Стабилизированный источник разнополярного постоянного напряжения с защитой от токовых перегрузок Советский патент 1982 года по МПК G05F1/58 

метричнрм преде гаьном режиме. При несимметричном увеличении потребпения в нагрузке (перегрузка только в одном пле че) дпя вкточения испопнитепьного транзнстч ра требуется наличие предельного тока в два раза превышающего преде пы ный ток при симметричной перегрузке (тик как сумматор осуществляет арифмел тическое сложение напряжений нЬ двух резистивных датчиках тока). Это приводит к большому разбросу порогов срабатывания ограничитегаьной защиты в зависимости от условий перегрузки и повышения балласной мощности, выделяющейся на регулирующем транзисторе стабили затора, оказавщегося в несимметричном предельном режиме (примерно в два раза больщей, чем при симметричном предельном режиме, что снижает надежность источника). Наличие резистивных датчиков тока обусловливает низкий КПД стабилизатора из-за баластного падения напряжения в силовых шинах, причем при несимметричной перегрузке КПД стабилизатора снижается еще больще (т.е. появляется возможность протекания в каком-либо из плеч выходного тока, превышающего предельный, но еще не достаточ ного для включения исполнительного тран зистора при несимметричной перегрузке), Наличие гальванической связи вь&одных и входных зажимов стабилизаторов в известном источнике позволяет осуществлять суммирование сигналов, пропорциональных токам, снимаемых с резистивных датчиков тока, но ограничивает область применения данной защиты только в источниках с зеркально-симметричными ста билизаторами. В источниках разнопопярного напряжения с одинаковыми стабилизаторами применение такой защиты невоз можно, так как отсутствует гальваническая связь между входными зажимами стабилизаторов. Недостатками известного стабилизированного источника разнополярного постоянного напряжения с защитой от токовых перегрузок являются низкая надежность/ низкий КПД и ограниченная область применения, Целью изобретения является повышение наделшости, коэффициента полезного Действия и расширение области применения. Поставленная цель Достигается тем, что в стабилизированном источнике разно полярного постоянного напряжения с запштой от токовых перегрузок измерители выполнены один в виде измерителя модуля разностного тока, а другой - в виде измерителя суммы абсолютных значений , выходных токов, при этом датчики измерителей включеньг в соответствующие силовые шины, а усилители выполнены в виДе усилителей-ампшхгудных детекторов и входами подключены к датчикам тока, а выходами - к входам сумматора. Кроме того, в узел защиты введен генератор переменного напряжения, а дат чики тока в нем выполнены в виде магнитных модуляторов, при этом возбуждающие обмотки модуляторов подключены к генератору, измерительные - к входам соответствующих усилителей, а сигнальные - выполнены в виде участков силовых шин источника, пропущенных через отверстия магнитопроводов магнитных модуляторов. На фиг. 1 представлена функциональная схема стабилизированного источника разнополярного постоянного напряжения с защитой от токовых перегрузок; на фиг. 2 - функциональная схема датчика тока. Устройство содержит два стабилизатора 1 и 2, состоящих из последовательно включенных регулирующих элементовтранзисторов 3 и 4 и усилителей постоянного тока 5 и 6 соответственно в це-. пях отрицательной обратной связи. Вход усилителя 5 подключен к источнику 7 опорного напряжения, а вход усилителя 6 через резистивный делитель (состоящий из резисторов 8 и 9) подключен к выходlibiM зажимам источника. При этом стабилизаторы 1 и 2 могут быть выполнены также по зеркально-симметричной схеме, в этом случае один из входов усилителя 6 через делитепь 8 и 9 должен быть подключен к опорному источнику 7, а второй вход - к обшей шине источника. Датчики тока 10 и 11 включены последовательно в выходные силовые щины источника. Датчик Ю включен в общую выходную шину 12, а Датчик 11 - в разнополярные шины 13 и 14. Генератор 15 переменного напряжения подключен к зажимам обмоток возбуждения датчиков 1О и 11 тока. Выходные зажимы датчиков 10 и 11 тока подключены соответственно к входам вспомогательных усилителей 16 и 17, выходы которых соединены с сумматором 18. Питание генератора 15, усилителей 16 и 17 и сумматора-18 осуществляется, например со стороны входных зажимов стабилизатора 1, Выход сумматора 18 подключен к входу исполнительного элемента 19 (например, тирисгора) в зависимости от разновидности применяемого исполнитепьного откшочаюшего элемента 19 может бы1Ъ введен дополнительно исполнительный элемент 20 в стабт1лиааторе 2, например контакты реле, оптронный элемент, дополнительный тиристор и т.п.

