СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 1996 года по МПК G05F1/10 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к стабилизированным источникам тока.

Известен стабилизатор постоянного тока [1] Известное устройство содержит силовой регулятор, датчик тока, силовой регулируемый элемент постоянного тока, первый и второй измерительно-усилительные блоки, первый и второй выходные выводы силового регулятора соответственно через силовой регулируемый элемент постоянного тока и датчик тока подключены к первому и второму выводам для подключения нагрузки, к силовым выводам силового регулируемого элемента постоянного тока подключен также вход первого измерительно-усилительного блока, выход которого соединен с управляющим входом силового регулятора, управляющий вход силового регулируемого элемента постоянного тока подключен к выходу второго измерительно-усилительного блока, вход которого подключен к выходу датчика тока.

Основной недостаток известного устройства состоит в следующем. Через силовой регулируемый элемент постоянного тока протекает полный ток нагрузки стабилизатора. В стабилизаторах больших токов (сотни-тысячи ампер) силовой регулируемый элемент выполняется на основе параллельного соединения большого количества (сотни-тысячи штук) приборов (например, транзисторов). Этим обусловливается низкая технологичность подобных стабилизаторов, низкая их надежность и другие недостатки.

Известен стабилизатор постоянного тока [2] Известное устройство, являющееся наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению, содержит силовой регулятор, дроссель, первый вывод которого подключен к первому выводу силового регулятора, датчик тока, силовой регулируемый элемент, вход которого подключен к выходу согласующе-усилительного блока, управляющий выход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного сигнала и выходом датчика тока.

Для питания магнитных элементов ядерно-физических установок требуются стабилизаторы относительно больших токов (1-15 кА) при относительно низких напряжениях на нагрузке (единицы вольт). Работа ядерно-физических установок в ряде случаев сопровождается высоким уровнем проникающего излучения, которое действует разрушающе на электротехническое и электронное оборудование. Особенно чувствительны к действию проникающего излучения полупроводниковые приборы (транзисторы и тиристоры).

Использование прототипа в таких условиях практически невозможно из-за быстрого выхода из строя силового регулируемого элемента, содержащего относительно большое количество параллельно включенных транзисторов. Это приводит к ограничению области использования стабилизаторов постоянного тока этого типа.

Цель изобретения расширение области использования устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизатор постоянного тока, содержащий силовой регулятор, дроссель, первый вывод которого подключен к первому выводу силового регулятора, датчик тока, силовой регулируемый элемент, вход которого подключен к выходу согласующе-усилительного блока, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного сигнала и выходом датчика тока, введены силовой трансформатор, мостовой выпрямитель, первая, вторая и третья электрические линии, каждая из которых включает в себя первый и второй проводники, измерительный шунт и блок защиты, второй вывод дросселя подключен к началу первого проводника первой электрической линии, конец которого использован в качестве первого вывода для подключения нагрузки, второй вывод силового регулятора подключен к началу второго проводника первой электрической линии, конец которого соединен с первым выводом датчика тока, второй вывод которого использован в качестве второго вывода для подключения нагрузки, при этом концы первых проводников второй и третьей электрических линий подключены к первому выводу для подключения нагрузки, а концы вторых проводников к первому выводу датчика тока, начало первого проводника второй электрической линии подключено к первому выводу постоянного напряжения мостового выпрямителя, второй вывод постоянного напряжения которого подключен к первому выводу силового регулируемого элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом измерительного шунта, к второму выводу которого подключены начало второго проводника второй электрической линии и общий вывод блока защиты, входы и выход которого подключены к первому и второму выводам и управляющему входу силового регулируемого элемента соответственно, входы согласующе-усилительного блока подключены соответственно к началам первого и второго проводников третьей электрической линии, выводы переменного тока мостового выпрямителя через силовой трансформатор подключены к выводам для подключения силовой сети переменного напряжения.

Существенными отличительными признаками, достаточными для достижения технического результата, являются введенные силовой трансформатор, мостовой выпрямитель, первая, вторая и третья электрические линии, каждая из которых содержит первый и второй проводники, измерительный шунт и блок защиты, а также новые связи между новыми и остальными элементами.

