УПРАВЛЯЕМОЕ ПУСКОВОЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2021 года по МПК G05F1/56 

Изобретение относится к области радиотехники и гидроакустики и предназначено для использования в устройствах электропитания передающих трактов с повторно кратковременными режимами работы.

Известны различные пусковые устройства [Патент РФ №2011275 на изобретение «Ключевой стабилизатор», опубл. 15.04.94, патент РФ №109852 полезную модель «Преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока» опубл. 10.10.2011], обеспечивающие плавное подключение потребителей к напряжению сети объекта постоянного тока, формируемого от централизованных преобразователей напряжения, либо непосредственно от аккумуляторных батарей. Известные устройства используют преимущественно режим ключевого регулирования выходного напряжения [Патент РФ №2011275 на изобретение «Ключевой стабилизатор», опубл. 15.04.94] или выходного току [Патент РФ №109852 полезную модель «Преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока» опубл. 10.10.2011]. Также устройства обеспечивают регулирование выходного напряжения во всех режимах работы нагрузки, включая и режимы максимального потребления. Как следствие, в пусковом режиме, включающем заряд емкостного фильтра, выходной ток должен превосходить максимальный ток нагрузки. В результате известные устройства имеют существенные потери энергии, связанные с непрерывным процессом управления и, в случае использования для электропитания высокоэффективных передающих трактов, характеризуются большими габаритами, соизмеримыми с передающей аппаратурой.

Наиболее близкими аналогом по количеству общих признаков к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в [Патент РФ 46593 на полезную модель «Ограничитель тока» опубл. 10.074.2005]. Устройство-прототип выгодно отличается от известных аналогов применением линейного режима ограничения выходного тока. При этом ключевой режим используется только при перегрузке и при включении на емкостную нагрузку.

Устройство-прототип содержит датчик тока, включенный между первым выводом входного напряжения и первым электродом регулирующего элемента, второй электрод которого соединен через обратный диод с вторым выводом входного напряжения, причем второй электрод регулирующего элемента и второй вывод напряжения соединены через выходной фильтр соответственно с первым и вторым выводами выходного напряжения, подключенным к шинам нагрузки, а также пороговый усилитель, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, второй вход-через источник опорного напряжения с первым выводом входного напряжения, а выход через одновибратор к входу управления регулирующего элемента.

Принцип действия известного устройства заключается в следующем. Сопротивление датчика тока выбирается таким образом, чтобы для номинального режима работы сигнал с его выхода не превышал уровень опорного напряжения. При этом регулирующий элемент находится в открытом состоянии и обеспечивает передачу входного напряжения электропитания на нагрузку. В случае превышения тока потребления установленного максимального значения, сигнал датчика тока возрастает более опорного напряжения, в результате пороговый усилитель изменяет свое состояние и обеспечивает срабатывание одновибратора, запирающего регулирующий элемент на заданное время паузы. В условиях наличия дросселя в составе выходного фильтра, ток нагрузки замыкается через обратный диод и таким образом обеспечивается ключевой режим регулирования для ограничения максимального выходного тока. Таким образом, в устройстве-прототипе при включении на емкостную нагрузку ограничивается ток заряда на уровне установленного максимального значения. Далее при завершении режима перегрузки для установившегося значения выходного напряжения регулирующий элемент переходит в открытое состояние без переключений, что соответствует минимальным потерям энергии. Указанное обстоятельство выгодно отличает устройство-прототип от известных аналогов.

Однако, наличие пускового режима с высокочастотным импульсным управлением регулирующего элемента при максимальном выходном токе существенно влияет на надежность и показатели энергетической эффективности известного устройства. Особенно явно его недостатки сказываются при электропитании передающих устройств с повторно-кратковременными режимами работы в условиях электропитания от аккумуляторных батарей. В общем случае такие потребители относятся к управляемой нагрузке, включение которой подготавливается заранее перед циклом излучения, после завершения которого электропитание с нагрузки снимается для экономии энергоресурса автономного изделия. При этом в цикле излучения мощность потребления может достигать единиц и десятков кВт в условиях напряжения электропитания, достигающих сотен вольт.

В таких режимах работы, в условиях многократных повторных включений при большой выходной мощности недостатки устройства-прототипа, связанные с большими потерями энергии и пониженной надежностью работы в режиме высокочастотного ключевого регулирования порогового тока препятствуют его использованию, особенно в автономных изделиях с управляемой нагрузкой.

