Стабилизатор постоянного тока

 

Использование: в стабилизированных источниках тока. Сущность изобретения: устройство содержит силовой регулятор 1, датчик 2 тока, дроссель 3, согласующе-усилительный блок 4, измерительный шунт 5, силовой регулируемый элемент 6, измерительно-усилительный блок 8, источник 9 опорного сигнала, регулируемый элемент 10, согласующий блок 11, блок 12 сравнения напряжений, источник 13 опорного напряжения, аналоговый перемножитель 14, ограничитель 15 и делитель 16 напряжения. Устройство обладает высокой надежностью. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к стабилизированным источникам тока.

Известен стабилизатор постоянного тока [1] Известное устройство содержит силовой регулятор, датчик тока, силовой регулируемый элемент постоянного тока, первый и второй измерительно-усилительные блоки, первый и второй выходные выводы силового регулятора соответственно через силовой регулируемый элемент постоянного тока и датчик тока подключены к первому и второму выводам для подключения нагрузки, к силовым выводам силового регулируемого элемента постоянного тока подключен также вход первого измерительно-усилительного блока, выход которого соединен с управляющим входом силового регулятора, управляющий вход силового регулируемого элемента постоянного тока подключен к выходу второго измерительно-усилительного блока, вход которого подключен к выходу датчика тока.

Основной недостаток известного устройства состоит в следующем. Через силовой регулируемый элемент постоянного тока протекает полный ток нагрузки стабилизатора. В стабилизаторах больших токов (сотни тысячи ампер) силовой регулируемый элемент выполняется на основе параллельного соединения большого количества (сотни тысячи штук) приборов (например, транзисторов). Этим обуславливается низкая технологичность подобных стабилизаторов, низкая их надежность и другие недостатки.

Известен стабилизатор постоянного тока [2] Известное устройство, являющееся наиболее близким по технической сущности к настоящему изобретению, содержит силовой регулятор, датчик тока, силовой регулируемый элемент, вход которого подключен к выходу согласующе-усилительного блока, и дроссель, при этом первый вывод для подключения нагрузки соединен непосредственно с первым выводом силового регулируемого элемента, а через дроссель с первым выходным выводом силового регулятора, второй выходной вывод которого соединен с общей шиной, к которой через датчик тока подсоединен второй вывод для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного сигнала и выходом датчика тока.

Основной недостаток прототипа проявляется в стабилизаторах больших токов относительно низкого напряжения, работающих в режиме глубокого регулирования тока нагрузки (например, в диапазоне от 0,1 номинального значения тока нагрузки до номинального значения), и заключается в снижении надежности силового регулируемого элемента. Объясняется это следующими обстоятельствами. Обычно в таких стабилизаторах в качестве силового регулятора используется тиристорный выпрямитель с фазовым управлением, а в качестве силового регулируемого элемента транзисторный регулируемый элемент, выполненный на основе параллельного соединения относительно большого количества силовых транзисторов. Мощность потерь в силовом регулируемом элементе сильно изменяется в диапазоне регулирования тока стабилизатора. В какой-то точке диапазона регулирования пиковая и средняя мощности потерь в силовом регулируемом элементе будут иметь максимальные значения. По этим максимальным значениям пиковой и средней мощностей потерь с некоторым запасом и выбирается установочная мощность сборки силовых транзисторов, образующих силовой регулируемый элемент.

Увеличивать установочную мощность силового регулируемого элемента сверх указанных максимальных значений мощностей потерь из расчета на какие-то аварийные режимы нецелесообразно, так как это приведет к существенному увеличению числа параллельно работающих транзисторов, что, в свою очередь, ведет к снижению надежности.

С другой стороны, этот рациональный выбор установочной мощности силового регулируемого элемента содержит определенный технический риск: при увеличении амплитуды пульсаций напряжения на выходе силового регулятора в верхней части диапазона регулирования адекватно возрастет и амплитуда импульсов тока через силовой регулируемый элемент, мощность потерь в котором в этих условиях превысит допустимую, что приведет к тепловому пробою транзисторов силового регулируемого элемента, т.е. к выходу из строя устройства. А указанное увеличение амплитуды пульсаций возможно, например, при пропуске фазы, вызванном сбоями в системе импульсно-фазового управления тиристорым выпрямителем или вследствие других причин (чтобы нагляднее представить себе эту проблему, допустим, что шестифазный управляемый выпрямитель в результате неисправности или сбоев в какой-то момент перешел в режим трехфазного выпрямления, вследствие этого произошло резкое увеличение уровня пульсаций и возможна перегрузка силового управляемого элемента). Поэтому можно считать, что снижение надежности прототипа в указанных условиях имеет место.

