины 13 и 14, Генератор 15 переменного напряжения подключен к зажимам обмоток возбуждения датчиков 10

50, и 11 тока. Выходные зажимы датчиков

10 и 11 тока подключены соответственно к входам вспомогательных усилителей 16 и 17, выходы которых соединены с сумматором 18, Питание генератора 15, усилителей 16 и 17 и сумматора 18 осу55 шествляется, например со стороны входных зажимов стабилизатора 1, Выход . сумматора 18 подключен к входу исполнительного элемента 19 (например, ти5 96 рнстора) в зависимости от разновидности применяемого исполнительного откпю чающего элемента 19 может быть введен дополнительно исполнительный элемент

20 в стабилизаторе 2, например контах» ты реле, оптронный элемент, дополнительный тиристор и т.п, Датчик 10 (или 11) тока (фиг. 2) выполнен на,двух соосно расположенных тороидальных магнитопроводах 21 и 22 с равными и встречно включенными об.мотками 23 и 24 возбуждения. Обмотки

23 и 24 подключены к генератору 15 переменного напряжения, Выходная вторичная обмотка 25, общая для магнитопроводов 21 и 22, подключена к входу вспомогательного усилителя 16 (ипи 17).

Датчик 10 тока (см. фиг. 1) надет на общую выходную шину 12 стабилизаторов 1 и 2, и датчик 11 тока надет на две, встречно расположенные, выходные шины 13 и 14 стабилизаторов 1 и 2.

При этом возможен, второй вариант расположения датчика 10 тока, при котором датчик 10 надет на две, согласно распо. ложенные выходные шины 13 и 14 стабилизаторов 1 и 2 (однако этот вари-. ант менее предпочтителен, так как увейнчивает взаимовлияние датчиков 10 и 11 тока за счет индукционных и емкостных паводок.

На фиг. 1 обозначены Э„ток стабилизатора 1 в шине 13, 3,1- ток стабилизатора 2 в шине 14, 3 - 31 - ток в общей шине 12, характеризующий асимметрию режима работы источника и определяемый в соответствии с законом Кирхгофа, Стабилизированный источник разнополярного постоянного напряжения работает . следующим образом.

Компенсационные стабилизаторы 1 и 2 постоянного напряжения при подключении входными зажимами к питающей сети (например, к выпрямителям), а выходными зажимами - к потребителю, поддерживают на выходных зажимах источника постоянные разнополярные напряжения, величина которых определяется напряжением опорного источника 7 и соотношением плеч 8 и 9 реэистивного делителя, Эти напряжения могут быть в частном случае и симметричными, Генератор 15 переменного напряжения создает в обмотках 23 и 24 возбуждения магнитопроводов 21 и

22 датчиков 10 и 11 тока (фиг. 2) ток высокой частоты (например, 10-.

100 кГц), вызывающий перемагничивание магнитопроводов 21 и 22 по предепьно-

4608 6 му гистерезисному циклу с заход в область насыщения. Протекающие токов

З„и 31 потребляемых нагрузкой от стабилизаторов 1 и 2 по выходным шинам

3 12-14 источника, на которые надеты датчики 10 и 11 тока . (фиг. 1) создает в Ьбласти расположения магнитопроводов 21 и 22 постоянное магнитное попе. В магнитопроводах 21 и 22 (фиг. 2) происходят суперпозиция двух магнитных полей, одного переменного магнитного поля возбуждения и другого постоянного магнитного поля выходных токов, Это приводит к появлению в выходной обмотИ ке 25 магнитопроводов 21 и 22, облада- вших нелинейной кривой намагничивания, четногармонического сигнала, например, с удвоенной частотой генератора 15, прямо пропорционального величине магнит20 ного паля тока, протекающего по выход- ной шине источника, йа которую надет датчик (10 ипи 11) тока. Обмотки 23 . и 24 возбуждения равные и встречновключенные, поэтому сигнал возбуждения

2 магнитопроводов 21 и 22 в, обмотку 25. не попадает. В усилителях 16 и 17 происходит детектирование и усиление четногармонического сигнала. При этом в усилителе 16 осуществляется амплитудЗО .. ное детектирование выходного сигнала дат- чика 10 тока, надетого на общую выходную шину 12 источника. Поэтому независимо от направления разностного тока в шине 12 выходной сигнал усилителя 16 sceraa будет одной и той же полярности, r.е. будет зависеть только от величины тока в шине 12, независимо от его направле" ния. В отличие от разного направления тока в шине 12 источника, в шинах 13 и 14 всегда протекают токи 3 и 3 одного и тога же направления (в соответствии с полярностью выходных зажимов) независимо от режима работы источника

