Регулятор напряжения Советский патент 1993 года по МПК H02H7/20 H02H9/04 

Изобретение относится к энергоснабжению, в частности к регуляторам напряжения, используемым в системах энергоснабжения транспортных средств.

Цель изобретения - повышение надежности работы регулятора напряжения, а также расширение его функциональных возможностей.. .

На фиг. 1 показана схема регулятора напряжения; на фиг, 2 - вариант исполнения регулятора напряжения; на фиг. 3 - схема включения регулятора напряжения в систему энергоснабжения транспортного средства; нз фиг. 4 - вариант исполнения блока быстродействующей защиты, входящего в состав регулятора напряжения; на фиг, 5 - другой вариант исполнения блока быстродействующей защиты, входящего в состав регулятора напряжения,

Регулятор напряжения содержит измерительный блок 1 (см. фиг.1), управляющий

блок 2, блок 3 быстродействующей защиты, инерционный блок 4 защиты, клеммы 5 и 6 для подключения питающей сети, клеммы 7 и 8 для подключения обмотки возбуждения генератора. Измерительный блок 1 имеет входы 9 и 10 для подключения питающей сети и выход 11. Управляющий блок 2 имеет выводы 12 и 13 для подключения питающей сети, вход 14 и выход 15,16.

Блок 3 быстродействующей защиты имеет выводы 17 и 18 для подключения питающей сети, выход 19. Инерционный блок 4 защиты имеет силовые выводы 20 и 21, управляющий вход 22, дополнительный управляющий вход 23.

Вход 9 измерительного блока 1, вывод 12 управляющего блока 2 и вывод 17 блока 3 подключены к клемме 5 регулятора напряжения, Вход 10 измерительного блока 1,вывод 13 управляющего блока 2 и вывод 18 блока 3 подключены к клемме 6 регулятора напряжения.

00

4

СО

Выход 11 измерительного блока 1 соединен с входом 14 управляющего блока 2. Выход 15 управляющего блока 2 подключен к клемме 7 регулятора напряжения. Выход 1 б управляющего блока 2 подключен к силовому выводу 20 блока 4, силовой вывод 21 которого подключен к клемме 8 регулятора напряжения. Выход 19 блока 3 имеет тепловую или электрическую связь с управляющим входом 22 блока 4.

Блок 4 может быть включен также между выходом 15 управляющего блока 2 и клеммой 7 регулятора напряжения. В этом варианте выход 15 управляющего блока 2 соединен с силовым выводом 20 блока 4, силовой вывод 21 которого подключается к клемме 7, а выход 16 управляющего блока 2 соединяется с клеммой 8 регулятора напряжения.

Дополнительный управляющий вход 23 блока 4 может быть использован для подачи внешнего управляющего сигнала (внешнего воздействия) на блок 4.

В варианте исполнения регулятора напряжения согласно фиг.2 он содержит блоки и узлы согласно фиг. 1, но отличается тем, что всэден двухполупериодный выпрямитель 24, который входными выводами 25 и 26 подключен к клеммам 5 и 6 регулятора соответственно, а выходными выводами 27 и 28 подключен к выводам 17 и 18 соответственно блока 3.

На фиг.З показана схема йключения регулятора напряжения в систему энергоснабжения транспортного средства. Схема содержит регулятор напряжения 29, выполненный согласно фиг. 1 или фиг.2, генератор 30 напряжения, аккумуляторную батарею 31, ключ зажигания 32, предохранитель 33, резистор 34, сигнальную лампу 35.

Генератор 30 имеет выходные клеммы 36 (питание обмотки возбуждения), 37 (плюс бортовой сети), 38,39 (обмотка возбуждения), 40 (минус бортовой сети). Конденсатор 41 включен параллельно бортовой сети - между клеммами 5 и 6 регулятора 29.

Клемма 36 генератора 30 соединена с клеммой 7 регулятора напряжения 29, клемма 37 генератора 30 соединена с клеммой 5 регулятора 29, клемма 38 генератора 30 соединена с клеммой 7 регулятора 29, клемма 39 генератора 30 соединена с клеммой 8 регулятора 29 и с корпусом автомобиля.

Аккумуляторная батарея 31 включена между клеммой 37 генератора 30 и корпусом - клеммой 40. Ключ зажигания 32 одним выводом подключен к клемме 37 генератора 30, а вторым через последовательно соединенные предохранитель 33 и реэистрр 34 подключен к клемме 3G генератора 30. Сигнальная лампа 35 подключена параллельно резистору 34.

