Способ защиты от перегрузок и коротких замыканий стабилизированного источника питания

 

Использование: в устройствах защиты стабилизированных источников электропитания от перегрузок и коротких замыканий. Сущность изобретения: устройство, реализующее предложенный способ, содержит блок 1 регулирования, ключевой элемент 2, диод 3, дроссель 4, конденсатор 5, селектор 6 импульсов, узел 7 совпадения, времязадающую цепь 8, блок 9 управления, сумматор 10, элемент ИЛИ 11, модель 12 источника питания, узел 13 сравнения. Изобретение позволяет повысить быстродействие защиты стабилизированного источника питания при аварийных режимах за счет уменьшения времени обнаружения аварийного режима. При перегрузке напряжение на выходе модели 12 источника питания отличается от эталонного значения. Длительность формируемых импульсов управления ключевым элементом 2 в этом случае прямо пропорциональна разностному сигналу, получаемому в результате сравнения напряжения на выходе модели 12, измеряемого в ускоренном масштабе времени, и эталонного напряжения. 2 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам защиты стабилизированных источников электропитания от перегрузки и коротких замыканий.

Надежность и долговечность радиоэлектронной аппаратуры во многом обусловлены схемой защиты источников электропитания. Традиционные принципы построения схемы защиты на дискретных элементах не приемлемы для ответственных потребителей, например ЭВМ на интегральных схемах.

Это объясняется тем, что дискретные элементы более устойчивы к перегрузкам и менее чувствительны к перенапряжениям.

Известен способ защиты импульсных вторичных источников электропитания. Сущность известного способа заключается в том, что для защиты устройства от перегрузок используется ограничитель тока, воздействующий на схему управления вторичного источника электропитания. Выходной сигнал ограничителя тока, воздействуя на схему управления, изменяет соответствующим образом скважность управляющих импульсов, ограничивая ток ключевого элемента на определенном уровне.

Система защиты стабилизированного источника электропитания должна решать следующие задачи: обнаружение и селективное отключение поврежденного источника при сохранении качества электрической энергии в пределах установленных норм; обеспечение заданного времени работы источников при коротких замыканиях в нагрузке для возможной самоликвидации причин аварии, обеспечение заданного времени отключения поврежденного источника электропитания в пределах допустимого перерыва электроснабжения потребителя; отключение поврежденного источника электропитания от электросети за время, обеспечивающее сохранение его работоспособности после ликвидации повреждения, приведшего к отключению.

При выбранных значениях уставок системы защиты должны обеспечивать полное время отключения стабилизированного источника электропитания, включающее в себя время обнаружения аварии Δ t_обн. и собственное время отключения ключевого элемента Δ t_откл. но не более допустимого времени перерыва электропитания Δ t_доп., т.е. должно выполняться следующее условие: Δ t_обн ≅ Δ t_доп. Δ t_откл. Повышение быстродействия защиты обеспечивается за счет уменьшения времени обнаружения аварийного режима.

Наиболее близким к предложенному способу и выбранным за прототип является способ защиты от перегрузок и коротких замыканий стабилизированного источника питания, заключающийся в том, что измеряют выходное напряжение, суммируют его с опорным напряжением и формируют импульсы управления ключевым элементом, длительность которых прямо пропорциональна результату суммирования.

Основным недостатком этого способа является малое быстродействие защиты.

Технической задачей, решаемой предложенным способом, является уменьшение времени обнаружения аварийного режима и повышение быстродействия защиты стабилизированных источников питания при аварийных режимах.

Данная задача решается за счет того, что в стабилизированном источнике питания, выполненном на основе ключевого элемента и LCD-фильтра, измеряют напряжение на дросселе LCD-фильтра, измеряют выходное напряжение, суммируют его с опорным напряжением и формируют импульсы управления ключевым элементом, длительность которых прямо пропорциональна результату суммирования и обратно пропорциональна напряжению на дросселе LCD-фильтра, дополнительно измеряют в ускоренном масштабе времени напряжение на выходе модели стабилизированного источника питания, выполненной в виде RLC-цепи, сравнивают его с эталонным значением и формируют импульсы управления ключевым элементом, длительность которых прямо пропорциональна или результату суммирования выходного напряжения с опорным или разностному сигналу.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет определить реакцию стабилизированного источника питания на короткое замыкание в ускоренном масштабе времени за счет использования физической модели стабилизированного источника питания, рассчитанной согласно π-теории подобия, и определить установившееся значение контролируемой величины до начала реального процесса в источнике.

На фиг.1 изображена функциональная схема устройства, реализующего данный способ; на фиг.2 приведена модель источника питания.

Устройство, реализующее способ, содержит блок 1 регулирования, ключевой элемент 2, диод 3, дроссель 4, конденсатор 5, селектор 6 импульсов, узел 7 совпадения, времязадающую цепь 8, блок 9 управления, сумматор 10, элемент ИЛИ 11, модель 12 источника питания, узел 13 сравнения.

