Ключевой нормализатор напряжения Российский патент 2021 года по МПК H02M3/156 

Изобретение относится к области электротехники и радиотехники и предназначено для использования в первичных звеньях электропитания энергоемкой функциональной аппаратуры от объектовой электросети.

Известны ключевые регуляторы напряжения (далее КРН) объектовой электросети, обеспечивающие ограничение выходного тока и стабилизацию напряжения электропитания энергоемкой функциональной аппаратуры [Патент РФ №2011275 на изобретение «Ключевой стабилизатор» опубл. 15.04.94 г., патент РФ №109352 на полезную модель «Преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока», опубл. 10.10.2011 г.]. Так, в устройстве по патенту №2011275 ключевой преобразователь имеет обратную связь по напряжению, чем достигается стабилизация напряжения объектовой сети и обеспечиваются наиболее эффективные режимы работы последующих устройств электропитания. Вместе с тем, полученный результат связан с непрерывной работой КРН, обеспечивающего высокочастотное импульсное преобразование параметров потока электроэнергии от бортовой сети к потребителю, что обуславливает дополнительные потери энергии и приводит к понижению надежности работы первичного звена электропитания.

Устройство, описанное в патенте №109352, содержит КРН с обратной связью по току потребления и датчик остаточного напряжения на регулирующем транзисторе, включенном в однотактную схему ключевого усилителя мощности (КУМ) с обратным диодом. Здесь в номинальном режиме работы транзистор находится в открытом состоянии, характеризующимся минимальными потерями энергии. С ростом выходного тока остаточное напряжение на транзисторе возрастает, и КУМ переходит в режим коммутаций и импульсного ограничения тока нагрузки, например, в пусковых режимах работы. К недостаткам известного устройства следует отнести транзитную передачу повышенного напряжения объектовой сети, в том числе в режимах кратковременных перенапряжений, значения которых, как правило, более чем в два раза превышают номинальный уровень напряжения электропитания. Выделенное обстоятельство существенно сказывается на надежности работы аппаратуры в целом.

Известно устройство [Патент РФ на полезную модель №46594 «Ограничитель напряжения», опубл. 10.07.2005], реализующее как режим ограничения выходного напряжения, так и режим ограничения максимального тока потребления при сохранении транзитной передачи напряжения объектовой сети в номинальном режиме работы. Это устройство, представляющее собой ключевой нормализатор напряжения (КНН) с режимом ограничения выходного тока, по количеству общих признаков является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения

Структурная схема устройства прототипа, приведенная на фиг. 1, содержит однотактный ключевой усилитель 1 мощности (КУМ), дроссель 2 (L) и конденсатор 3 (С) выходного фильтра, датчик 4 тока (ДТ), датчик 5 напряжения (ДН), источник 6 опорного напряжения (ОН I), определяющий максимальный уровень выходного напряжения ДТ 4 и источник 7 опорного напряжения (ОН U), определяющий максимальный уровень напряжения ДН 5, а также первый и второй дифференциальные усилители (ДУ) 10 и 11, соответственно, схему 8 совпадения (&) и одновибратор 9 (ОВ).

В известном устройстве при превышении выходным сигналом датчика тока 4 уровня опорного напряжения, установленного источником 6, происходит формирование низкого уровня выходного напряжения дифференциального усилителя 10. В результате сигнал с выхода схемы 8 запускает одновибратор 9, который на время т закрывает транзистор КУМ 1, который в номинальном режиме находится в открытом состоянии. При этом ток дросселя 2 замыкается через обратный диод КУМ 1, что приводит к уменьшению выходного тока. При этом ток потребления резко уменьшается и после окончания времени т происходит повторное включение транзистора КУМ 1 и увеличение тока потребления. Далее процесс повторяется, чем достигается ограничение выходного тока.

Таким же образом реализуется ограничение выходного напряжения при нарастании выходного сигнала ДН 5 выше уровня, установленного источником 7 опорного напряжения. В этом случае срабатывание одновибратора 9 происходит по низкому уровню сигнала дифференциального усилителя 11. Помимо преимуществ, обеспечивающих ограничение выходного напряжения и выходного тока устройства прототипа, следует выделить следующие особенности его работы.