Существенное повышение надежности устройства достигается тем, что в стабилизатор постоянного тока, содержащий силовой регулятор, датчик тока, силовой регулируемый элемент, вход которого подключен к выходу согласующе-усилительного блока, и дроссель, при этом первый вывод для подключения нагрузки соединен непосредственно с первым выводом силового регулируемого элемента, а через дроссель с первым выводом силового регулируемого элемента, а через дроссель с первым выходным выводом силового регулятора, второй выходной вывод которого соединен с общей шиной, к которой через датчик тока подсоединен второй зажим для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного сигнала и выходом датчика тока, введены регулируемый элемент, включенный между общей шиной и управляющим входом силового регулируемого элемента, общий вывод согласующе-усилительного блока подключен к общей шине, а вход к первому выводу для подключения нагрузки, блок сравнения напряжений, источник опорного напряжения, согласующий блок, делитель напряжения, ограничитель напряжения, аналоговый перемножитель, первый и второй входы которого подключены соответственно через делитель напряжения к первому и второму выводам силового регулируемого элемента, причем второй вывод последнего через введенный измерительный шунт соединен с общей шиной, к которой подключены общие выводы делителя напряжения, ограничителя напряжения, аналогового перемножителя, блока сравнения напряжений и согласующего блока, выход которого подключен к входу регулируемого элемента, а вход к выходу блока сравнения напряжений, входы которого соединены соответственно с источником опорного напряжения и выходом аналогового перемножителя.

Существенными отличительными признаками, достаточными для достижения технического результата, являются: регулируемый элемент, блок сравнения напряжений, источник опорного напряжения, согласующий блок, измерительный шунт, делитель напряжения, ограничители напряжения и аналоговый перемножитель, а также новые связи между элементами.

В описываемом техническом решении благодаря введению новых признаков достигается повышение надежности, т.е. обеспечивается достижение требуемого технического результата путем ограничения тока через силовой регулируемый элемент только при возникновении ненормальных режимов в силовом регуляторе и других аналогичных случаях. Введенные средства обеспечивают ограничение тока до уровня, при котором мощность потерь в силовом регулируемом элементе (пиковая и средняя) не может превысить допустимое значение. Таким образом, обеспечивается защита силовых транзисторов элемента от тепловых пробоев. При нормальной работе силовой части стабилизатора тока узлы защиты силового регулируемого элемента не оказывают какого-либо воздействия на его работу.

На чертеже представлена блок-схема стабилизатора постоянного тока.

Стабилизатор содержит силовой регулятор 1, датчик 2 тока, дроссель 3, согласующе-усилительный бок 4, измерительный шунт 5, силовой регулируемый элемент 6. Первый вывод для подключения нагрузки 7 соединен непосредственно с первым выводом силового регулируемого элемента 6, а через дроссель 3 с первым выходным выводом силового регулятора 1, второй выходной вывод которого соединен с общей шиной, к которой через датчик 2 тока подключен второй вывод для подключения нагрузки 7. К общей шине через измерительный шунт 5 подключен второй вывод силового регулируемого элемента 6.

Кроме того, стабилизатор постоянного тока содержит также измерительно-усилительный блок 8, источник 9 опорного сигнала, регулируемый элемент 10, согласующий блок 11, блок 12 сравнения напряжений, источник 13 опорного напряжения, аналоговый перемножитель 14, ограничитель 15 и делитель 16 напряжения. Ограничитель 15 напряжения содержит резистор 17 и стабилитрон 18, делитель 16 напряжения содержит резисторы 19 и 20.

Управляющий вход силового регулятора 1 подключен к выходу измерительно-усилительного блока 8, входы которого соединены соответственно с источником 9 опорного сигнала и выходом датчика 2 тока. Между общей шиной и управляющим входом силового регулируемого элемента 6 включен регулируемый элемент 10, при этом к управляющему входу силового регулируемого элемента 6 подключен также выход согласующе-усилительного блока 4, вход которого подключен к первому выводу для подключения нагрузки, а его общий вывод к общей шине, к которой подключены также общие выводы делителя 16 напряжения, ограничителя 15 напряжения, аналогового перемножителя 14, блока 12 сравнения напряжений и согласующего блока 11. Выход согласующего бока 11 подключен к входу регулируемого элемента 10, а вход к выходу блока 12 сравнения напряжений, входы которого соединены соответственно с источником 13 опорного напряжения и выходом аналогового перемножителя 14, входы последнего подключены соответственно через делитель 16 напряжения и ограничитель 15 напряжения к первому и второму выводам силового регулируемого элемента 6.

Стабилизатор постоянного тока работает следующим образом.

Первый контур автоматического регулирования контур стабилизации постоянного тока в нагрузке 7 включает в себя элементы 1-3, 7-9 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования стабилизирующего типа. Стабилизируемый постоянный ток I_н преобразуется в датчике 2 тока в сигнал, который поступает на один из входов измерительно-усилительного блока 8. На другой вход этого блока поступает сигнал от источника 9 опорного сигнала. При отклонении величины тока I_нот требуемого (заданного) значения на выходе измерительно-усилительного блока 8 появляется сигнал рассогласования, который поступает на управляющий вход силового регулятора 1. Под действием этого сигнала рассогласования ток на выходе силового регулятора 1 изменяется до тех пор, пока его значение не станет приблизительно равным требуемому значению тока Iн (с точностью до величины действующего рассогласования в контуре авторегулирования действующее рассогласование пренебрежимо мало).

