ТИРИСТОРНЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ТОКА Российский патент 2005 года по МПК H02M3/335 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных устройствах автоматического регулирования, где требуется стабилизация тока или напряжения и, соответственно, других параметров, зависящих от них.

Оно может быть использовано, например, для питания устройств гальванотехники при электрохимическом осаждении металлов.

Также возможно применение его в качестве стабилизатора параметров сварочной дуги и регулятора-стабилизатора скорости универсальных коллекторных двигателей.

Известна схема управления для регулятора переменного тока с индуктивной нагрузкой [1] ("Тиристоры" (технический справочник), М.: Энергия, 1971 г., стр.238, рис.9-31), содержащая тиристорный регулирующий элемент в цепи первичной обмотки силового трансформатора, понижающий трансформатор для питания цепей управления силовых (главных) тиристоров, фазоимпульсную схему управления на однопереходном транзисторе с RC-цепью и разделительным трансформатором.

Недостатком этого устройства являются большие потери мощности в цепях управления силовыми тиристорами, высокая чувствительность к помехам из-за наличия однопереходного транзистора, а также большой начальный угол включения (угол запаздывания) силовых тиристоров, т.е. невозможность работы их в диодном режиме и получения в нагрузке максимальной мощности.

Наиболее близким к предлагаемому является тиристорный стабилизатор постоянного напряжения [2] (Авторское свидетельство СССР №748382, кл. G 05 F 1/56, 1980 г.), содержащий тиристорный регулирующий элемент в цепи переменного напряжения силового трансформатора, к вторичной обмотке которого подключен выпрямитель, соединенный с выходными выводами, фазоимпульсную схему управления на однопереходном транзисторе с RC-цепью, вход которой соединен с выводами для подключения питающего напряжения, ждущий многовходовой мультивибратор, пороговый ключевой узел, резистивный датчик тока и делитель напряжения, причем первый - запускающий вход мультивибратора соединен с выходом фазоимпульсной схемы управления, второй - управляющий вход соединен через резистивный делитель с выходом выпрямителя, третий - запирающий вход соединен через пороговый ключевой узел с резистивным датчиком тока в выходной цепи выпрямителя, а выход мультивибратора подключен к управляющему входу тиристорного регулятора, который выполнен на оптронных тиристорах.

Недостатками его являются низкий коэффициент стабилизации ввиду отсутствия в цепи обратной связи дифференциального усилителя, большая инерционность за счет RC-фильтра.

Также недостатком его является низкая надежность, обусловленная тем, что фазоимпульсная схема управления выполнена на однопереходном транзисторе, имеющем высокую чувствительность к помехам, а включение оптронных тиристоров осуществляется короткими импульсами после дифференцирования, длительность которых не всегда превышает фазовый сдвиг между напряжением и током, что приводит к пропускам полупериодов, подмагничиванию магнитопровода силового трансформатора и резкому возрастанию тока первичной обмотки.

Из [1] стр.238 известно, что при индуктивной нагрузке управляющий сигнал тиристора должен иметь длительность, равную интервалу его проводимости. В данном стабилизаторе это требование не выполняется, и поэтому надежная его работа в условиях производства невозможна, а надуманные параметры типа "мягкого" подключения к сети только лишний раз подчеркивают его несовершенство.

Задачей предложенного изобретения является: повышение коэффициента стабилизации средневыпрямленного тока, повышение надежности за счет исключения ложных срабатываний при работе на нагрузку любого характера, включая нагрузку с противоЭДС, возможность регулировки выходного тока от нуля до максимального значения.

Для выполнения поставленных задач тиристорный стабилизатор тока содержит:

тиристорный регулирующий элемент в цепи первичной обмотки силового трансформатора, к вторичной обмотке которого через датчик тока подключен силовой выпрямитель, к выходу которого подключена нагрузка,

маломощный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выводами для подключения сети, а вторичная обмотка подключена к входу мостового выпрямителя,

фазоимпульсную схему управления, выполненную в виде микроэлектронного стабилизатора напряжения и компаратора.