Управление КУМ 1 импульсным сигналом с ограниченной длительностью паузы между импульсами связано с существенным повышение частоты переключений в режиме перегрузки, включая режим короткого замыкания. В этом случае при минимальной длительности импульса t_иmin, обусловленной практически задержкой t₃ выключения транзистора, минимальный период переключения T_min составит:

где t_иmin и T_min - минимальные значения длительности импульса и периоды переключения;

t₃ и τ - задержка выключения транзистора и время минимальной паузы, формируемой одновибратором 9.

Для случая ограничения напряжения имеет место резкое понижение частоты переключений в соответствии с увеличением длительности импульсов. Из условия равенства среднего значения выходного импульсного напряжения КУМ 1 и установленного максимального уровня выходного напряжения U_н с учетом напряжения питания Е>U_н получим соотношения для оценки максимального периода переключений T_max

где t_и=(T_max-τ) - длительность импульса;

U_н - уровень выходного напряжения;

Е - напряжение электропитания;

T_max - максимальная длительность периода переключения.

В результате получим

Повышение частоты переключений в режиме короткого замыкания (КЗ) при максимальном выходном токе является весьма существенным недостатком, так как связано со значительным ростом потерь энергии. Указанный недостаток еще более усугубляется возможностью существенного возрастания выходного тока, особенно при высоком напряжении объектовой сети. Здесь максимальная величина выходного тока I_кз с учетом минимально возможной длительности импульсов может достигать значительной величины:

где R - сопротивление открытого транзистора и обмотки дросселя;

I_м - максимальный уровень, установленный опорным напряжением ОН I;

I_кз - выходной ток в режиме короткого замыкания.

Другим существенным недостатком устройства-прототипа является отсутствие возможности устранить перенапряжение в режиме холостого хода. Такой режим является типовым для радиопередающих устройств с повторно-кратковременным режимом работы. При этом однотактный КУМ 1, используемый в КНН - прототипе, переходит в режим обрыва тока дросселя L 2 выходного фильтра, что приводит к нарастанию выходного напряжения на конденсаторе С 3 до величины Е_мах (где Е_мах - максимальное напряжение электропитания) даже в условиях импульсов включения транзистора с минимальной длительностью t_з.

Указанные недостатки устройства-прототипа приводят к повышенным потерям энергии и ухудшают стабильность ограничения напряжения и выходного тока, особенно при электропитании энергоемкой нагрузки с повторно кратковременным потреблением и высоком напряжении электропитания сети объекта.

Задача изобретения заключается в повышении энергоэффективности и надежности работы при расширении области использования

Техническим результатом от использования изобретения является обеспечение ограничения выходного тока и выходного напряжения, в том числе в режимах короткого замыкания и холостого хода, при уменьшении потерь энергии и исключении режима обрыва тока дросселя для улучшения регулировочных характеристик устройства.

Для достижения заявленного технического результата в ключевом нормализаторе напряжения, содержащем шину силового электропитания, датчик тока и дроссель выходного фильтра, а также ключевой усилитель мощности, конденсатор выходного фильтра, датчик напряжения, первый и второй источники опорных напряжений, общие выводы которых соединены с общей шиной электропитания и общим выводом конденсатора выходного фильтра, причем первый вывод дросселя выходного фильтра соединен с выходом ключевого усилителя мощности, а вывод конденсатора выходного фильтра с шиной выходного напряжения и входом датчика напряжения, введены новые признаки, а именно: двухканальный драйвер, пороговое вычитающее устройство, весовой сумматор, релейный элемент, схема задержки, интегрирующая цепь, входной RCD-фильтр, шина управления, а ключевой усилитель мощности выполнен двухканальным и соединен первым и вторым входами управления с первым и вторым выходами двухканального драйвера, первый и второй входы которого соединены с прямым и инверсным выходами схемы задержки, вход которой подключен через релейный элемент к выходу весового сумматора, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, включенного между вторым выводом дросселя выходного фильтра и выводом конденсатора выходного фильтра, причем шина силового электропитания соединена с входом ключевого усилителя мощности и выводом входного RCD-фильтра, общий вывод которого соединен с общей шиной силового электропитания, а также с общим входом датчика напряжения, причем шина управления подключена к входу управления двухканального драйвера и входу управления интегрирующей цепи, вход которой подключен к выходу первого источника опорного напряжения, а выход - ко второму входу весового сумматора, третий вход которого соединен с выходом порогового вычитающего устройства, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения, а второй вход - подключен к выходу второго источника опорного напряжения.