Датчик 10 (или 11) тока (фиг. 2) выполнен на .двух соосно расположенных тороидальных магнитопроводах 21 и 22 с равными и встречно включенными об.мбтками 23 и 24 возбуждения. Обмотки 23 и 24 поцключены к генератору 15 переменного напряжения. Выходная вторичная обмотка 25, общая для магнитопроводов 21 и 22, подключена к входу вспомогательного усилителя 16 (или 17).

Датчик 1О тока (см. фиг, 1) надет на общую выходную шину 12 стабилизаторов 1 и 2, и датчик 11 тока надет на Две, встречно расположенные, выходные щины 13 и 14 стабилизаторов 1 и 2, При этом возможен второй вариант расположения датчика 10 тока, при которсш датчик Ю надет на две, согласно расположе иные выходные щины 13 и 14 стабилизаторов 1 и 2 (однако этОт вариант менее предпочтитепен, так как увеличивает взаимовлияние датчиков 10 и 11 тока за счет индукционных и емкостных наводок,.

На фяг, 1 обозначены D - ток стабилизатора 1 в шине 13, 3 - ток стабилизатора 2 в щине 14, ток в об1цей шине 12, характеризующий асимметрию режима работы источника и определяемый в соответствии с законом Кирхгофа.

Стабилизированный источник разнополярного постоянного напряжения работает следующим образом.

Компенсационные стабилизаторы 1 и 2 постоянного напряжения при подключении входными зажимами к питающей сети (например, к выпрямителям), а выходными зажимами - к потребителю, поддерживают на выходных, зажимах источника постоянные разнополярные напряжения, величина которых определяется напряжением опорного источника 7 и соотношением плеч 8 и 9 резистивного Делителя. Эти напряжения могут быть в частном случае и симметричными. Генератор 15 переменного напряжения создает в обмотках 23 и 24 возбуждения магнитопроводов 21 и 22 датчиков 10 и 11 тока(фиг. 2)