Новым в предложенном изобретении является наличие микроэлектронного стабилизатора напряжения и компаратора.

При этом:

выход микроэлектронного стабилизатора напряжения подключен через интегрирующую цепь к инвертирующему входу компаратора, который через диод синхронизации подключен к положительному выводу мостового выпрямителя, к выходу которого подключен резистивный делитель из двух резисторов, общая точка которых через резистор смещения подключена к выходу микроэлектронного стабилизатора напряжения,

неинвертирующий вход компаратора подключен к источнику опорного напряжения,

вывод обратной связи микроэлектронного стабилизатора напряжения через делитель напряжения подключен к положительному выводу датчика тока, который через последовательно соединенные ограничивающий резистор и диод сравнения подключен к источнику опорного напряжения,

последовательно соединенные светодиоды оптронных тиристоров подключены к выходу компаратора, а питание микроэлектронного стабилизатора напряжения, компаратора и источника опорного напряжения осуществляется через развязывающий диод, подключенный к положительному выводу мостового выпрямителя.

На фиг.1 изображена электрическая схема тиристорного стабилизатора, на фиг.2 - эпюры напряжений и токов.

Тиристорный стабилизатор тока содержит:

тиристорный регулирующий элемент (1, 2) в цепи первичной обмотки силового трансформатора (3), к вторичной обмотке которого через датчик тока (4) подключен силовой выпрямитель (5), к выходу которого подключена нагрузка (6),

маломощный трансформатор (7), первичная обмотка которого соединена с выводами для подключения сети (8), а вторичная обмотка подключена к входу мостового выпрямителя (9),

фазоимпульсную схему управления, выполненную в виде микроэлектронного стабилизатора напряжения (10) и компаратора (11).

При этом:

выход микроэлектронного стабилизатора напряжения (10) подключен через интегрирующую цепь (12) к инвертирующему входу компаратора (11), который через диод синхронизации (13) подключен к положительному выводу мостового выпрямителя (9), к выходу которого подключен резистивный делитель (14) из двух резисторов, общая точка которых через резистор смещения (15) подключена к выходу микроэлектронного стабилизатора напряжения (10),

неинвертирующий вход компаратора (11) подключен к источнику опорного напряжения (16),

вывод обратной связи микроэлектронного стабилизатора напряжения (10) через делитель напряжения (17) подключен к положительному выводу датчика тока (4), который через последовательно соединенные ограничивающий резистор (18) и диод сравнения (19) подключен к источнику опорного напряжения (16),

последовательно соединенные светодиоды оптронных тиристоров (1, 2) подключены к выходу компаратора (11), а питание микроэлектронного стабилизатора напряжения (10), компаратора (11) и источника опорного напряжения (16) осуществляется через развязывающий диод (20), подключенный к положительному выводу мостового выпрямителя (9).

Реализация предложенного устройства не встречает принципиальных затруднений.

Тиристорный стабилизатор тока работает следующим образом: в первоначальный момент, после подключения его к выводам сети (8), на выходе микроэлектронного стабилизатора напряжения (10) появляется напряжение, близкое к своему максимальному значению. В результате этого с выхода интегрирующей цепи (12) на инвертирующий вход компаратора начинает поступать с удвоенной частотой сети пилообразное напряжение, синхронизированное с сетью через диод синхронизации (13) в момент перехода через нуль полупериодов выпрямленного напряжения мостового выпрямителя (9) (см. пунктиром фиг.2).

В свою очередь, с выхода микроэлектронного стабилизатора напряжения (10) через резистор смещения (15) на общую точку резистивного делителя (14) поступает напряжение смещения Ucм., определяющее постоянную составляющую пилообразного напряжения.

Так как напряжение смещения Uсм. превышает опорное напряжение Uoп., поступающее на неинвертирующий вход компаратора (11), то последний открыт и через светодиоды оптронных тиристоров (1, 2) протекает постоянный ток i св. 1, 2 (см. фиг.2 г).