В предлагаемом ключевом нормализаторе напряжения (КНН) реализация заявляемого технического эффекта обеспечивается совокупностью вновь вводимых блоком и связей. Повышение надежности достигается за счет обеспечения ограничения выходного тока и выходного напряжения, в том числе в режимах короткого замыкания и холостого хода, по средствам введения глубокой пороговой обратной связи по выходному току и выходному напряжению при условии исключения обрыва тока дросселя выходного фильтра. Повышение глубины обратной связи обеспечивается использование симметричной асинхронной широтно-импульсной модуляции (ШИМ) при понижении частоты переключений в наиболее энергетически напряженных режимах работы (при максимальном выходном напряжении и максимальном выходном токе), что позволяет существенно уменьшить потери энергии. Кроме того, дополнительным преимуществом, направленным на повышение надежности, является введение режима плавного включения при разрешении электропитания энергоемкой нагрузки.

Приведенные преимущества позволяют использовать заявленный КНН в условиях высокого напряжения электропитания от объектовой сети при большом уровне мощности потребления нагрузки, в том числе для повторно-кратковременных режимов работы.

Сущность изобретения поясняется фиг. 1-4, где приведена структурная схема устройства - прототипа (фиг. 1), структурная схема заявленного КНН (фиг. 2), временные диаграммы сигналов, поясняющие работу предлагаемого устройства (фиг. 3 (а, б)) и графики зависимостей периода переключений (фиг. 4).

На фиг. 3 (а) приведены диаграммы сигналов поясняющие особенности работы устройства в режиме включения:

V_у - уровень команды управления;

u_oi - зависимость изменения выходного сигнала источника опорного напряжения 6 (ОН I) до максимального значения u_oimax в режиме плавного включения;

u_u и u_ou - зависимость изменения выходного сигнала датчика напряжения 5 (ДН) и уровень сигнала на выходе источника опорного напряжения 7 (ОН U).

u_p - разностный сигнал на входе релейного элемента 10 с шириной петли гистерезиса Δ при задержке переключения τ схемы задержки 11.

δ - относительный уровень сигнала на выходе релейного элемента;

Е - уровень напряжения питания;

I_L и I_н - ток дросселя выходного фильтра и выходной ток устройства;

V - выходное импульсное напряжения КУМ 1.

На фиг. 3 (б) приведены диаграммы сигналов, поясняющие особенности работы устройства в режиме ограничения выходного напряжения:

u_u и u_ou - зависимость изменения выходного сигнала датчика напряжения 5 (ДН) и уровень сигнала на выходе источника опорного напряжения 7 (ОН U).

u_p - разностный сигнал на входе релейного элемента 10 с шириной петли гистерезиса Δ при задержке переключения τ схемы задержки 11.

δ - относительный уровень сигнала на выходе релейного элемента;

Е - напряжение питания в режиме кратковременных перенапряжений;

U_н - выходное напряжение устройства;

I_L и I_п - ток дросселя в режиме ограничения напряжения и усредненный ток потребления КУМ 1;

V - выходное импульсное напряжения КУМ 1 в режиме ограничения перенапряжения.

Далее по тексту используются обозначения выходных сигналов функциональных блоков:

u_i - максимально допустимая величина сигнала на выходе датчика тока (ДТ);

u_ву - выходной сигнал порогового вычитающего устройства (ПВУ);

u_и - выходной сигнал интегрирующей цепи (ИЦ);

τ_и - постоянная времени достаточная для плавного включения КНН.

На фиг. 4 приведены зависимости относительного периода переключений Т / Т₀ от относительного уровня выходного напряжения U_н / Е в заявленном устройстве (сплошная линия) и в устройстве прототипе (пунктирная линия).