Например, всегда сохраняется обозначенное (фиг. 1) направление выходных токов в шинах 13 и 14, а в шине 12 направление разностного тока (Э „ -Э ) бу- дет зависеть от соотношения потреблений в плечах источника, т.е. от величин токов 31 и 3>,Выходной сигнал усилителя

17 также имеет одну и ту же полярность и по величине пропорционален сумме величин токов 1„и 3.1 в шинах 13 и 14, т.е, сумме амплитуд этих токов, так как датчик 11 тока, нагруженный на вход уси лителя 17, надет на встречно-расположенные шины 13 и 14, направление токов в которых не меняется. В соответствии с этим, на один вход сумматора 18 по4608 Я, pAe U - выходное напряжение сумматора 18;

К вЂ” коэффициент пропорциональности, опредепяемый чувствитепьностью датчиков тока и коэффициентами усиления усилителей 1618 (В/А).

Из соотношения (1) видно, что при шобых усповиях выходное напряжение сум-. матора 18 пропорционально удвоенному значению бопьшего тока, т.е, независимо от асимметрии режима потребления выход., ное напряжение сумматора 18 опреденя- ig ется током того стабилизатора (1 ипи 2), который ближе к критическому режиму.

В частном спучае,.еспи потребление симметричное, то токи 3 1 и 32 стабипизатоpos 1 и 2 равны, ток в общей шине 12 отсутствует, а выходное напря>кение сум« матора 18 по-прежнему пропорционапьно удвоенному значению выходного тока, т.е, той же самой степени прибпижения выходных токов к критическому режиму.

Пусть 3 р — предепьный рабочий ток стабипизаторов 1 и 2, который допустим дпя нормальной работы, а выше которого необходимо вкпючение зашиты.

При, шобых условиях (формула 1(3.

3 <3,3 — 3 3 — О 3 =0 и тп) когда только любой ток (3.> 3 или оба вместе) достигают критического значения, выходное напряжение сумматора 18 всегда будет одним и тем же, т.е. будет равно

7 96, дается напряжение, пропорционапьное раз- ности выходных токов стабипизаторов 1 и 2 (с усилителя 16), а на второй вход напряжение, пропорциональное сумме амппитуд этих же токов, Коэффициенты усиления усилителей 16 и 17, равны, по этому напряжение на выходе сумматора

18 пропорционально сумме амплитуд токов в выходных шинах 12-14, т.е.

Z» <. (3„ +) 3)+ 3,- 11), «) Достижение условия (2), так же как и усповия (1), обеспечивается амплитудным детектированием в усилителях 16 и 17, а также встречным расположением выходных шин 13 и 14 внутри магнитопрово,дов 21 и 22 в датчике 11 тока. При нормальной величине выходного тока любого из стабипиэаторов 1 и 2, независимо от асимметрии потребпения нагрузкой, вепичина выходного напряжения сумматора 18 недостаточна дпя запуска исполнительного элемента 19.

IpH возникновении усповия перегрузки по току в нагрузке какого-пибо из ппеч источника (ипи в обоих плечах одновременно), начинает возрастать выходной ток источника, Достижение какимлибо из токов стабилизаторов 1 и 2 критического значения (или обоими вместе), приводит к появпению на выходе сумматора 18 напряжения, достаточного дпя вкпючения испопнитепьного эпемента 19.

Пороговое значение вкпючаюшего напряжения испопнитепьного эпемента 19 установлено в соответствии с критическим значением выходного напряжения сумматора 18, т.е. в соответствии с усповивм (2), Бкшочение испопнитепьного эпемен° та 19 (ипи 20) прекрашает подачу питания на выходные зажимы источника.

При включении испопнитепьного эпемента 19 (например, тиристора) параппепьно источнику 7 опорного напряжения (как в известном) второго испопнитепьного элемента 20 не требуется. При допопнитепьных требованиях к эашите (например, при питании усилителей 5 и 6 со стороны входных ипи выходных эажимов стабипизаторов 1 и 2) возможно подключение исполнительного элемента 20 в стабилизаторе 2. В этом спучае испопнительные элементы 19 и 20 целесообразно подключать к управпяюшим входам соответствуюших рогулируюших транзисторовЗи4, Пример конкретного выполнения технического решения представпен на фиг. 1, с применением стабипиэаторов 1 и 2, выполненных по одинаковой схеме, с цепью повышения унификации узпов источника.

Не представпяет принпипиапьного разпи-, чия применение стабилизаторов 1 и 2, выпопненных по эеркапьно-симметричной схеме (на регупируюших транзисторах 3 и 4 противопопожного типа проводимости с гальванической связью входных за>кимов стабипиэаторов 1 и 2) ° В этом случае происходит пишь незначитепьное перераспределение в подключении входных зажимов усипитепя 6, Общим.усповием стабилизированного источника разнопопярного постоянного напряжения является наличие трех выходных зажимов, что вполне достаточно дпя подключения датчиков 10 и 11 тока g цепью соблюдения выполнения соотношений (1) и (2) при любых схемах стабилизаторов 1 и 2.