Это приводит к открытию динисторов оптронных тиристоров (1, 2) в начале каждого полупериода сетевого напряжения, аналогично встречно-параллельно включенным диодам, и появлению на выходе силового выпрямителя (5) максимального напряжения.

Через нагрузку (6) начинает протекать постоянный ток. На выходе датчика тока (4) появляется напряжение, которое через делитель напряжения (17) поступает на вывод обратной связи микроэлектронного стабилизатора напряжения (10). Как только это напряжение, пропорциональное току в нагрузке (6), превысит опорное напряжение микроэлектронного стабилизатора (10), последний "подзакрывается", и напряжение на его выходе уменьшается. Это приводит к уменьшению напряжения смещения Uсм. и, соответственно, к уменьшению постоянной составляющей пилообразного напряжения.

В результате этого на инвертирующем входе компаратора (11) пилообразное напряжение начинает превышать Uon. не в начале полупериода, а начиная с какого-то угла, определяемого положением движка делителя напряжения (17) (см. фиг.2в).

При этом на выходе компаратора (11) ток через светодиоды i св. 1, 2 оптронных тиристоров (1, 2) имеет форму импульсов, длительность которых τ (в) пропорциональна току в нагрузке (6).

При перемещении движка делителя напряжения (17) в сторону увеличения напряжения, поступающего с датчика тока (4) на вывод обратной связи микроэлектронного стабилизатора напряжения (10), последний "подзакрывается" сильнее, напряжение на его выходе уменьшается, напряжение смещения Uсм. становится еще меньше, и пилообразное напряжение превышает Uoп. только в самом конце полупериода (см.фиг.2б).

Длительность импульсов тока через светодиоды оптронных тиристоров (1, 2) стала еще меньше τ(б)≪τ(в) и, соответственно, стал меньше ток в нагрузке (6).

Для того, чтобы осуществлять регулировку тока в нагрузке (6) от нуля до максимального значения (при отсутствии тока в нагрузке (6) и, соответственно, напряжения с датчика тока 4 микроэлектронный стабилизатор напряжения (10) не может быть закрыт), в цепь обратной связи с источника опорного напряжения (16) через диод сравнения (19) и ограничивающий резистор (18) подается напряжение, которого, при крайнем положении движка делителя напряжения (17), определяющем минимальный ток в нагрузке (6), достаточно для полного закрывания микроэлектронного стабилизатора напряжения (10).

При этом на выходе последнего напряжение минимально, Uсм. мало, пилообразное напряжение меньше Uoп., компаратор (11) закрыт, оптронные тиристоры (1,2) закрыты, ток в нагрузке (6) равен нулю (см. фиг.2а).

Увеличение тока в нагрузке от нуля до заданного происходит следующим образом.

При перемещении движка делителя напряжения (17) в сторону увеличения тока в нагрузке (6) напряжения, поступающего с источника опорного напряжения (16), становится недостаточно для закрытия микроэлектронного стабилизатора напряжения (10). В результате этого напряжение на выходе последнего увеличивается, пилообразное напряжение частично начинает превышать Uon., открываются компаратор (11) и оптронные тиристоры (1, 2) - в нагрузке (6) появляется ток.

На выходе датчика тока (4) появляется напряжение, диод сравнения (19) закрывается, и устройство автоматически переходит в режим стабилизации заданного тока.

По сравнению с известными предложенное устройство имеет высокий коэффициент стабилизации средневыпрямленного тока, при изменении напряжения сети и сопротивления нагрузки, за счет использования в цепи обратной связи микроэлектронных стабилизатора напряжения и компаратора, имеющих высокие коэффициенты усиления.

По сравнению с известными управляющий сигнал, поступающий на оптронные тиристоры, имеет прямоугольную форму и длительность его равна углу проводимости оптронных тиристоров. Все это позволяет работать устройству без сбоев на большую индуктивную нагрузку, где угол сдвига по фазе между напряжением и током может достигать значительной величины. Встречно-параллельное включение оптронных тиристоров и присутствие управляющего сигнала в течение всего угла проводимости на обоих тиристорах позволяет им работать без сбоев на нагрузку с противоЭДС.