Задачей предлагаемого изобретения является повышение энергетической эффективности и надежности работы на управляемую нагрузку.

Поставленная задача решается тем, что в известное устройство, содержащее датчик тока, включенный между первым выводом входного напряжения и первым электродом регулирующего элемента, второй электрод которого соединен через обратный диод с вторым выводом входного напряжения, а также пороговый усилитель, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, а второй вход через источник опорного напряжения с первым выводом входного напряжения, причем второй электрод регулирующего элемента и второй вывод входного напряжения соединены через выходной фильтр соответственно с первым и вторым выводами выходного напряжения, подключенным к выводам нагрузки, введены новые признаки, а именно: введены дополнительный регулирующий элемент, интегрирующая цепь и пороговый элемент совпадения, в свою очередь пороговый усилитель имеет открытый вход, а нагрузка выполнена управляемой, причем управляемое пусковое устройство имеет контрольный выход и вход управления, соединенный с входом управления регулирующего элемента, а также с первым входом порогового элемента совпадения и резистивным выводом интегрирующей цепи, емкостной вывод которой соединен с первым выводом входного напряжения и первым электродом дополнительного регулирующего элемента, второй электрод которого подключен к второму электроду регулирующего элемента, а вход управления-к средней точке интегрирующей цепи и открытому выходу порогового усилителя, соединенного с вторым входом порогового элемента совпадения, выход которого подключен к входу управления нагрузки к контрольному выходу устройства.

Технический результат от использования предлагаемого изобретения заключается в минимизации потерь энергии и повышении надежности работы управляемого пускового устройства, а также в его защите от режимов токовой перегрузки.

Достижение технического результата обеспечивается путем использования режима включения с ограничением током заряда емкости фильтра в условиях отключенной нагрузки с последующим включением нагрузки при заряженной емкости фильтра. При этом исключается режим высокочастотного ключевого регулирования выходного тока, чем и достигается минимизация потерь энергии и повышение надежности работы. В условиях повторно-кратковременных режимов работы после завершения цикла включения нагрузки устройство обеспечивает отключение силового электропитания и повторное включение перед циклом работы за время, достаточное для заряда емкости фильтра по внешней команде управления.

Реализация защиты от режимов токовой перегрузки, связанной с повышением остаточного напряжения на открытом дополнительном регулирующем элементе в активном цикле работы, обеспечивается посредством его запирания и перехода в режим ограниченного тока заряда емкости фильтра и отключением нагрузки с передачей информации по сигналу «контроль» к внешнему устройству управления.

Структурная схема предлагаемого устройства представлена на фиг. 1, а на фиг. 2 приведены временные диаграммы, поясняющие его работу. На фиг 2 обозначено: V_у - команда управления, U_I - сигнал с выхода датчика 1 тока, U₀ - опорное напряжение, U_и - сигнал управления регулирующим элементом 8, U_п - порог включения регулирующего элемента 8, U_н - напряжение на нагрузке, Е - входное напряжение, I_н - ток нагрузки.

Управляемое пусковое устройство (фиг. 1) содержит датчик 1 тока (ДТ), регулирующий элемент 2 (РЭ), пороговый усилитель 3 (ПУ), источник 4 опорного напряжения (ИОН), обратный диод 5 (ОД), выходной фильтр 6 (ВФ), управляемую нагрузку 7 (УН), дополнительный регулирующий элемент 8 (ДРЭ), интегрирующую цепь 9 (ИЦ), пороговый элемент 10 совпадения (ПЭС), а также контрольный выход и вход управления, выводы входного напряжения и выводы выходного напряжения, соединенные с шинами нагрузки.

Совокупность вновь введенных блоков и связей, предложенные в заявляемом управляемом пусковом устройстве ранее не использовалась, а их применение обеспечивает достижение технического эффекта. Блоки, входящие в состав устройства, реализуются по известным правилам на общедоступной элементной базе, что соответствует его технической реализуемости.

Датчик 1 тока выполняется резистивным и гальванически связанным с первым электродом регулирующего элемента 2, относительно которого подается сигнал включения на его вход управления. Выходное напряжение датчика 1 тока U_I (фиг. 2) пропорционально току, протекающему через регулирующий элемент.