Гальваническая развязка датчиков 10 и 11 тока от выходных шин 12-14 ис9 9646 точника позволяет применять предлагаемое устройство при любых значениях выходного напряжения источника, в том числе и в высоковольтных блоках питания.

Датчики 10 и 11 тока не потребляют энергии от протекающего по шинам 1214 источника выходного (6), (7) постоянного тока. При токе стабипизаторов 1 и 2, например 100»200 мА, напряжение в обмотке 25 четногармонического сиг- 1.0 нала составляет 0,25-0,5 В, что примерно в 10 раз превышает уровень емкост3 ных и нескомпенсированных паводок генератора. 15 в диапазоне частот 100 Гц—

100 кГц. При этом потребляемая мош- 1$ ность от генератора 15 составляет около 30-50 мВт.

Учет тока в обшей шине 12 источника, (при помощи датчика 10 тока и усилителя 16) позволяет вводить автоматическую поправку в сумматор 18, искпючаюшую влияние несимметричного режима потребления в нагрузке источника. line этой же цепи возможно подключение датчика

10 тока к параплепьно расположенным выходным шинам 13 и 14, т.е. второй вариант подключения датчика 10 тока.

Этот вариант менее предпочтителен из-зе ! возрастания уровня нескомпенсированных помех, обусловленных сильным взаимным влиянием обоих датчиков тока, на- ; петых на одни и те же выходные шины .,13 и 14, и менее уудобен при использо: вании предлагаемого устройства в спаботочных питающих установках, например. в высоковольтных. При бопьших значениях допустимых токов источников (второй вариант), требуя значительно большей длины сильноточных выходных шин 13 и 14 для пропускания их в различных напрев40 пениях через магнитопроводы 21 и 22 последовательно через датчики 10 и 11 тока, также оказывается менее предпочтителен из а увеличения потерь в выходных шинах 13 и 14, 4S

Таким образом, исключение падения .

:, напряжения на датчиках 10 и 11 тока,. включенных последовательно в силовые шины 12-14 источника, суммирование „сигналов в сумматоре 18, пропорциональных выходным токам источника во всех трех шинах 12-14 с учетом нвсимметрии

08 10 нагрузок стабилизаторов 1 и 2, гальваническая развязка . датчиков 10 и 11 тока от силовых шин 12-14 и обеспече ние подключения датчиков 10 и 11 то ка к выходйым шинам 12-14 источни- ка независимо от стабилизаторов i и 2, позволяют в предлагаемом стабилизированном источнике реднополярного постоянного напряжения повысить КПД, надежность и расширить область возможного применения, формула изобретения

1. Стабилизированный источник раэнопопярного постоянного напряжения с зашитой от токовых перегрузок, содержащий два стабилизатора с последовательными регулирующими элементами и узел зашиты, состоящий из измерителей выходных токов с соответствующими датчиками и усилителями, подключенными через сумматор к исполнительным элементам защиты, о т и и ч а ю шийся тем,что, с цепью повышения надежности, измерители выполнены один в виде измерителя модуля разностного тока, а другой - в виде измерителя суммы абсолютных значений выходных токов, при этом датчики измерителей включены в соответствующие силовые шины, а усилители выполнены в виде усилителей-амплитудных детек торов и входами подключены к датчикам тока, а выходами - к входам сумматдра.

2. Стабилизированный источник по п.l, о т и и ч а ю ш и и с я тем, что, с це пью повышения КПД и расши рения области применения, в узел зашиты введен генератор переменного напряжения, а датчики тока в нем выпопнены в виде магнитных модуляторов, при этом возбуждающие обмотки модуляторов подключены к генератору, измерительные - к входам соответствующих усилителей, а сигнальные - выполнены в виде участков сило" вых шин источника,. пропущенных через отверстия магнитопроводов магнитных модуляторов.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Авторское свидетельство СССР

14 721810, кл. 5 05 F 1/58, 1977, 2, Патент Великобритании N 2000340, кл. G! 05 F 1/58, 1979.

3. Заявка Японии М 54-32484, кл, G 05 F 1/58, 1979..

964608 Составитепь В, Овсянников

Редактор Г. Ус Техред И.Гайду Корректор С. Шекмар

Заказ 7629/28 Тираж 914 Подписное

ВНИИПИ.Государственного комитета СССР по делам цзобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/S

Филиал ППП Патент», г. Ужгород, ул. Проектная, 4