Измерительный блок 1 и управляющий блок 2 могут быть выполнены по одной из

стандартных схем. Блок 3 быстродействующей защиты может быть выполнен в простейшем варианте в виде варистора, сопротивление которого нелинейно зависит от приложенного напряжения. В этом варианте исполнения выводы варистора служат выводами 17 и 18 блока 3.

Другой вариант исполнения блока 3 быстродействующей защиты показан на фиг.4. В этом варианте блок 3 содержит источник

опорного напряжения 42, усилитель 43 рассогласования, аналого-цйфровой преобразователь (АЦП) 44, управляемый эквивалент нагрузки 45. Шины питания блоков 42, 43, 44 и 45 соединены и подключены к выводам

17 и 18 соответственно блока 3. Выход источника 42 опорного напряжения соединен с входом усилителя 43, выход которого подключен к входу АЦП 44. Выходы АЦП 44 (2°, 2 , ..., 2П) подключены к входам управляемого эквивалента нагрузки 45. Выход управляемого эквивалента нагрузки 45 служит выходом 19 блока 3.

Источник опорного нэпряжения442 может быть выполнен по одной из стандартных схем.

Усилитель 43 рассогласования содержит операционный усилитель 46 (фиг,4) и делитель напряжения 47. Делитель напряжения 47 подключен к шинам 17 и 18, выход

делителя напряжения 47 подключен к одному из входов операционного усилителя 46, второй вход которого служит входом усилителя 43 рассогласования, а выход усилителя 46 служит выходом усилителя 43.

Управляемый эквивалент нагрузки 45 может быть выполнен в виде цифроанало- гового преобразователя, содержащего .транзисторные ключи 48 по числу разрядов выходного кода АЦП (по числу выходов АЦП),

в цепь коллектора которых включены резисторы нагрузки 49. Вторые выводы резисторов 49 подключены к шине питания 17, эмиттеры транзисторов 48 подключены к шине питания 18. Базовые цепи транзисторов 48

0 служат входами управляемого эквивалента нагрузки 45.

Коллектор транзистора 48 последнего (2П) разряда может служить электрическим выходом 19 блока 3.

5Транзисторы 48 и резисторы 49 управляемого эквивалента нагрузки 45 могут быть установлены на теплопроподящей подложке 50. В этом варианте тепловой поток, образующийся вследствие нзгрееа элементов 49, 48, передается о теплопроводящую подложку 50 и может быть использован в качестве информационного сигнала для тепловой связи блока 3 с блоком А.

Для согласования цепей управления транзисторных ключей 48 с сигналами, поступающими на входы управляемого эквивалента нагрузки 45 с выходов АЦП 44, могут быть введены усилители 51, включенные между входом управляемого эквивалента нагрузки 45 и соответствующей базой транзистора 48.

Блок 3 быстродействующей защиты может быть выполнен также согласно фиг,5. В этом варианте исполнения блок 3 содержит последовательно включенные источник опорного напряжения 42, усилитель 43 рассогласования, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 52, управляемый эквивалент нагрузки 45.

Цепи питания блоков 42, 43, 45, 52 объединены и подключены к выводам 17 и 18 соответственно блока 3.

Управляемый эквивалент нагрузки 45 выполнен в виде транзисторного ключа 48, в цепь коллектора которого включен резистор 49, база транзистора 48 служит входом управляемого эквивалента нагрузки, а коллектор этого транзистора может быть использован в качестве электрического выхода блока 3.

Транзистор 48 и резистор 49 могут быть установлены на теплопровода щей подложке 50, которая используется в качестве выхода 19 блока 3 для тепловой связи блока 3 с инерционным блоком 4.

Инерционный блок 4 защиты может быть выполнен в виде биметаллического контакта, выводы которого служат силовыми выводами 20 и 21 блока 4. Конструктивно биметаллический контакт устанавливается на теплопроводящей подложке 50 блока 3 (см. фиг.4 или 5). При этом обеспечивается тепловая связь между выходом блока 3 и управляющим входом блока 4.

Блок 4 может быть выполнен также в виде позистора -терморезистора с положительным температурным коэффициентом и нелинейной характеристикой температура- сопротивление. Выводы позистора служат силовыми выводами 20, 21 блока 4, Конструктивно позистор должен иметьтепловую связь с блоком 3.