Регулирующие элементы 2 и 8 выполняются на полевых транзисторах, адаптированных к входному напряжению электропитания. Причем, если транзистор VT1 регулирующего элемента 2 должен обеспечивать замыкание сравнительно малого тока заряда I_з, то транзистор VT2 дополнительного регулирующего элемента 8 должен быть рассчитан на кратно больший ток I_н активной нагрузки и должен выполняться на сильноточном транзисторе.

Пороговый усилитель 3 предназначен для сравнения выходного сигнала U_I датчика 1 тока и сигнала U₀ (фиг. 2) с выхода источника 4 опорного напряжения и выделения результата сравнения в виде состояния открытого выхода (открытый коллектор). Состояние U_I>U₀ соответствует замыканию средней точки интегрирующей цепи 9 на первый вывод входного напряжения питания. Пороговый усилитель 3 может быть выполнен на типовом компараторе с выходом «открыт коллектор», либо на обычном операционном усилителе с диодным выходом.

Источник 4 опорного напряжения U₀ может выполняться как собственно на автономном источнике напряжения установленного уровня, так и на стабилитроне, соединенным с первым выводом входного напряжения, ток стабилизации которого может быть обеспечен как от собственного входного напряжения, так и от напряжения сервисного электропитания более низкого уровня.

Обратный диод 5 предназначен для замыкания тока индуктивности дросселя в составе выходного фильтра 6, либо индуктивности протяженных трасс соединения удаленного конденсатора С2 фильтра при быстром отключении дополнительного регулирующего элемента 8 в случае аварийной перегрузки.

Входной фильтр 6 в составе заявляемого устройства может быть выполнен на конденсаторе С2, адаптированном к напряжению электропитания, емкость которого должна обеспечивать замыкание токов рабочей частоты передающих устройств в составе управляемой нагрузки. При значительной выходной мощности передающих устройств, особенно для гидроакустических передающих трактов звукового диапазона, емкость конденсатора достигает десятков мФ при напряжении электропитания в сотни вольт.

Управляемая нагрузка 7 может представлять различную функциональную аппаратуру, электропотребление которой в основном реализуется в активном режиме работы по команде управления. Типичным вариантом такой нагрузки являются радиотехнические и гидроакустические передающие тракты импульсных режимов радиолокации и гидролокации. Такая аппаратура характеризуется значительной энергоэффективностью в активном кратковременном режиме и весьма малым потреблением в паузу между циклами излучения, циклограмма которых устанавливается внешним устройством управления.

Интегрирующая цепь 9 выполняется на последовательно включенных резисторе R1 и конденсаторе С1 и, соответственно, имеет реактивный и емкостной выводы. Сигнал U_и (фиг. 2) средней точки интегрирующей цепи 9 является управляющим для транзистора VT2 сильноточного регулирующего элемента 8. При этом сигнал управления между затвором и истоком транзистора VT2 может плавно нарастать с постоянной времени τ_u=RC под воздействием внешнего сигнала управления либо форсировано уменьшаться и поддерживаться на нулевом уровне под воздействием открытого выхода порогового усилителя 3.

Пороговый элемент 10 совпадения обеспечивает высокий уровень сигнала на входе ПЭС 10 при превышении напряжения U_и средней точки интегрирующей цепи 9 порогового значения U_п (фиг. 2), соответствующего гарантированному открытому состоянию транзистора VT2 регулирующего элемента 8. При совпадении этого состояния с высоким уровнем внешнего сигнала управления V_y на выходе порогового элемента 10 совпадения формируется сигнал контроль V_к высокого уровня, который обеспечивает включение управляемой нагрузки 7 и передает контрольную информацию внешнему устройству управления. Пороговый элемент 10 совпадения может быть выполнен на логическом элементе «И» с входами на триггерах Шмидта с известными порогами срабатывания либо на совокупности других элементов, реализующих необходимую функцию.

Предлагаемое управляемое пусковое устройство работает следующим образом.

