Искробезопасный источник питания Советский патент 1992 года по МПК E21F9/00 H02H7/00 

Изобретение относится к электротехнике и может найти применение в источниках вторичного электропитания, эксплуатируемых во взрывоопасной атмосфере предприятий горной, нефтехимической и газовой промышленности.

Известен искробезопасный источник питания, построенный на базе мультивибратора Роера, в котором между выводами первичной обмотки и силовыми ключами включена пара транзисторов по схеме с общей базой и которая в случае перегрузки перераспределяет напряжение первичного источника между собой и входной обмоткой преобразователя.

Данное устройство искрозащиты, несмотря на простоту схемной реализации, обладает рядом недостатков малая жесткость нагрузочной характеристики, особен- но в области максимальных рабочих токов

снижающая выходную мощность и КПД, значительные потери энергии на переключение, нзпичие значительного перенапряжения на выходе в режиме близком к холостому ходу что затрудняет его использование в цепях с конденсатором, отсутствует отключение преобразователя при аварийной коммутации в цепи нагрузки, а наличие индуктивности обмоток силового трансформатора дополнительно снижает выходную искробезопасную мощность

Известен также искробезопасный источник питания выполненный на базе преобразователянапряженияспропорционально-токовым управлением в котором ток базы силовых ключей ограничен за счет включения дополнительного резистора во вторичную обмотку трансформатора, а его первичная обмотка включенная последовательно с нагрузкой

hJ

зашунтирована парой встречно соединенных диодов,

В этом источнике также недостаточна жесткость нагрузочной характеристики, отсутствует механизм динамической защиты и не реализовано важное достоинство преобразователей с токовым, управлением - способность к автосимметрированию перемагничивания сердечника силового трансформатора при наличии ряда дестабилизирующих факторов, например различия во времени переключения силовых ключей или их разного напряжения насыщения. Наличие подмагничивания силового трансформатора вынуждает увеличивать его габаритную мощность для исключения аварийного насыщения сердечника и, следовательно, увеличивать энергию в разряде, запасенную в его обмотках.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является вторичный источник питания, построенный ана базе преобразователя напряжения с пропорционально-токовым управлением и содержащий первичный источник питания постоянного тока, два силовых ключа, трансформатор тока, силовой трансформатор с клеммами для подключения нагрузки, подключенной к его выходной обмотке, регулятор заданного значения степени насыщения силовых ключей в режиме малых нагрузок, при этом первичная обмотка силового трансформатора выполнена со средней точкой, которая подключена к первому полюсу первичного источника питания, другие выводы указанной обмотки через соответствующие обмотки трансформатора тока соединены с коллекторами силовых ключей, базы которых подключены к другим обмоткам трансформатора тока, свободные выводы которых объединены и подключены к второму полюсу источника питания, а эмиттеры указанных силовых ключей соединены между собой, регулятор заданного значения степени насыщения силовых ключей входом соединен с коллекторами силовых ключей, а выходом соединенный с последовательно соединенными обмотки холостого хода трансформатора тока и вспомогательной обмотки силового трансформатора.

В данном преобразователе отсутствует ограничение выходной мощности при перегрузке, исключающее его использование в качестве защитного элемента. Отсутствует также механизм отключения преобразователя при коммутации нагрузки или импульсном превышении входного напряжения, снижающий выходную мощность.

Цель изобретения - повышение выходной искробезопасной мощности источника питания.

Поставленная цель достигается тем. что источник питания, построенный на без преобразователя напряжения с пропорционально-токовымуправлениемдополнительно снабжен датчиком тока, тремя блоками управления, состоящими каж0 дый из двух компараторов, опорного источника токовой уставки, двух параллельно включенных делителей напряжения, конденсатора памяти и двух двунаправленных ключей, трансформатор тока выполнен с

5 тремя дополнительными обмотками отключения, при этом датчик тока включен между вторым полюсом первичного источника питания и эмиттерами силовых ключей, к которым присоединен неинвертирующий вход

0 первого компаратора каждого блока управления, а инвертирующий вход соединен с выходом своего источника токовой уставки, при этом выход каждого первого компаратора соединен с входами своей пары двунап5 равленных ключей, соединенных по выходу с вторым полюсом первичного источника питания и с выводами своей дополнительной обмотки отключения, входы каждого второго компаратора соединены со средни0 ми точками соответствующих своих делите- лей напряжения, включенных между первым и вторым полюсами первичного источника питания, их выходы - с выходом своего первого компаратора, при этом меж5 ду вторым полюсом первичного источника питания и инвертирующим входом каждого второго компаратора включен конденсатор памяти.