В описываемом техническом решении благодаря введению в стабилизатор новых признаков достигается расширение области применения стабилизаторов постоянного тока обсуждаемого типа. Причинные связи между новыми признаками и достигаемым техническим результатом состоят в следующем. Введение трех электрических линий позволило вынести узлы стабилизатора, содержащие полупроводниковые приборы, за пределы зоны с высоким уровнем проникающего излучения. При этом нормальная работа силового регулируемого элемента, удаленного на значительном расстоянии от нагрузки, обеспечивается с помощью введенных силового трансформатора и мостового выпрямителя (в противном случае без указанных элементов при низком напряжении на нагрузке и с учетом импеданса второй линии необходимая для подавления пульсаций величина тока через силовой регулируемый элемент не будет обеспечена).

Блок защиты (совместно с измерительным шунтом) обеспечивает ограничение тока через силовой регулируемый элемент при возникновении ненормальных режимов в силовой части стабилизатора, не оказывая побочных влияний на работу контура подавления пульсаций в условиях нормального функционирования стабилизатора. Таким образом, кроме всего прочего, обеспечивается надежная работа стабилизатора.

На фиг. 1 представлена блок-схема стабилизатора; на фиг. 2 блок-схема блока защиты (пример выполнения).

Стабилизатор постоянного тока содержит силовой регулятор 1, дроссель 2, датчик 3 тока, согласующе-усилительный блок 4, измерительный шунт 5, силовой регулируемый элемент 6, мостовой выпрямитель 7, силовой трансформатор 8, измерительно-усилительный блок 9, источник 10 опорного сигнала, блок 11 защиты, первую 12, вторую 13 и третью 14 электрические линии, каждая из которых включает в себя первый и второй проводники.

Управляющий вход силового регулятора 1 подключен к выходу измерительно-усилительного блока 9, входы которого соединены соответственно с источником 10 опорного сигнала и выходом датчика 3 тока. Первый вывод силового регулятора 1 подключен к первому выводу дросселя 2, второй вывод которого подключен к началу первого проводника первой электрической линии 12, конец этого проводника использован в качестве первого вывода для подключения нагрузки 15. Второй вывод силового регулятора 1 подключен к началу второго проводника первой электрической линии 12, конец которого соединен с первым выводом датчика 3 тока, второй вывод которого использован в качестве второго вывода для подключения нагрузки 15.

Концы первых проводников второй 13 и третьей 14 электрических линий подключены к первому выводу для подключения нагрузки, а концы вторых проводников этих линий к первому выводу датчика 3 тока. Начало первого проводника второй электрической линии 13 подключено к первому выводу постоянного напряжения мостового выпрямителя 7, второй вывод постоянного напряжения которого подключен к первому выводу силового регулируемого элемента 6, второй вывод которого соединен с первым выводом измерительного шунта 5, к второму выводу которого подключены начало второго проводника второй электрической линии 13 и общий вывод блока 11 защиты. Входы блока защиты 11 подключены к первому и второму выводам силового регулируемого элемента 6, к управляющему входу которого подключены выходы согласующе-усилительного блока 4 и блока 11 защиты. Входы согласующе-усилительного блока 4 подключены соответственно к началам первого и второго проводников третьей электрической линии 14.

Выводы переменного тока мостового выпрямителя 7 через силовой трансформатор 8 подключены к выводам для подключения силовой сети переменного напряжения.

Блок 11 защиты (фиг. 2) включает в себя делитель напряжения (резисторы 16,17)ограничитель напряжения (резистор 18 и стабилитрон 19), аналоговый перемножитель 20, блок 21 сравнения напряжений, источник 22 опорного напряжения, согласующий блок 23 и регулируемый элемент 24, выход которого использован в качестве выхода блока 11 защиты. Вход регулируемого элемента 24 подключен к выходу согласующего блока 23, вход которого подключен к выходу блока 21 сравнения напряжений. Входы блока 21 подключены соответственно к источнику 22 опорного напряжения и выходу аналогового перемножителя 20, входы которого через делитель (резисторы 16, 17) и ограничители (резистор 18 и стабилитрон 19) подключены к входным выводам блока 11 защиты. Общие выводы всех элементов блока 11 защиты подключены к его общей шине, вывод которой является общим выводом блока 11 защиты.