Это объясняется тем, что в любой момент в течение угла проводимости может произойти в зависимости от их анодных напряжений включение одного или другого оптронного тиристора, т.е. возможен реактивный энергообмен между нагрузкой и сетью, и, соответственно, демпфирование возникающих переходных процессов в нагрузке.

В предложенном устройстве возможна стабилизация средневыпрямленного напряжения, если в цепь обратной связи подать напряжение с выхода силового выпрямителя.

Предложенный стабилизатор, без существенных изменений в схеме, может осуществлять стабилизацию тока или напряжения не только в первичной цепи силового трансформатора, но и во вторичной, причем возможен вариант стабилизации без трансформатора.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в различных устройствах автоматического регулирования, где требуется стабилизация тока или напряжения и, соответственно, других параметров, зависящих от них. Оно может быть использовано, например, для питания устройств гальванотехники при электрохимическом осаждении металлов. Также возможно применение его в качестве стабилизатора параметров сварочной дуги и регулятора-стабилизатора скорости универсальных коллекторных двигателей. Тиристорный стабилизатор тока содержит тиристорный регулирующий элемент в цепи первичной обмотки силового трансформатора, к вторичной обмотке которого через датчик тока подключен силовой выпрямитель, к выходу которого подключена нагрузка, маломощный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выводами для подключения сети, а вторичная обмотка подключена к входу мостового выпрямителя, фазоимпульсную схему управления, выполненную в виде микроэлектронного стабилизатора напряжения и компаратора, при этом: выход микроэлектронного стабилизатора напряжения подключен через интегрирующую цепь к инвертирующему входу компаратора, который через диод синхронизации подключен к положительному выводу мостового выпрямителя, к выходу которого подключен резистивный делитель из двух резисторов, общая точка которых через резистор смещения подключена к выходу микроэлектронного стабилизатора напряжения, неинвертирующий вход компаратора подключен к источнику опорного напряжения, вывод обратной связи микроэлектронного стабилизатора напряжения через делитель напряжения подключен к положительному выводу датчика тока, который через последовательно соединенные ограничивающий резистор и диод сравнения подключен к источнику опорного напряжения, последовательно соединенные светодиоды оптронных тиристоров подключены к выходу компаратора, а питание микроэлектронного стабилизатора напряжения, компаратора и источника опорного напряжения осуществляется через развязывающий диод, подключенный к положительному выводу мостового выпрямителя. Технический результат - повышение надежности и коэффициента стабилизации. 2 ил.

Тиристорный стабилизатор тока, содержащий тиристорный регулирующий элемент в цепи первичной обмотки силового трансформатора, к вторичной обмотке которого через датчик тока подключен силовой выпрямитель, к выходу которого подключена нагрузка, маломощный трансформатор, первичная обмотка которого соединена с выводами для подключения сети, а вторичная обмотка подключена к входу мостового выпрямителя, фазоимпульсную схему управления, отличающийся тем, что фазоимпульсная схема управления выполнена в виде микроэлектронного стабилизатора напряжения и компаратора, при этом выход микроэлектронного стабилизатора напряжения подключен через интегрирующую цепь к инвертирующему входу компаратора, который через диод синхронизации подключен к положительному выводу мостового выпрямителя, к выходу которого подключен резистивный делитель из двух резисторов, общая точка которых через резистор смещения подключена к выходу микроэлектронного стабилизатора напряжения, неинвертирующий вход компаратора подключен к источнику опорного напряжения, вывод обратной связи микроэлектронного стабилизатора напряжения через делитель напряжения подключен к положительному выводу датчика тока, который через последовательно соединенные ограничивающий резистор и диод сравнения подключен к источнику опорного напряжения, последовательно соединенные светодиоды оптронных тиристоров подключены к выходу компаратора, а питание микроэлектронного стабилизатора напряжения, компаратора и источника опорного напряжения осуществляется через развязывающий диод, подключенный к положительному выводу мостового выпрямителя.