Структурная схема, предлагаемого устройства (фиг. 2), содержит однотактный ключевой усилитель 1 мощности (КУМ), дроссель 2 (L) и конденсатор 3 (С) выходного фильтра, датчик 4 тока (ДТ), датчик 5 напряжения (ДН), источник 6 опорного напряжения (ОН I), источник 7 опорного напряжения (ОН U), пороговое вычитающее устройство 12 (ПВУ), весовой сумматор 13 (ВС), релейный элемент 14 (РЭ), схема задержки 15 (СЗ), интегрирующая цепь 16 (ИЦ), входной RCD-фильтр 17 и двухканальный драйвер 18 (ДД).

Все структурные блоки, входящие в состав КНН, выполняются по известным правилам, а их совокупное использование согласно с определенными характеристиками приводит к заявленному техническому результату.

КУМ 1 выполняется по двухканальной схеме на двух полевых транзисторах с собственными обратными диодами, включенными в полумостовую схему. Наилучшим вариантом реализации для высоковольтных схем КНН при объектовой сети с перенапряжением до 1000 В и максимальном токе нагрузки (20-30) А являются транзисторы, выполненные по технологии SiC, например от производителя CREE. Такие транзисторы отвечают требуемым допустимым характеристикам (максимальный ток до (40-60) А, максимальное напряжение до 1200 В) при весьма быстродействующих собственных диодах (время выключения не более 150 нс).

Предлагаемая двухтактная схема КУМ 1 выгодно отличается от использованной в прототипе однотактной схемы отсутствием обрыва тока. Здесь при смене знака выходного тока, что имеет место в режимах близких к холостому ходу, ток замыкается через нижний транзистор, чем обеспечиваются требуемые параметры импульсного напряжения для сохранения режима ограничения напряжения на нагрузке.

Выходной фильтр выполняется на дросселе 2 и конденсаторе 3 по схеме LC-фильтра второго порядка, параметры индуктивности и емкости которого рассчитываются из условия фильтрации высокочастотных составляющих импульсного напряжения. В частности, индуктивность L дросселя 2 должна обеспечивать максимальную амплитуду высокочастотного (пилообразного) тока, как правило, не более 0,3-0,5 от номинального выходного тока I_н. Минимальная емкость конденсатора 3 выбирается из условия подавления высокочастотных (ВЧ) составляющих выходного напряжения до уровня не более 5% от номинального значения выходного напряжения U_н. При необходимости емкость фильтра может быть увеличена за счет дополнительных конденсаторов в составе нагрузки.

Датчик 4 тока должен быть выполнен с гальванической изоляцией выхода, например, на микросхемах, использующих эффект Холла, с быстродействием, позволяющим сохранить форму пилообразного высокочастотного тока дросселя 2. Включение датчика 4 между вторым выводом дросселя L 2 и выводом конденсатора С 3 выходного фильтра позволяет практически вдвое понизить требования к напряжению гальванической изоляции и уменьшить проникновение импульсных помех в сигнал на выходе датчика 4 тока.

Датчик 5 напряжения может быть привязан к общей шине электропитания и не требует гальванической изоляции. Датчик 5 может быть выполнен на основе резистивного делителя.

Источники 6 и 7 опорных напряжений предназначены для формирования сигналов u_oi и u_ou на их выходе, соответственно, определяющих максимально допустимые величины сигналов на выходах ДТ u_i и ДН u_u с выхода датчика 4 тока и датчика 5 напряжения.

Пороговое вычитающее устройство 8 предназначено для выделения разности сигналов u_u и u_ou при u_u>u_ou и поддержания выходного сигнала ПВУ u_ву близким к нулю при u_u<u_ou. Такое устройство может быть выполнено на операционном усилителе, охваченном нелинейной обратной связью: диодной при отрицательном выходном сигнале, через ограничивающий стабилитрон при положительном сигнале u_ву.

Весовой сумматор 9 предназначен для формирования результирующего разностного сигнала u_p на входе релейного элемента 10, посредством весового суммирования и вычитания сигналов с выходов датчика тока 4 u_i, порогового вычитающего устройства 8 u_ву и выходного сигнала интегрирующей цепи u_и:

где β_и, β_i, β_u - коэффициенты передачи соответствующих сигналов на входы весового сумматора 9;

k - коэффициент передачи результирующего суммарного сигнала на вход релейного элемента 10.

Соответственно, весовой сумматор 9 может быть выполнен на операционном усилителе с необходимыми весовыми резистивными делителями.