Стабилизатор постоянного тока работает следующим образом.

Первый контур автоматического регулирования контур стабилизации постоянного тока в нагрузке 15 включает в себя элементы 1-3, 9, 10 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования стабилизирующего типа. Стабилизируемый постоянный ток I_н с помощью первой электрической линии 12 подводится к последовательно соединенным нагрузке 15 и датчику 3 тока. Ток I_н в датчике 3 тока преобразуется в сигнал, который поступает на один из входов измерительно-усилительного блока 9. На другой вход этого блока поступает сигнал от источника 10 опорного сигнала. При отклонении величины тока I_н от требуемого (заданного) значения на выходе измерительно-усилительного блока 9 появляется сигнал рассогласования, который поступает на управляющий вход силового регулятора. Под действием этого сигнала рассогласования ток на выходе силового регулятора 1 изменяется до тех пор, пока его значения не станет приблизительно равным требуемому значению тока I_н (с точностью до величины действующего рассогласования в контуре авторегулирования, при большом усилении в контуре авторегулирования действующее рассогласование пренебрежимо мало).

Второй контур автоматического регулирования контур подавления пульсаций напряжения на нагрузке 15 включает в себя элементы 1, 2, 4, 6-8, 12-14 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования стабилизирующего типа (стабилизация нулевого значения с точностью до величины действующего рассогласования). Переменная составляющая U_~ выходного напряжения силового регулятора 1 (напряжение пульсаций) передается ко входу согласующе-усилительного блока 4 по третьей электрической линии 14 и вызывает появление на его выходе переменного напряжения, поступающего на управляющий вход силового регулируемого элемента 6, что вызывает, в свою очередь, протекание через силовой регулируемый элемент 6 переменного тока I_~ Ток I_~ отбирается от силового регулятора 1 и протекает через дроссель 2, первую электрическую линию 12, вторую электрическую линию 13 и мостовой выпрямитель 7. Падение напряжения U_L~ на суммарном индуктивном сопротивлении дросселя 2 и линии 12 (активными сопротивлениями пренебрегаем), обусловленное током I_~, обеспечивает снижение напряжения пульсаций на нагрузке 15 (переменной составляющей тока через нагрузку 15 пренебрегаем по сравнению с I_~ ).

Постоянное напряжение, приложенное к силовому регулируемому элементу 6, равно сумме постоянной составляющей напряжения на нагрузке 15 и напряжения выпрямителя 7. Благодаря этому обеспечивается нормальная работа силового регулируемого элемента 6 при малых напряжениях на нагрузке 15, а также устраняется ограничение, обусловленное импедансом второй электрической линии 13.

Здесь можно также отметить, что при относительно большой индуктивности электрической линии 12 дроссель 2 вообще может быть исключен из стабилизатора. С другой стороны, следует принять все меры для снижения индуктивности электрической линии 13.

Обсуждаемый второй контур авторегулирования обеспечивает, таким образом, подавление напряжения пульсаций на нагрузке 15 до уровня напряжения действующего рассогласования ΔU_g~ в этом контуре (ΔU_g~ U_~ U_L~ здесь записаны мгновенные значения соответствующих напряжений). При большом усилении в этом контуре авторегулирования напряжение действующего рассогласования ΔU_g~ составляет малую долю напряжения пульсаций U_~ таким образом второй контур авторегулирования обеспечивает эффективное подавление пульсаций.

Третий контур автоматического регулирования контур защиты силового регулируемого элемента 6 включает в себя элементы 5, 6, 11 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования. Падение напряжения на измерительном шунте 5, обусловленное током I_~ через силовой регулируемый элемент 6, поступает на один из входов блока 11 защиты, на другой его вход поступает напряжение, приложенное к силовой цепи силового регулируемого элемента 6 (падением напряжения на измерительном шунте 5 можно в данном случае пренебречь, так как оно составляет всего десятки мВ). По этим данным в блоке 11 защиты "определяется" мгновенная мощность потерь в силовом регулируемом элементе 6. Если указанная мощность потерь превысит допустимое значение, выходное сопротивление блока 11 защиты резко уменьшается, вследствие чего напряжение на управляющем входе силового регулируемого элемента 6 ограничивается, соответственно ограничивается ток I_~ через силовой регулируемый элемент 6, а это означает, что на заданном уровне ограничивается мощность потерь в силовом регулируемом элементе 6. Следовательно, контур защиты обеспечивает эффективную защиту от перегрузки и выхода из строя силового регулируемого элемента 6 стабилизатора тока.