Блок 4 может быть выполнен также в виде реле, выводы обмотки которого служат управляющим входом блока 4 для электрической связи с выходом 19 блока 3, а выводы контакта реле служат силовыми выводами 20, 21 блока 4. В качестве реле может быть использовано стандартное реле с задержкой на срабатывание.

Регулятор напряжения работает следующим образом. При включении ключа зажигания 32 (см. фиг.1 и 3) напряжение от аккумуляторной батареи 31 поступает через 5 ключ 32, предохранитель 33, резистор 34 на контакт 7 регулятора напряжения.

По обмотке возбуждения генератора 30, подключенной к клеммам 38, 39 генератора и к клеммам 7,8 регулятора напряжения 29,

10 начинает протекать ток, что обеспечивает возбуждение генератора при его раскручивании двигателем транспортного средства. На выводах 36, 37 генератора 30 появляется напряжение (относительно вывода 40 0615 щий), которое поступает на клеммы 7 и 5 регулятора напряжения 29.

Измерительный блок 1 регулятора (см, фиг.1) сравнивает напряжение, поступающее с клемм 5 и б регулятора, с напряжени20 ем внутреннего опорного источника и вырабатывает на выходе 11 управляющий сигнал, воздействующий на управляющий блок 2 (на вход 14). Управляющий блок 2 изменяет ток в обмотке возбуждения гене25 ратора, подключенной к клеммам 7,8 регулятора, таким образом, чтобы напряжение на клеммах 5,6 (и в бортовой сети транспортного средства) поддерживалось равным номинальному значению. В этой части рабо0 та регулятора не отличается от известных ранее.схем.

При повышении напряжения на клеммах 5,6 регулятора напряжения выше предельно допустимого уровня (при номинальном напря5 жении 13,5 В предельно допустимое значение равно 16 В), блок 3 ограничивает напряжение в бортовой сети на уровне предельно допустимого значения путем включения эквивалента нагрузки, входящего в

0 состав блока 3.

В том случае, если повышение напряжения в бортовой сети носит характер импульсных кратковременных бросков напряжения, блок 3 ограничивает эти броски и не оказыва5 ет воздействия на инерционный блок 4 защиты.

В том случае, если повышение напряжения всети питания имеет длительный характер, связанный с отказом какого-либо 0 элемента п системе энергоснабжения, блок 3 быстродействующей защиты подключает эквивалент нагрузки к питающей сети на длительное время, ограничивая тем самым напряжение в сети питания. Стечением вре5 меии элементы, входящие в состав блока 3 (варистор, транзисторы, резисторы) начинают нагреваться из-за протекания по ним тока. Вследствие наличия тепловой связи выхода 19 блока 3 с управляющим входом 22 блока 4, происходит нагрев блока 4 (нагрев биметаллического контакта). Через некоторый Промежуток времени силовые выводы 20,21 блока 4 размыкаются, ток в обмотке возбуждения генератора прерыва- ется вследствие разрыва в цепи клеммы 8, к которой подключена обмотка возбуждения генератора, Тем самым защищается как сеть питания (вся аппаратура, подключенная к сети питания), так и элементы самого регулятора напряжения. После устранения неисправности биметаллический контакт, входящий в состав блока 4, остывает, силовые выводы 20, 21 замыкаются, работа системы энергоснабжения восстанавливается. При выполнении регулятора напряжения согласно фиг.2 он работает следующим образом. Так как входы 17 и 18 блока 3 подключены к сети питания - к клеммам 5 и 6 регулятора напряжения через двухполупе- риодный выпрямитель 24, то появление импульсных перенапряжений в сети питания положительной или отрицательной полярности вызывает срабатывание блока 3 и происходит ограничение импульсных перенапряжений любой полярности. В остальном работа регулятора не отличается от описанной выше.

При выполнении блока 3 согласно фиг.4 регулятор напряжения работает следующим образом.