Блок 1 регулирования состоит из ключевого элемента 2, вход которого подключен к входному источнику E_вх, а выход к LCD-фильтру, состоящему из диода 3, дросселя 4 и конденсатора 5. Селектор 6 состоит из узла 7 совпадения и времязадающей цепи 8, выполненной, например, в виде одновибратора, причем выход узла 7 совпадения подключен к управляющему входу ключевого элемента 2, первый вод к диоду 3 фильтра, второй вход к выходу блока 9 управления, третий вход к выходу времязадающей цепи 8. Входы времязадающей цепи 8 соединены с выводами дросселя 4 и с выходом элемента ИЛИ 11. Входы сумматора 10 подсоединены к выходу блока 1 регулирования и первому источнику опорного напряжения U_оп1. Выход сумматора 10 подсоединен к первому входу элемента ИЛИ 11. Вход модели 12 источника питания подключен параллельно диоду 3 LCD-фильтра, выход модели 12 источника питания к первому входу узла 13 сравнения, к второму входу узла 13 сравнения подключен второй источник опорного напряжения U_оп2.

Стабилизированный источник питания работает следующим образом.

При коротком замыкании стабилизированного источника питания в реальном устройстве и в модели 12 источника питания будут протекать переходные процессы. Параметры модели 12 источника питания рассчитаны на основе π-теоремы подобия таким образом, чтобы переходный процесс в ней происходил в ускоренном масштабе времени. Напряжение на выходе модели 12 стабилизированного источника сравнивается в узле 13 сравнения с эталонным значением, сигнал рассогласования через элемент ИЛИ 11 воздействует на вpемязадающую цепь 8, изменяя длительность импульсов ограничения времязадающей цепи 8 и в зависимости от этого в узле 7 совпадения формируется импульс управления ключевым элементом 2.

Проведен анализ преимущества предлагаемого способа на примере расчета объекта, поведение которого с достаточной точностью описывается дифференциальным уравнением второго порядка a₂d²y/dt² + a₁dy/dt + a_oy x В качестве модели 12 источника питания используем изображенную на фиг.2 электрическую цепь, которой соответствует дифференциальное уравнение LCd²U₂/dt_м² + RCd U₂/dt_м + U₂ U₁
На основании π-теоремы подобия запишем критерии подобия для объекта и его модели.

π_1a= · π_2a= · ;
π_oa= (1)
Введем масштабы для сходных параметров U₁ m_x ˙ X; U₂ m_y ˙ y, t_м= m_t˙ t. Тогда из (1) имеем, что
RC · m_t; LC · m²_t; m_y a_o· m_x (2) Первые два уравнения (2) позволяют определить параметры электрической цепи (R,L,C), причем один из них может быть выбран произвольно. Если таким параметром является С, то остальные вычисляются по формулам
R · L · (3)
Третье уравнение (2) дает связь между масштабами входной и выходной величин модели.

Пусть a_o a₂ 2; a₁ 5. Если выбрать m_t 0,01, то переходные процессы в модели будут протекать в 100 раз быстрее, чем в оригинале. Кроме того, примем m_x 0,5 и С 10^-4 Φ, тогда остальные неизвестные определяются выражениями (2) и (3),
R · 250 Ом; L · 1Г; m_y= 2·0,5 1 При единичном ступенчатом воздействии и нулевых начальных условиях переходный процесс на выходе объекта и его модели описывается соответственно выражением
y(t) e^-0,5t+ e^-2t+0,5; (4)
u₂(t) e^-50t+ e^-200t+0,5. (5)
Из (4) и (5) видно, что значения напряжения на выходе объекта и модели равны в сходные моменты времени, т.е. y(t) U₂(0,01 t). Переходный процесс в модели практически достигает установившегося значения при t 0,1, в то время как для оригинала момент t 0,1 является началом переходного процесса.

Таким образом, технический результат предлагаемого способа заключается в повышении быстродействия защиты при аварийных режимах за счет уменьшения времени обнаружения аварийного режима.

Формула изобретения

СПОСОБ ЗАЩИТЫ ОТ ПЕРЕГРУЗОК И КОРОТКИХ ЗАМЫКАНИЙ СТАБИЛИЗИРОВАННОГО ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ, выполненного на основе ключевого элемента и LCD-фильтра, заключающийся в том, что измеряют напряжение на дросселе LCD-фильтра, измеряют выходное напряжение, суммируют его с опорным напряжением и формируют импульсы управления ключевым элементом, длительность которых прямо пропорциональна результату суммирования и обратно пропорциональна напряжению на дросселе LCD-фильтра, отличающийся тем, что дополнительно измеряют напряжение на выходе модели стабилизированного источника питания, выполненной в виде RLC-цепи, в ускоренном масштабе времени, сравнивают его с эталонным значением, получают разностный сигнал в результате сравнения и формируют импульсы управления ключевым элементом, длительность которых прямо пропорциональна или результату суммирования выходного напряжения с опорным, или разностному сигналу.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2