На чертеже представлена принципиаль0 ная схема предлагаемого искробезопасного источника питания.

Искробезопасный источник питания содержит первичный источник 1 питания, два силовых ключа 2 и 3, трансформатор 4 тока

5 с обмотками 5-7 отключения и обмотками 8 холостого хода, силовой трансформатор 9 с первичной обмоткой 10, вспомогательной обмоткой 11 и выходной обмоткой 12, регулятор 13 заданного значения степени насы0 силовых ключей 2 и 3, датчик 14 тока, блоки 15 - 17 управления, состоящие каждый из первого 18 и второго 19 компараторов, опорного источника 20 токовой уставки, делителей 21 и 22 напряжения, кон5 денсатора 23 памяти, двунаправленных ключей 24 и 25. Первичная обмотка 10 трансформатора 9 подключена средней точкой к первому полюсу первичного источника 1 питания, а ее другие выводы через соответствующие обмотки трансформатора 4 тока соединены с коллекторами силовых ключей 2 и 3, базы которых подключены к другим обмоткам трансформатора 4 тока, свободные выходы которых объединены и подключены к второму полюсу источника питания, при этом между вторым полюсом первичного источника 1 питания и эмиттерами указанных силовых ключей включен датчик 14 тока. Регулятор 13 входом соединен с коллекторами силовых ключей 2 и 3, а выходом соединенный с последовательно соединенными обмоткой 8 холостого хода трансформатора 4 тока и вспомогательной обмотки 11 силового трансформатора 9. Неинвертирующий вход первого компаратора 18 каждого блока 15- 17 управления присоединен к эмиттерам силовых ключей 2 и 3, а его инвертирующий вход соединен с выходом своего опорного источника 20 токовой уставки, при этом выход каждого первого компаратора 18 соединен с входами своей пары двунаправленных ключей 24 и 25, соединенных по выходу с вторым полюсом первичного источника 1 питания и с выводами своей дополнительной обмотки 5 (6,7) отключения, входы каждого второго компаратора 19 соединены со средними точками соответствующих своих делителей 21 и 22 напряжения,, включенных между первым и вторым полюсами первичного источника 1 питания, их выходы -с выходом своего первого компаратора 18, при этом между вторым полюсом первичного источника 1 питания и инвертирующим входом каждого второго компаратора 19 включен конденсатор 23 памяти.

Устройство работает следующим образом.

При работе преобразователя искроза- щитного устройства в диапазоне нагрузок от 0 до номинальной потенциалы на входах обоих компараторов 18 и 19, (-.формированные датчиком 14 тока и опорным источником 20 токовой уставки, делителями 21 и 22 напряжения, выбраны такими, что обеспечивают на его общем выходе низкий уровень напряжения и, следовательно, закрытое состояние двунаправленных ключей 24 и 25.

При чрезмерном увеличении нагрузки на выходе преобразователя сигнал с датчика 14 тока по уровню превышает напряжение, снимаемое с опорного источника 20, в результате чего на выходе компаратора 18 устанавливается высокий уровень и открываются двунаправленные ключи 24 и 25, закорачивающие обмотку 5 отключения для блока 15 управления и обмотки 6 и 7 для блоков 16 и 17. При этом генерация в преобразователе прекращается, и нагрузка отключается от первичного источника 1 питания.

При аварийной коммутации (размыкании) в цепи нагрузки возникает всплеск напряжения самоиндукции на обмотках силового трансформатора 9, который в виде приращения потенциала выделяется на выходном импедансе первичного источника 1 питания. Этот импульс напряжения через

0 делитель 22 напряжения поступает на неинвертирующий вход компаратора 19, а потенциал его инвертирующего входа остается неизменным на время, определяемое постоянной цепи заряда конденсатора 23 па5 мяти, и формирует высокий уровень напряжения на входе ключей 24 и 25 в каждом из трех блоков 15-17 управления. Процесс отключения нагрузки от первичного источника питания аналогичен описанному.