Релейный элемент 10 предназначен для формирования последовательности импульсов δ, соответствующей результату сравнения разностного сигнала с порогами срабатывания +Δ/2 и -Δ/2. Полагая, что δ является последовательностью импульсов единичной амплитуды равной +1; -1, относительный импульсный сигнал 8 можно определить выражением:

где Δ - ширина петли гистерезиса релейного элемента 10.

На практике релейный элемент такого вида может быть реализован на дифференциальном усилителе, охваченным положительной обратной связью с заданной величиной передачи выходного импульсного напряжения на прямой вход.

Схема 11 задержки выполняется двухканальной, обеспечивая задержку прямого и инверсного сигнала, поступающего с выхода релейного элемента 10 для последующей передачи на первый и второй входы двухканального драйвера 14. При этом схема задержки должна обеспечивать общую симметричную задержку фронта и спада импульсов δ на величину τ, а также ввести минимально достаточные задержки фронтов импульсов прямого и инверсного сигнала для формирования гарантированной паузы между импульсами. Последний фактор необходим для устранения сквозных токов «транзистор-транзистор» КУМ 1.

Схема 11 задержки, использующая приведенный алгоритм передачи импульсных сигналов, достаточно просто реализуются на логической схеме и диодно-резистивном и емкостном элементах.

Интегрирующая цепь 12 предназначена для формирования сигнала u_и плавного запуска при включении КНН по внешнему сигналу управления V_y. При этом через интегрирующую цепь 12 на второй вход весового сумматора 9 в установившемся режиме передается опорное напряжение u_u. Интегрирующая цепь 12 может быть выполнена на резистивно-емкостной схеме с постоянной времени τ_и достаточной для плавного включения КНН при постепенном нарастании выходного тока в процессе заряда конденсатора 3 и, при необходимости, емкости нагрузки. Такое изменение напряжения u_и реализуется при размыкании ключа, который может быть включен параллельно интегрирующему конденсатору, что достигается при поступлении команды включения на управляющий вход интегрирующей цепи 12.

Входной RCD-фильтр 13 является неотъемлемой частью мощного КНН, необходимой для замыкания ВЧ тока при коммутации КУМ 1 в режимах ограничения выходного тока и выходного напряжения. При этом емкость входного фильтра может достигать десятков мкФ при допустимом напряжении, рассчитанном на перенапряжение до 1000 В. Соответственно, наличие такой емкости не приводит к значительным токам при подключении к объектовой сети. Для смягчения процессов подключения в состав входного фильтра введен резистор сопротивлением до 10 Ом. При этом максимальные импульсные токи потребления обеспечиваются от конденсатора через прямой диод, включенный параллельно резистору.

Двухканальный драйвер 14 обеспечивает форсированное включение и выключение транзисторов КУМ 1 в соответствии с входными импульсными сигналами, поступающими с прямого и инверсного выходов схемы задержки 11. С учетом значительных величин коммутируемых напряжений (до 1000 В) и токов (до 20-30 А), а также большой скоростью их изменений (до единиц А и десятков В за не) управление такими транзисторами необходимо осуществлять через специализированные драйверы с гальванической изоляцией, что реализуется, например, при использовании микросхем типа HCPL3180.

Приведенное описание блоков входящих в состав заявляемого КНН подтверждает практическую реализуемость предлагаемого технического решения.

Заявляемое устройство работает следующим образом.

Напряжение объектовой сети поступает на входной фильтр и вывод закрытого КУМ 1. В отсутствии команды управления (V_y нулевого уровня) двухканальный драйвер 14 находится в закрытом состоянии, емкость интегрирующей цепи 12 разряжена.

Режим включения КНН с ограничением тока I_L иллюстрируется на фиг. 3 (а). С момента поступления команды (V_y высокого уровня) разрешается прохождение сигналов с выходов схемы задержки 11 через двухканальный драйвер 14 для противофазного управления транзисторами VT1 и VT2 КУМ 1. При этом на выходе интегрирующей цепи формируется плавно нарастающее напряжение u_и, определяющее величину тока I_L.

Поскольку выходное напряжение U_н, а соответственно выходной сигнал u_u датчика напряжения 5, не превышают установленного уровня u_u<u_ou, то на выходе порогового вычитающего устройства сигнал равен нулю, а разностный сигнал u_р на выходе весового сумматора, определяется разностью сигналов u_i и u_u с заданными коэффициентами к передачи ВС 13 (4).