Выше рассмотрена работа блока 11 защиты в структуре стабилизатора тока. Приведем некоторые дополнительные сведения по этому вопросу.

При относительно большом токе в нагрузке 8 подводимые на входы блока 11 защиты напряжения поступают через делитель (резисторы 16, 17) и ограничитель (резистор 18, стабилитрон 19) напряжения соответственно на входы аналогового перемножителя 20. Мгновенное значение выходного напряжения перемножителя 20 пропорционально мгновенному значению мощности потерь в силовой цепи силового регулируемого элемента 6. Напряжение с выхода перемножителя 20 поступает на один из входов блока 21 сравнения напряжений, на другой его вход поступает напряжение от источника 22 опорного напряжения. Пока выходное напряжение перемножителя 20 (мгновенное значение в любой момент времени) меньше опорного напряжения, уровень напряжения на выходе блока 21 сравнения такой, что связанный с ним через согласующий блок 23 регулируемый элемент 24 заперт и не оказывает влияния на работу контура подавления. Как только мгновенное значение выходного напряжения перемножителя 20 превысит опорное напряжение, выходное напряжение блока 21 сравнения станет таким, что регулируемый элемент 24 приоткрывается, что приведет к ограничению напряжения на входе блока 6 и, соответственно, к ограничению тока I_~ Далее все происходит так, как описано выше при описании работы стабилизаторов в целом.

Ограничитель 18, 19 и делитель 16, 17 напряжения предназначены для защиты аналогового перемножителя 20 от перенапряжений на входах (ограничитель напряжения обеспечивает защиту при пробое силового регулируемого элемента 6).

Использование: в стабилизированных источниках тока. Сущность изобретения: устройство содержит силовой регулятор 1, дроссель 2, датчик 3 тока, согласующе-усилительный блок 4, измерительный шунт 5, силовой регулируемый элемент 6, мостовой выпрямитель 7, силовой трансформатор 8, измерительно-усилительный блок 9, источник 10 опорного сигнала, блок 11 защиты и три электрических линии 12, 13, 14, каждая из которых включает в себя два проводника. Устройство имеет расширенную область использования. 2 ил.

СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий силовой регулятор, дроссель, первый вывод которого подключен к первому выводу силового регулятора, датчик тока, силовой регулируемый элемент, вход которого подключен к выходу согласующее-усилительного блока, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного сигнала и выходом датчика тока, отличающийся тем, что в него введены силовой трансформатор, мостовой выпрямитель, первая, вторая и третья электрические линии, каждая из которых включает в себя первый и второй проводники, измерительный шунт и блок защиты, второй вывод дросселя подключен к началу первого проводника первой электрической линии, конец которого использован в качестве первого вывода для подключения нагрузки, второй вывод силового регулятора подключен к началу второго проводника первой электрической линии, конец которого соединен с первым выводом датчика тока, второй вывод которого использован в качестве второго вывода для подключения нагрузки, при этом концы первых проводников второй и третьей электрических линий подключены к первому выводу для подключения нагрузки, а концы вторых проводников этих линий - к первому выводу датчика тока, начало первого проводника второй электрической линии подключено к первому выводу постоянного напряжения мостового выпрямителя, второй вывод постоянного напряжения которого подключен к первому выводу силового регулируемого элемента, второй вывод которого соединен с первым выводом измерительного шунта, к второму выводу которого подключены начало второго проводника второй электрической линии и общий вывод блока защиты, входы и выход которого подключены к первому и второму выводам и управляющему входу силового регулируемого элемента соответственно, входы согласующе-усилительного блока подключены соответственно к началам первого и второго проводников третьей электрической линии, выводы переменного тока мостового выпрямителя через силовой трансформатор подключены к выводам для подключения силовой сети переменного напряжения.