0Размещение отключающей обмотки на

трансформаторе 4 тока и выбор оптимального коэффициента трансформации относительно базовых обмоток силовых ключей 2 и 3 позволяет осуществлять срыв генерации в

5 преобразователе относительно маломощными ключами.

Использование силового трансформатора 9 преобразователя в качестве датчика коммутации позволяет считать его непов0 реждаемым при оценке конструкции на ис- кробезопасность и исключить дополнительный индуктивный элемент для реализации динамической защиты.

Троирование блоков управления преоб5 разователем и исключение из контура ис- крозащиты силовых ключей 2 и 3 (так как при их повреждении отсутствует грнерация) удовлетворяет требованиям ГОСТа и МЭКа к устройствам искрозащиты.

0 Применение пороговых схем в контуре токовой защиты обеспечивает максимальный КПД и жесткую нагрузочную кривую во всем диапазоне нагрузок, что в конечном итоге повышает выходную искробезопас5 ную мощность. Кроме того, обнаружение аварийной коммутации в виде приращения потенциала на входе преобразователя и его отключение по этому сигналу дополнительно увеличивает выходную искробезопасную

0 мощность.

Формула изобретения Искробезопасный источник питания, содержащий первичный источник питания, два силовых ключа, трансформатор тока, си5 ловой трансформатор с клеммами для подключения нагрузки, подключенной к его выходной обмотке, регулятор заданного значения степени насыщения силовых ключей в режиме малых нагрузок, при этом первичная обмотка силового трансформатора

vt

ЛД

выполнена со средней точкой, которая подключена к первому полюсу первичного источника питания, другие выводы указанной обмотки через соответствующие обмотки трансформатора тока соединены с коллек- торами силовых ключей, базы которых подключены к другим обмоткам трансформатора тока, свободные выводы которых объединены и подключены к второму полюсу источника питания, эмиттеры указанных силовых ключей соединены между собой, регулятор заданного значения степени насыщения силовых ключей входом соединен с коллекторами силовых ключей, а выходом - с последовательно соединенны- ми обмотками холостого хода трансформатора тока и вспомогательной обмотки силового трансформатора, отличающийся тем, что, с целью повышения выходной искробезопасной мощности, он дополни- тельно снабжен датчиком тока, тремя блоками управления, состоящими каждый из двух компараторов, опорного источника токовой уставки, двух параллельно включенных делителей напряжения, конденсатора памяти

и двух двунаправленных ключей, трансформатор тока выполнен с тремя дополнительными обмотками отключения, при этом датчик тока включен между вторым полюсом первичного источника питания и эмиттерами силовых ключей, к которым присоединен неинвертирующий вход первого компаратора каждого блока управления, а инвертирующий вход соединен с выходом своего опорного источника токовой уставки, при этом выход каждого первого компаратора соединен с входами своей пары ключей, соединенных по выходу с вторым полюсом первичного источника питания и выводами своей дополнительной обмотки отключения, входы каждого второго компаратора соединены со средними точками соответствующих своих делителей напряжения, включенных между первым и вторым полюсами первичного источника питания, их выходы - с выходом своего первого компаратора, при этом между вторым полюсом первичного источника питания и инвертирующим входом кажого второго компаратора включен конденсатор памяти.

Использование: в источниках вторичного электропитания, эксплуатируемых во взрывоопасной атмосфере предприятий горной нефтехимической и газовой промышленности Сущность изобретения, иск- робезопасный источник питания обеспечивает повышение мощности за счет использования силового трансформатора в качес ве датчика коммутации и применения пороговых схем в контуре токовой защиты с максимальным КПД и жесткой нагрузочной кривой во всем диапазоне нагрузки. Надежность искоозащиты достигается за счет троирования блоков управления и исключения из контура искрозащиты силовых ключей Принцип действия датчика коммутации при аварийных ситуациях основан на всплеске напряжения самоиндукции на обмотках силового трансформатора, это приращение напряжения используется в качестве сигнала на срабатывание защитных элементов схемы 1 ил