Второй контур автоматического регулирования контур подавления пульсаций напряжения на нагрузке 7 включает в себя элементы 1, 3, 4-6 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования стабилизирующего типа (нулевого значения; естественно, с точностью до величины действующего рассогласования). Переменная составляющая U_~ выходного напряжения силового регулятора 1 (напряжение пульсаций) передается ко входу согласующе-усилительного блока 4 и вызывает появление на его выходе переменного напряжения, поступающего на управляющий вход силового регулируемого элемента 6, что вызывает, в свою очередь, протекание через силовой регулируемый элемент 6 переменного тока I_~ (ток I_~ отбирается от силового регулятора 1). Падение напряжения U_др~ на индуктивном сопротивлении дросселя 3 (его активным сопротивлением пренебрегаем), обусловлено током I_др~ обеспечивает снижение напряжения пульсаций на нагрузке 7 переменной составляющей тока через нагрузку 7 пренебрегаем по сравнению с I_~).

Обсуждаемый второй контур авторегулирования обеспечивает, таким образом, подавление напряжения пульсаций на нагрузке 7 до уровня напряжения действующего рассогласования Δ U_д~ в этом контуре (ΔU_д~ U_~ U_др~ здесь записаны мгновенные значения соответствующих напряжений). При большом усилении в этом контуре авторегулирования напряжение действующего рассогласования Δ U_д~ составляет малую долю напряжения пульсаций U_~ таким образом, второй контур авторегулирования обеспечивает эффективное подавление пульсаций.

Третий контур автоматического регулирования контур защиты силового регулируемого элемента 6 включает в себя элементы 5, 6, 10-16 и представляет собой замкнутую систему автоматического регулирования. Падение напряжения на измерительном шунте 5, обусловленное током I_~ через силовой регулируемый элемент 6 поступает на один из входов аналогового перемножителя 14 через ограничитель 15 напряжения. На второй вход перемножителя 14 через делитель 16 напряжения поступает соответствующая часть напряжения, приложенного к силовой цепи силового регулируемого элемента 6 (падением напряжения на измерительном шунте 5 можно в данном случае пренебречь, так как оно составляет всего десятки мВ). Поэтому мгновенное значение выходного напряжения перемножителя 14 пропорционально мгновенному значению мощности потери в силовой цепи силового регулируемого элемента 6.

Напряжение с выхода перемножителя 14 поступает на один из входов блока 12 сравнения напряжений, на другой его вход поступает напряжение от источника 13 опорного напряжения. Пока выходное напряжение перемножителя 14 (мгновенное значение в любой момент времени) меньше опорного напряжения, уровень напряжения на выходе блока 12 сравнения такой, что связанный с ним через согласующий блок 11 регулируемый элемент 10 заперт и не оказывает влияния на работу второго контура. Как только мгновенное значение выходного напряжения перемножителя 14 превысит опорное напряжение, выходное напряжение блока 12 сравнения станет таким, что регулируемый элемент 10 приоткрывается, напряжение на управляющем входе силового регулируемого элемента 6 ограничивается, соответственно ограничивается ток I_~ через силовой регулируемый элемент 6, а это означает, что на заданном уровне ограничивается мощность потерь в силовом регулируемом элементе 6. Следовательно, контур защиты обеспечивает эффективную защиту от перегрузки и выхода из строя силового регулируемого элемента 6 стабилизатора тока, чем и обеспечивается достижение требуемого технического результата без каких-либо побочных нежелательных эффектов.

Формула изобретения

СТАБИЛИЗАТОР ПОСТОЯННОГО ТОКА, содержащий силовой регулятор, датчик тока, силовой регулируемый элемент, вход которого подключен к выходу согласующе-усилительного блока, и дроссель, при этом первый вывод для подключения нагрузки соединен непосредственно с первым выводом силового регулируемого элемента, а через дроссель - с первым выходным выводом силового регулятора, второй выходной вывод которого соединен с общей шиной, к которой через дачтик тока подсоединен второй вывод для подключения нагрузки, управляющий вход силового регулятора подключен к выходу измерительно-усилительного блока, входы которого соединены соответственно с источником опорного сигнала и выходом датчика тока, отличающийся тем, что в него введены регулируемый элемент, включенный между общей шиной и управляющим входом силового регулируемого элемента, общий вывод согласующе-усилительного блока подключен к общей шине, а вход - к первому выводу для подключения нагрузки, блок сравнения напряжений, источник опорного напряжения, согласующий блок, делитель напряжения, ограничитель напряжения, аналоговый перемножитель, первый и второй входы которого подключены соответственно через делитель напряжения и ограничитель напряжения к первому и второму выводам силового регулируемого элемента, причем второй вывод последнего через введенный измерительный шунт соединен с общей шиной, к которой подключены общие выводы делителя напряжения, ограничителя напряжения, аналогового перемножителя, блока сравнения напряжений и согласующего блока, выход которого подключен к входу регулируемого элемента, а выход - к выходу блока сравнения напряжений, входы которого соединены соответственно с источником опорного напряжения и выходом аналогового перемножителя.

РИСУНКИ

Рисунок 1