Выходное постоянное напряжения Е электропитания (фиг. 2) поступает на соответствующие выводы устройства от внешнего преобразователя сети объекта либо от мощной аккумуляторной батареи в случае автономного изделия. При поступлении внешнего сигнала управления V_y заданного уровня (V_y=12…15 В) открывается VT1 и обеспечивается протекание тока I_з заряда конденсатора С2 выходного фильтра 6, соответствующего выходному напряжению датчика 1 тока U_I=I_зR₁. Максимальная величина I_зм определяется уровнем сигнала управления V_y, сопротивлением датчика тока R_T=R1+R2 и пороговым значением напряжения затвор-исток V_зи0 транзистора VT1, соответствующим переходу из режима отсечки в режим усиления. Из уравнения для коэффициента усиления усилителя с отрицательной обратной связью по току запишем:

где S - передаточная характеристика полевого транзистора [А/В].

Из выражения (1) получим соотношения:

или для R_TS>>1

Таким образом, регулирующий элемент 2 работает в режиме генератора тока, установленного сопротивлением R_T с учетом параметров транзистора VT1 и уровня сигнала управления, что соответствует постоянному значению тока (U_I=const) в режиме заряда.

Резистивный делитель R₁,R₂ и уровень сигнала U₀ источника опорного напряжения выбираются из условия:

Следовательно, при быстром нарастании тока через регулирующий элемент 2 выходные сигналы U_I и U₀ соответствуют открытому выходу порогового усилителя 3, который шунтирует сигнал на входе транзистора VT2 регулирующего элемента 8, поддерживая его в закрытом состоянии при U_и=0 (фиг. 2).

При этом, несмотря на поступление сигнала управления V_y на выходе порогового элемента совпадения сохраняется низкий уровень сигнала V_к, нагрузка отключена и входной ток нагрузки значительно ниже установленного тока заряда I_з.

По мере заряда конденсатора С2 выходного фильтра выходное напряжение U_н линейно нарастает до уровня близкого к Е, остаточное напряжение на регулирующем элементе 2 уменьшается и при завершении заряда ток I_з определяется их условия:

При этом уменьшается напряжение U_I на выходе датчика 1 тока и происходит переключение порогового усилителя 3 и перевод его выхода в закрытое состояние при достижении условия:

В результате, под воздействием сигнала V_y, поступающего на резистивный вход интегрирующей цепи 9 напряжение на емкости С1 и, соответственно, на затворе транзистора VT2 регулирующего элемента 8 возрастает до порога его открывания U_ЗИ0=U_п и далее до полного открывания транзистора с весьма малым сопротивлением R_СИ в открытом состоянии При напряжении U_ЗИ этого уровня (U_ЗИ≥10 В) срабатывает пороговый элемент 10 совпадения, что приводит к формированию высокого уровня сигнала V_K на его выходе и, соответственно, включению управляемой нагрузки 7.

Таким образом, управляемое пусковое устройство переходит в номинальный режим работы, в котором входное напряжение электропитания подключено к шинам нагрузки через открытый сильноточный транзистор VT2 регулирующего элемента 8. При этом через регулируемый элемент 2 VT2 протекает весьма небольшой ток:

где - остаточное напряжение на открытом транзисторе V.

В режиме перегрузки I>(1,3-1,5)I_mах остаточное напряжение на регулируемом элементе 8 (транзистор VT2) возрастает, что может приводить к нарушению условия (5) и, соответственно, к срабатыванию порогового усилителя 3. В результате происходит форсированный разряд емкости интегрирующей цепи 8 через открытый выход порогового усилителя и запирание транзистора VT2. При этом транзистор VT1 порогового элемента 2 переходит в режим ограничения зарядного тока на уровне I_ЗМ, выключается пороговый элемент 10 совпадения, формируется контрольный сигнал низкого уровня и происходит принудительное отключение нагрузки в активном цикле работы. Контрольная информация передается к внешнему устройству управления, где принимается решение о снятии команды управления (фиг. 2 пунктирные линии).

При отсутствии перегрузки активный цикл режима работы завершается штатным отключением команды управления (сигнал V_y низкого уровня). Для последующего цикла излучения сигнал V_y подается с упреждением достаточным для заряда (дозаряда) конденсатора С2 зарядным током I_ЗМ.

Таким образом, в управляемом пусковом устройстве обеспечивается режим включения при пусковом токе значительно меньше номинального и осуществляется переход к номинальному режиму работы при коммутации напряжения электропитания на нагрузку через открытый сильноточный полевой транзистор VT2 без экстремальных токов перед циклом активной работы. Причем при завершении активного цикла устройство переходит в режиме ожидания в условиях отключения напряжения электропитания от нагрузки.