При номинальном напряжении на входах 17, 18 блока 3 делитель напряжения 47 регулируют так, чтобы напряжение на выходе усилителя 46 было равно нулю. При этом на выходах АЦП 44 сигналы равны логическому О, транзисторы 48 управляемого эквивалента нагрузки закрыты. При повышении напряжения в сети питания выше напряжения опорного источника 42, напряжение на выходе усилителя 43 рассогласования становиться пропорциональным разности напряжений опорного источника и текущего значения напряжения питающей сети. Этот разностный сигнал преобразуется АЦП 44 в цифровой код, который поступает на входы управляемого эквивалента нагрузки 45. В зависимости от значения кода включаются соответствующие транзисторы 48 управляемого эквивалента нагрузки. Эти транзисторы подключают к сети питания резисторы 49, нагружая тем самым сеть питания. Увеличение тока нагрузки генератора приводит к пропорциональному снижению напряжения в сети питания. Если при этом напряжение питания снизится до допустимого значения, то эквивалент нагрузки 45 автоматически отключается вследствие уменьшения разностного сигнала на выходе усилителя 43. Одновременно с этим происходит процесс

уменьшения тока возбуждения генератора блоками 1 и 2 регулятора напряжения (см. фиг,1).

В том случае, если напряжение питающей сети по каким-либо причинам длительное время продолжает оставаться выше предельно допустимого значения (эквивалент нагрузки продолжает оставаться включенным), то резисторы 49 и транзисторы 48

начинают разогреваться. Теплопроводящая подложка 50 также разогревается и на выходе 19 блока 3 появляется информативный сигнал в виде теплового потока. Вследствие наличия тепловой связи между выходом 19

блока 3 и управляющим входом 22 блока 4, разогревается биметаллический контакт блока 4, который разрывает цепь 20, 21, разрывая тем самым цепь обмотки возбуждения генератора 30. Напряжение на выходе генератора 30 становиться равным нулю, а напряжение питания равно напряжению аккумуляторной батареи 31.

После охлаждения управляемого эквивалента нагрузки 45 за счет естественного

рассеивания тепла от его элементов в окружающую среду, информативный сигнал на выходе 19 блока 3 исчезает, биметаллический контакт блока 4 замыкается, подключая обмотку возбуждения генератора 30.

Далее процесс протекает как описано выше. При выполнении блока 3 согласно фиг.5 регулятор напряжения работает следующим образом. В случае превышения напряжением питающей сети предельно

допустимого значения на выходе усилителя 43 рассогласования появляется сигнал, пропорциональный разности напряжений сети питания и опорного источника 42. Этот разностный сигнал преобразуется .ШИМ 52 в

широтно-импульсный сигнал, длительность импульса которого пропорциональна упомянутой выше разности напряжений. Широтно-импульсный сигнал с выхода блока 52 поступает на вход управляемого эквивалента нагрузки 45, т.е. на базу транзистора 48. Транзистор 48 открывается на время длительности импульса и закрывается на время паузы широтно-импульсного сигнала. Чем больше разностный сигнал на выходе усилителя 43, тем больше среднее значение тока, протекающего через резистор 49 и транзистор 48, тем больше тепловая мощность, выделяемая резистором 49 и транзистором 48 в теплопроводящую подложку 50, которая

служит выходом 19 блока 3. Если перенапряжение в сети питания носит кратковременный импульсный характер, то перегрев элементов 48, 49 незначителен и сигнал на выходе 19 отсутствует или весьма мал. Этот сигнал не

вызывает срабатывания блока 4. При этом сеть питания защищается блоком 3.

Если же перенапряжение в сети питания носит характер длительного процесса, то элементы 48, 49 разогреваются, на выходе 19 появляется сигнал, которой передается на управляющий вход 22 блока 4. Это приводит к срабатыванию блока 4. размыканию цепи 20, 21 обмотки возбуждения генератора.

В варианте исполнения блока 4 в виде позистора появление на входе 22 блока 4 сигнала в виде теплового потока приводит к разогреву позистора. При достижении температурой позистора порогового значения сопротивление позистора резко увеличивается (на несколько порядков), то в цепи обмотки возбуждения генератора уменьшается, напряжение генератора падает.

В варианте исполнения блока 4 в виде реле с задержкой на срабатывание появление на выходе 19 блока 3 электрического сигнала, имеющего характер длительного процесса, приводит к срабатыванию реле и размыканию цепи обмотки возбуждения генератора.

Преимущество предложенного регулятора напряжения состоит в следующем. Напряжение в бортовой сети никогда не превышает предельно допустимого уровня, установленного при настройке регулятора. При наличии импульсных случайных перенапряжений они ограничиваются блоком быстродействующей защиты, а длительные перенапряжения, вызванные отказом любого устройства, входящего в состав системы энергоснабжения, приводят к срабатыванию-инерционного блока защиты. Регулятор напряжения защищает не только узлы, входящие в его состав, но и все электрооборудование, подключенное к сети питания.