С момента u_p≥Δ/2 формируется фронт импульса δ с задержкой τ+τ₃, поступающий на включение верхним транзистором VT1 КУМ 1, что приводит к нарастанию тока дросселя и, соответственно, к уменьшению u_p. С момента u_p≤Δ/2 формируется фронт импульса, поступающий с задержкой τ на выключение транзистора VT1 и с задержкой τ+τ₃ на включение транзистора VT2. Далее процесс повторяется до установившегося состояния, при котором u_i<u_oi и u_u<u_ou, что соответствует переходу КНН к номинальному режиму работы с транзисторной передачей напряжения Е сети объекта через открытый транзистор VT1 КУМ 1 через шину выходного напряжения U_н к нагрузке.

В процессе регулирования импульсного напряжения КУМ, до момента равенства U_н=Е, средний ток дросселя соответствует условию равенства средних напряжений u_и и u_i за период переключений. Через временной интервал более 3 τ напряжение u_и достигает установившегося значения u_и=u_oi, чем обеспечивается установка максимально допустимого выходного тока I_L. В случае значительной емкостной нагрузки за время заряда емкости ток дросселя I_L может достигать максимального значения и уменьшится до номинального значения I_н при равенстве U_н=Е.

Величина τ₃ задержки фронтов импульсов включения транзисторов КУМ 1 определяется из условия устранения сквозных токов с учетом инерционности их выключения и как правило не превышает (0,2-0,3) мкс. При этом симметричная задержка τ, как правило, много больше τ₃ и является определяющей при формировании длительности импульсных процессов. При этом зависимость периода переключений Т от относительного уровня выходного напряжения U_н / Е принимает следующий вид:

где Т₀ - постоянная величина, соответствующая минимальному периоду переключений, которая зависит от совокупного влияния ширины петли гистерезиса, времени симметричной задержки τ и других параметров схемы.

Сопоставление зависимостей относительных значений Т / Т₀ для заявляемого устройства и устройства прототипа (пунктирные линии), приведенных на фиг. 4, показывают преимущества настоящего изобретения. Здесь минимальное значение Т=Т₀ достигается при U_н / Е=0,5. При этом период переключений возрастает в критических режимах работы в случае ограничения напряжения U_н/E=(0,7-1) при перегрузке в режиме КЗ для U_н / Е=(0-0,2). Последнее обстоятельство особенно выгодно отличает заявляемое устройство от устройства прототипа, где при КЗ наблюдается минимальный период переключений.

Режим ограничения напряжения иллюстрируется временными диаграммами сигналов на фиг. 3б. Здесь переход КНН в режим регулирования связан с превышением выходного сигнала u_u датчика 5 напряжения максимального установленного значения u_ou, формируемого источником 7 опорного напряжения.

При этом на выходе порогового вычитающего устройства 8 формируется сигнал u_ву=u_u-u_ou, что приводит к уменьшению u_p до границы минус Δ переключения релейного элемента 10. В результате выключается транзистор VT1 КУМ 1, и ток дросселя замыкается через диод транзистора VT2. Особо следует заметить, что при смене знака тока дросселя I_L<0, ток замыкается через открытый транзистор VT2. Таким образом не изменяется процесс формирования импульсного напряжения V на выходе КУМ 1 и обеспечивается его стабилизация на установленном значении U_н, соответствующем примерному равенству величин u_u=u_ou. Соответственно, сохраняется равенство среднего тока I_L=I_н. Можно отметить, что в процессе ограничения напряжения наблюдается соответствующее уменьшение среднего тока потребления I_п.

При завершении процесса перенапряжения имеет место возврат условия u_u<u_ou, соответственно транзистор VT1 переходит в постоянно открытое состояние для транзитной передачи напряжения Е в нагрузку.

Следует обратить внимание, что ограничение перенапряжения в заявленном устройстве происходит и в случае режима близкого к холостому ходу, так как использование двухтактного КУМ 1 обеспечивает в этом случае замыкание разнонаправленного тока дросселя во время паузы между импульсами проводимости транзистора VT1.