В результате - предлагаемое техническое решение исключает наиболее энергонапряженный режим высокочастотного импульсного управления регулирующими элементами, чем обеспечивает повышение энергетической эффективности и надежности работы, что выгодно отличает его от устройства-прототипа [Патент РФ 46593 на полезную модель «Ограничитель тока» опубл. 10.074.2005] и ближайших технических аналогов [Патент РФ №2011275 на изобретение «Ключевой стабилизатор», опубл. 15.04.94, Патент РФ №109852 полезную модель «Преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока» опубл. 10.10.2011]. Особенно выигрышным является применение настоящего изобретения в автономных изделиях при электропитании от аккумуляторной батареи, где использование активных циклов работы и отключение мощных потребителей во время длительных пауз ожидания в ряде случаев позволяет вдвое увеличить ресурс аккумуляторных батарей при уменьшении тепловыделения и габаритов устройств силового электропитания.

К дополнительному преимуществу заявляемого устройства относится реализация механизмов защиты от режимов перегрузки с отключением активного цикла работы.

Сопоставительный анализ параметров работы регулирующих элементов предлагаемого устройства с техническими аналогами в режимах включения, номинальной работы и перегрузки показывает, что заявляемое техническое решение позволяет кратно уменьшить пиковые потери энергии при снижении экстремальной нагрузки на силовые транзисторы 1,5-2 раза, что подтверждает достижение технического результата - повышения энергетической эффективности и надежности функционирования.

На предприятии изготовлены опытные образцы аналога устройства-прототипа и заявляемого устройства с номинальной мощностью до 10 кВт, в результате сопоставления которых для автономных изделий сделан выбор в пользу настоящего изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, радиотехники и гидроакустики и предназначено для применения в устройствах электропитания передающих трактов с повторно кратковременными режимами работы. Предложено пусковое устройство с каналом постоянного тока заряда, содержащим последовательно включенные резистивный датчик (1) тока и регулирующий элемент (2), обеспечивающие режим генератора тока заряда емкости фильтра (6) при отключенном потреблении нагрузки. А также параллельный канал коммутации напряжения электропитания на нагрузку в номинальном режиме по внешней команде управления после завершения режима заряда, включающий пороговый усилитель (3), обеспечивающий сравнение выходного сигнала датчика (1) с напряжением источника (4) опорного напряжения. Дополнительный сильноточный регулирующий элемент (8) с интегрирующей цепью (9) по сигналу управления, прохождение которого разрешается после завершения режима заряда. Кроме того, пороговый элемент (10) совпадения, формирующий сигнал контроля для включения нагрузки (7) после включения регулирующего элемента (8). В устройстве реализуется режим защиты от перегрузки по остаточному напряжению сильноточного регулирующего элемента и предусмотрен обратный диод (5), имитирующий нагрузку для замыкания тока выходного фильтра после экстренного отключения. Это позволяет минимизировать потери энергии и повысить надежность работы управляемого пускового устройства, а также обеспечить его защиту от режимов токовой перегрузки. 2 ил.

Управляемое пусковое устройство, содержащее датчик тока, включенный между первым выводом входного напряжения и первым электродом регулирующего устройства, второй электрод которого соединен через обратный диод со вторым выводом входного напряжения, а также пороговый усилитель, первый вход которого соединен с выходом датчика тока, а второй вход - через источник опорного напряжения с первым выводом входного напряжения, причем второй электрод регулирующего элемента и второй вывод входного напряжения соединены через выходной фильтр соответственно с первым и вторым выводами входного напряжения, подключенными к шинам нагрузки, отличающееся тем, что в его состав введены дополнительный регулирующий элемент, интегрирующая цепь и пороговый элемент совпадения, в свою очередь, пороговый усилитель имеет открытый вход, а нагрузка выполнена управляемой, причем управляемое пусковое устройство имеет контрольный выход и вход управления, соединенный с входом управления регулирующего элемента, а также с первым входом порогового элемента совпадения и резистивным выводом интегрирующей цепи, емкостной вывод которой соединен с первым выводом входного напряжения и первым электродом дополнительного регулирующего элемента, второй электрод которого подключен ко второму электроду регулирующего элемента, а вход управления - к средней точке интегрирующей цепи и открытому выходу порогового усилителя, соединенного со вторым входом порогового элемента совпадения, выход которого подключен к входу управления нагрузки к контрольному выходу устройства.