ток высокой частоты (например, 10100 кГц), вызывающий перемагничивание магнитопроводов 21 и 22 по предельному гистервзисному с заходов в 68 ласть насыщения. Протекающие токов Ьх, и Л потребляемых нагрузкой от стабилизаторов 1 а 2 по выходпым щинам 12-14 источника, на которые надеты датчики 10 и 11 тока (фиг. 1) создает в Ъбласти расположенная магнитопроводов 21 и 22 постоянное магнитное попе. В магнитопроводах 21 и 22 (фиг, 2) происходит суперпозиция двух магнитных | полей :адного переменного магнитного поля возбуждения и другого постоянного магнитного поля выходных токов. Это приводит к появлению в выходной обмотке 25 магнитопроводов 21 и 22,обпадающих нелинейной кривой намагничивания, четногармонического сигнала, например, с удвоенной частотой генератора 15, прямо пропорционального вегшчине магнитного поля тока, протекающего по выходной щине источника, на которую надет датчик (10 или 11) тока. Обмотки 23 . и 24 возбуждения равные и встречновключенные, поэтому сигнал возбуждения магнитопроводов 21. н 22 в. обмотку 5 не Попадает. В усилителях 16 и 17 происходит Детектирование и усиление чет- негармонического сигнала. При этом в усилителе 16 осуществляется амплитуДг нее Детектирование выходного сигнала датчика 10 тока, надетого на общую выходную щину 12 источника. Поэтому независимо оТ направления разностного тока в щине 12 выходной сигнал усилителя 16 всегда будет одной и той же полярности, т.е. будет зависеть только от величины тока в щине 12, независимо от его направпе ния. В отличие от разного направления тока В щине 12 источника, в шинах 13 и 14 всегда протекают токи Э w. одного и того же направления (в соответстг ВИИ с полярностью выходных зажимов) независимо от режима работы источника Например, всегда сохраняется обозначенное (фиг. 1) направление выходных токов в щинах 13 и Г4, а в щине 12 направление разностного .Тока (Э -Э ) бу- дет зависеть or соотношения потреблений в плечах источника, т.е. от величин токов 3 и 3.,Выходной сигнал усилителя 17 также имеет одну и ту же по.лярность и по величине пропорционален сумме величин токов П и D« в щинах 13 и 14, . т.е. сумме амппнтуд этих токов, так как датчик 11 тока, нагруженный на вход уСнлнтепя 17, надет на встречно-расположенные шины 13 и 14, направление токов в которых не меняется. В соответствии с этим, на один вход сумматора 18 по-. дается напряжение, пропорциональное разности выходных токов стабилизаторов 1 н 2 {с усилителя 16), а на второй Bxcfl-i напряжение, пропорциональное сумме амппитуд этих же токов. Коэффициенты усиления усилителей 16 и 17, равны, П0( этому напряжение на выходе сумматора 18 пропорционально сумме амппитуд то ков в выходных шинах 12-14, т.е. u K-(l3il l ai-l r al) . где (J выходное напряжение сумматора 18} К - коэффициент пропорциональности, определяемый чувствительноетью датчиков тока и коэффици ентами усиления усилителей 16: 18 (В/А). Из соотношения (1) видно, что при шобых условиях выходное напряжение сумг. матора 18 пропорционально удвоенному значению большего тока, т.е. независимо от асимметрии режим,а- потребления выход ное напряжение сумматора 18 определи-. ется током того стабилизатора (1 или 2) который ближе к критическому режиму. В частном случае, если потребление симметричное, то токи 3 и 3 стабилизаторов 1 и 2 равны, ток в общей щине 12 отсутствует, а выходное напряжение сумМатора 18 по-прежнему пропорционально удвоенному значению выходного тока, т.е. той же самой степени приближения выходных токов к критическому режиму. Пусть 3 кр предельный рабочий ток стабилизаторов 1 и 2, который допустим для нормальной работы, а выше которого необходимо включение защиты. ПРИ любых условиях (формула i( . 3 3 , 3 0, и т.п.) когда только любой ток ( D , J 2. оба вместе) достигают критического значения, выходное напряжение сумматора 18 всегда будет одним и тем же, т.е будет равно K-(I/JKP/)(2) Достижение условия (2), так же как и условия (1), обеспечивается амплитудным детектированием в усилителях 16 и 17, а также встречным расположением выход ных шин 13 и 14 внутри магнитопрово.дов 21 и 22 в датчике 11 тока. При нормальной величине выходного тока лю бого из стабилизаторов 1 и 2, независимо от асимметрии потребления нагрузкой величина выходного напряжения суммато9688 ра 18 недостаточна для запуска исполнительного элемента 19. При возникнрвении условия перегрузки по току в нагрузке какого-либо из плеч источника (или в обоих плечах одновременно), начинает возрастать выходНой ток источника. Достижение какимлибо из токов стабилизаторов 1 и 2 критического значения (или обоими-вместе), приводит к появлению на выходе сумматора 18 напряжения, достаточного дгш вкшочения исполнительного элемента 19. Пороговое значение включающего напря- хадния исполнительного элемента 19 установпено в соответствии с критическим значением выходного напряжения сумматора 18, т,е. в соответствии с условием (2). Вкшочение исполнительного элемента 19 (или 20) прекращает подачу питания на выходные зажимы источника. При включении исполнительного элемента 19 (например, тиристора) паралпепьно источнику 7 опорного напряжения (как в известном) второго исполнительного элемента 20 не требуется. При Дополнительных требованиях к защите (например, при питании усилителей 5 и 6 со стороны входных или выходных зажимов стабилизаторов 1 и 2) возможно подключение исполнительного элемента 20 в стабилизаторе 2. В этом случае исполнительные элементы 19 и 20 целесообразно подключать к управляющим входам соответствующих регулирующих транзисторов 3 и 4. Пример KoiiKpeTHoro выполнения технического рещения представлен на фиг. 1, с применением стабилизаторов 1 и 2, выполненных по одинаковой схеме, с целью повышения унификации узлов источника. Не представгшет принципиального разли-, чия применение стабилизаторов 1 и 2, выполненных по зеркально-симметричной схеме (на регулирующих транзисторах 3 и 4 противоположного типа проводимос гальванической связью входных за кимов стабилизаторов 1 и 2). В этом случае происходит лишь незначительное перераспределение в подключении входных зажимов усилителя 6. Общим.условием стабилизированного источника разнополярного постоянного напряхчения является наличие трех выходных зажимов, что вполне Достаточно для подключения датчиков 10 и 11 тока Q цепью соблюдения выполнения соотношений (1) и (2) при пюбых схемах стабилизаторов 1 и 2, Гальваническая развязка датчиков Ю и 11 тока от выходных шин 12-14 истошика позволяет применять предлагаемое устройство при любых значениях выходного напряжения источника, в том чис ле и в высоковольтных блоках питания, Датчик1 10 и 11 тока не потребляют энергии от протекающего по шинам 12- 14 источника выходного (6), (7) постоянного трка. При токе стабилизаторов 1 и 2, например 100-200 мА, напряжение в обмотке 25 четногармонического сиг нала составляет 0,25-0,5 В, что пример но в 10 раз превышает уровень емкостных и нескомпенсированных наводок генератора. 15 в диапазоне частот 1ОО Гц 1ОО кГц. При этом потребляемая мощность от генератора 15 составляет около 30-50 мВт. Учет тока в общей i;iHHe 12 источника (при помощи датчика Ю тока и усилителя 16) позволяет вводить автоматическую поправку в сумматор 18, исключающую влияние несимметричного режима по требления в нагрузке источника. Для это же цели возможно подключение датчика 10 тока к параллельно расположенным выходным шинам 13 и 14, т,е, второй вариант подключения датчика 10 тока. Этот вариант менее предпочтителен из-за возрастания уровня нескомпенсированньтх помех, обусловленных сильным вза- имным влиянием обоих датчиков тока, на;детых на одни и те же выходные шины ., 14, и менее удобен при использовании предлагаемого устройства в слаботочных питающих установках, например- в высоковольтных. При больших значениях допустимых токов источников (второй вариант),требуя значительно большей дли ны сильноточных выходных шин 13 и 14 для пропускания их в различных направлениях через магнитопроврды 21 и 22 последовательно через датчики 10 и 11 тока, также оказывается меНее предпочти телен из-за увеличения потерь в выходных шинах 13 и 14. Таким обрезом, исключение падения : напряжения на датчиках 1О и 11 тока, включенных последовательно в силовые шины 12-14 источника, суммирование «сигналов в сумматоре 18, пропорциона ль ных выходным токам источника во всех трех шинах 12-14 с учетом несимметрии нагрузок стабилизаторов 1 и 2, гальваническая развязка .датчиков 1О и 11 тока от силовых шин 12-14 и обеспечение подключения датчиков 10 и 11 гока к выходным шинам 12-14 источни- ка независимо от стабилизаторов 1 и 2, позволяют в предлагаемом стабилизированном источнике раанополярного постоянного напряжения повысить КПД,надежность и расширить область возможного применения. Формула изобретения. 1, Стабилизированный источник разнополярного постоянного напряжения с аащитой от токовых перегрузок, содержащий Два стабилизатора с последовательными регулирующими элементами и узел защиты, состоящий из измерителей выходных токов с соответствующими датчиками и усилителями, подключенными через сумматор к исполнительным элементам защиты, о тличающййся тем, что, с целью повышения надежности, измерители выполнены один в виде измерителя модуля разностного тока, а другой в виде измерителя суммы абсолютных значений выходных токов, при этом датчики измерителей включены в соответствующие силовые шины, а усилители выполнены в виде уситшзгелей-амплатудных детекторов и входами подключены к датчикам тока, а выходами - к входам сумматбра. 2, Стабилизированный источник по n.i, о т л и ч а ю ш и и с; я тем, что, с це- лью повышения КПД и расширения области применения, в узел зашиты введен генератор переменного напряжения, а. датчики тока в нем выполнены в виде :магнитных модуляторов, при этом возбужда- юшие обмотки модуляторов подключены к генератору, измерительные - к входам соответствующих усилителей, а сигнальные - выполнены в виде участков сило вых шинисточника,, пропушенных через отверстия магнитопроводов магнитных модуляторов. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство CCQP N9 721810, кл, Q 05 F 1/58, 1977. 2.Патент Великобритании i 2OO0340i кл, G 05 F 1/58, 1979, 3.Заявка Японии № 54-32484, кл, 05 F 1/58, 1979. / 5