В устройстве прототипе в этом случае имеет место обрыв тока через обратный диод, что приводит к вынужденному нарастанию выходного напряжения до величины максимального перенапряжения сети объекта. При этом нарушаются преимущества применения известного КНН.

Таким образом, в предлагаемом изобретении достигается ряд преимуществ по сравнению с известными аналогами и прототипами.

А именно, обеспечиваются энергетически эффективные режимы ограничения выходного напряжения и выходного тока, включая и режим плавного включения, в том числе при повышенном напряжении электропитания от сети объекта для нагрузки большой энергоемкости. Причем в энергонапряженных режимах регулирования в предлагаемом техническом решении обеспечивается пониженная частота переключений, что выгодно отличает заявляемое устройство от устройства прототипа особенно в режимах перегрузки.

На предприятии изготовлены опытные образцы предлагаемого КНН с номинальной выходной мощностью до 15 кВт при электропитании от сети объекта напряжением (175-320) В при перенапряжении до 1000 В.

Результаты испытаний подтвердили достижения заявляемого технического эффекта, что позволило рекомендовать предлагаемое изобретение для внедрения в ряде приоритетных заказов предприятия.

Изобретение относится к области электротехники и радиотехники и предназначено для использования в первичных звеньях электропитания энергоемкой функциональной аппаратуры от объектовой электросети. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности и надежности работы при расширении области использования, особенно при большой мощности потребления. Для достижения технического результата ключевой нормализатор напряжения обеспечивает ограничение выходного тока при включении и перегрузке, а также ограничение кратковременных перенапряжений в режимах ключевого регулирования при транзитной передаче напряжения электропитания в номинальных режимах работы. Ключевой нормализатор напряжения содержит двухтактный ключевой усилитель мощности 1 (КУМ), дроссель 2 (L), конденсатор 3 (С) выходного фильтра, датчик 4 тока (ДТ), датчик 5 напряжения (ДН), источники 6 и 7 опорных напряжений (ОН I и ОН U), двухканальный драйвер 18 (ДД), пороговое вычитающее устройство 12 (ПВУ), весовой сумматор 13 (ВС), релейный элемент 14 (РЭ), схему 15 задержки (СЗ), интегрирующую цепь 16 (ИЦ) и входной RCD-фильтр 17 (RCD). Технический результат достигается совокупностью блоков и связей, включая вновь введенные схемы 15 задержки (СЗ), интегрирующей цепи 16 (ИЦ), RCD-фильтр 17 (RCD) и двухканального драйвера 18 (ДД). 5 ил.

Ключевой нормализатор напряжения, содержащий шину силового электропитания, датчик тока и дроссель выходного фильтра, а также ключевой усилитель мощности, конденсатор выходного фильтра, датчик напряжения, первый и второй источники опорных напряжений, общие выводы которых соединены с общей шиной электропитания и общим выводом конденсатора выходного фильтра, причем первый вывод дросселя выходного фильтра соединен с выходом ключевого усилителя мощности, а вывод конденсатора выходного фильтра - с шиной выходного напряжения и входом датчика напряжения, отличающийся тем, что в его состав введены двухканальный драйвер, пороговое вычитающее устройство, весовой сумматор, релейный элемент, схема задержки, интегрирующая цепь, входной RCD-фильтр, шина управления, а ключевой усилитель мощности выполнен двухканальным и соединен первым и вторым входами управления с первым и вторым выходами двухканального драйвера, первый и второй входы которого соединены с прямым и инверсным выходами схемы задержки, вход которой подключен через релейный элемент к выходу весового сумматора, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, включенного между вторым выводом дросселя выходного фильтра и выводом конденсатора выходного фильтра, причем шина силового электропитания соединена с входом ключевого усилителя мощности и выводом входного RCD-фильтра общий вывод которого соединен с общей шиной силового электропитания, а также с общим входом датчика напряжения, причем шина управления подключена к входу управления двухканального драйвера и входу управления интегрирующей цепи, вход которой подключен к выходу первого источника опорного напряжения, а выход - ко второму входу весового сумматора, третий вход которого соединен с выходом порогового вычитающего устройства, первый вход которого соединен с выходом датчика напряжения, а второй вход подключен к выходу второго источника опорного напряжения.