Выполнение регулятора напряжения согласно фиг. 1 и 4 (или фиг.5) обеспечивает поддержание напряжения в сети питания в пределах допустимого значения независимо от величины возмущающего воздействия.

Вариант выполнения регулятора согласно фиг,2 обеспечивает защиту от выбросов напряжения любой полярности.

Выполнение инерционного блока защиты в виде биметаллического контакта или позистора, имеющих тепловую связь с блоком быстродействующей защиты, исключает выход из строя элементов блока быстродействующей защиты, так кактемпе- ратура этих элементов является информативным параметром для срабатывания инерционного блока защиты.

Формула изобретения

1. Регулятор напряжения, содержащий

измерительный блок, подключенный вхо дом к шинам питания, управляющий блок,

5 вход которого соединен с выходом измерительного блока, а выход - с клеммами, предназначенными для подключения обмотки возбуждения генер атора, блок быстродействующей защиты, отличающийся тем,

0 что, с целью повышения надежности работы и расширения функциональных возможностей, он снабжен инерционным блоком защиты, включенным силовыми выводами выходом управляющего блока

5 и одной из клемм, предназначенных для подключения обмотки возбуждения генератора, блок быстродействующей защиты подключен входом к шинам питания, а его выход имеет электрическую или тепловую

0 связь с управляющим входом инерционного блока защиты.

2. Регулятор по п.1,отличающийся тем, что он снабжен двухполупериодным выпрямителем, включенным между шинами 5 питания и входом блока быстродействующей защиты.

3. Регулятор по пп. 1 и2,отличаю- щ и и с я тем, что блок быстродействующей защиты выполнен в виде последовательно

0 включенных источника опорного напряжения, усилителя рассогласования, аналого- цифрового преобразователя и управляемого эквивалента нагрузки, цепи питания которых объединены и служат входом блока быстро5 действующей защиты, а выход управляемого эквивалента нагрузки служит выходом блока быстродействующей защиты.

4. Регулятор по пп. 1 и 2, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что блок быстродействующей

0 защиты выполнен в виде последовательно включенных источника опорного напряжения, усилителя рассогласования, широтно- импульсного модулятора и управляемого эквивалента нагрузки, цепи питания которых

5 объединены и служат входом блока быстродействующей защиты, а выход управляемого эквивалента нагрузки служит выходом блока быстродействующей защиты.

5. Регулятор по пп.1 и 2, о т л и ч а ю- 0 щийся тем, что инерционный блок защиты выполнен в виде биметаллического контакта, выводы которого служат силовыми выводами инерционного блока защиты(элементы быстродействующего блока защиты уста- 5 новлены на теплопроводящей подложке, имеющей тепловой контакт с биметаллическим контактом и выполняющей функции тепловой связи выхода блока быстродействующей защиты с управляющим входом инерционного блока защиты.

6. Регулятор по пп. 1 .отличающийся тем, что инерционный блок защиты выполнен в виде позистора, выводы которого служат силовыми выводами инерционного блока защиты, а элементы быстродействующего блока защиты расположены на тепло- проводящей подложке, имеющей тепловой контакт с позистором и выполняющей функции тепловой связи выхода блока быстродействующей защиты с управляющим входом инерционного блока защиты.

7. Регулятор по пп. 1 и 2, отличающий с я тем, что инерционный блок защиты выполнен в виде реле с задержкой на срабатывание, выводы обмотки реле служат управляющим входом инерционного бло а защиты, выводы контактов реле служат силовыми выводами инерционного блока защиты.

Использование; в электроснабжении, в регуляторах напряжения, используемых в транспортных средствах. Сущность: параллельно питающей сети подключена быстродействующая защита, выход которой, представляющий собой электрический сигнал или тепловую связь элементов защиты степлопроводящей подложкой, воздействует на инерционную защиту, реагирующую на тепловой сигнал, которая размыкает обмотку возбуждения генератора, предохраняя от длительных перенапряжений как регулятор напряжения, так и другие устройства, имеющие связь с сетью питания. От импульсных перенапряжений защищает быстродействующая защита. 6 з.п. ф-лы, 5 ил.

Фи8Л

Фие.2

фиг. 5