Импульсный стабилизатор тока

 

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в мощных импульсных источниках стабилизированного тока. Техническим результатом является повышение надежности и упрощение импульсного стабилизатора тока. Технический результат достигается тем, что в импульсном стабилизаторе тока, содержащем инвертор, выходной трансформатор которого содержит две одинаковые первую и вторую вторичные обмотки, двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, выход которого подсоединен к накопительному LC-фильтру с нагрузочным сопротивлением на выходе, первый и второй трансформаторы тока, концы первичных обмоток которых объединены в одну точку и подсоединены к отрицательному полюсу нагрузочного сопротивления, а их начала подсоединены соответственно к концу первой и началу второй вторичных обмоток трансформатора инвертора, схему управления ключевыми транзисторами инвертора, первый и второй трансформаторы тока снабжены дополнительными одинаковыми вторичными обмотками, которые вместе с основными вторичными обмотками трансформаторов тока соединены в последовательную цепь, причем конец основной вторичной обмотки первого трансформатора тока соединен с концом дополнительной вторичной обмотки второго трансформатора тока, начало которой подсоединено к началу дополнительной вторичной обмотки первого трансформатора тока, конец которой соединен с концом дополнительной вторичной обмотки второго трансформатора тока, а ее начало и начало основной вторичной обмотки первого трансформатора тока подсоединены каждая к анодам выпрямительных диодов, катоды которых объединены в одну точку и подсоединены к одному из входов схемы управления ключевыми транзисторами инвертора, к другому входу которой подсоединена общая точка соединения начал дополнительных вторичных обмоток трансформаторов тока. 1 ил.

Устройство относится к области электротехники и может быть использовано в мощных импульсных источниках стабилизированного тока, в частности в устройствах катодной защиты от электрохимической коррозии подземных металлических сооружений, например газопроводов.

Известно устройство двухтактного двухфазного инвертора (Прянишников В.А. Электроника: Курс лекций. - СПб: Корона принт, 1998. - 400 с; с.373, рис. 33.9), содержащее инвертор на ключевых транзисторах, на выходе вторичной обмотки выходного трансформатора которого включен двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, накопительный LC-фильтр, схему управления, выход которой через разделительные трансформаторы подключен к затворам ключевых транзисторов инвертора.

Однако известное устройство характеризуется низкой надежностью, так как схема управления непосредственно подключена относительно земли к положительному полюсу выходной цепи инвертора. При электрическом пробое в цепях схемы управления выходные зажимы инвертора могут быть закорочены, что приведет к его полному выходу из строя.

Известно устройство двухтактного регулируемого преобразователя с широтно-импульсной модуляцией (Источники питания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Г.С.Найвельт, К.Б.Базель, Ч.И.Хусаинов и др.; Под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986. - 576 с.; с.374-376, рис. 9.17), содержащее инвертор с выходным трансформатором и двумя ключевыми транзисторами, вторичная обмотка выходного трансформатора выполнена с отводом от середины и образует с двумя диодами двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, выход которого подсоединен к входу LC-фильтра с нагрузочным резистором на выходе, последовательно с нагрузочным сопротивлением включен токовый шунт, выход которого подключен к входу схемы управления, а ее выход подключен через промежуточные усилители к цепям управления ключевыми транзисторами инвертора.

Однако известное устройство характеризуется низкой надежностью, так как схема управления гальванически не развязана с выходом инвертора, а включение токового шунта последовательно с сопротивлением нагрузки вносит дополнительное сопротивление в нагрузочную цепь. Шунт к тому же должен быть рассчитан на пропускание максимальных токов, что усложняет устройство.

Наиболее близким по своей технической сущности является устройство импульсного стабилизатора тока (Решение от 26.04.2002 о выдаче патента на изобретение по заявке №2001100826/09, МПК 7 Н 02 М 3/335. - Заявл. 14.05.2001), содержащее инвертор, выходной трансформатор которого содержит две одинаковые первую и вторую вторичные обмотки, двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, выход которого подсоединен к накопительному LC-фильтру с нагрузочным сопротивлением на выходе, первый и второй трансформаторы тока, концы первичных обмоток которых объединены в одну точку и подсоединены к отрицательному полюсу нагрузочного сопротивления, а их начала подсоединены соответственно к концу первой и началу второй вторичных обмоток трансформатора инвертора, схему управления ключевыми транзисторами инвертора.

Однако известное устройство характеризуется низкой надежностью, поскольку трансформаторы тока могут входить в насыщение из-за того, что в цепи нагрузки работающего в данном такте трансформатора тока включена вторичная обмотка другого трансформатора тока, по первичной обмотке которого в данном такте ток не протекает. В этой связи ток ветви намагничивания работающего в данном такте трансформатора тока достигает достаточно больших величин, что повышает погрешность измерения первичного тока. Для исключения этого необходимо контролировать момент насыщения сердечников трансформаторов тока и во избежание потери информации по цепи обратной связи инвертора блокировать его работу, что снижает надежность устройства.

Другим способом исключения насыщения сердечников трансформаторов тока является применение специальных конструкций и материала магнитопроводов. Однако это сопряжено с усложнением схемы стабилизатора тока.

Задача изобретения - повышение надежности и упрощение импульсного стабилизатора тока.

Решение задачи достигается тем, что в импульсном стабилизаторе тока, содержащем инвертор, выходной трансформатор которого содержит две одинаковые первую и вторую вторичные обмотки, двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, выход которого подсоединен к накопительному LC-фильтру с нагрузочным сопротивлением на выходе, первый и второй трансформаторы тока, концы первичных обмоток которых объединены в одну точку и подсоединены к отрицательному полюсу нагрузочного сопротивления, а их начала подсоединены соответственно к концу первой и началу второй вторичных обмоток трансформатора инвертора, схему управления ключевыми транзисторами инвертора, первый и второй трансформаторы тока снабжены дополнительными одинаковыми вторичными обмотками, которые вместе с основными вторичными обмотками трансформаторов тока соединены в последовательную цепь, причем конец основной вторичной обмотки первого трансформатора тока соединен с концом дополнительной вторичной обмотки второго трансформатора тока, начало которой подсоединено к началу дополнительной вторичной обмотки первого трансформатора тока, конец которой соединен с концом дополнительной вторичной обмотки второго трансформатора тока, а ее начало и начало основной вторичной обмотки первого трансформатора тока подсоединены каждая к анодам выпрямительных диодов, катоды которых объединены в одну точку и подсоединены к одному из входов схемы управления ключевыми транзисторами инвертора, к другому входу которой подсоединена общая точка соединения начал дополнительных вторичных обмоток трансформаторов тока.

На чертеже приведена электрическая схема устройства импульсного стабилизатора тока, которая содержит инвертор с первым 1 и вторым 2 ключевыми транзисторами и выходным трансформатором 3, имеющим первую вторичную обмотку 4 со средним выводом и две одинаковые вторичные обмотки 5 и 6, причем ключевые транзисторы 1 и 2 своими коллекторами подсоединены соответственно к выводам начала и конца первичной обмотки 4, а ее средний вывод подсоединен к положительному полюсу источника входного напряжения инвертора, эмиттеры ключевых транзисторов объединены в одну точку и подсоединены к отрицательному полюсу источника входного напряжения инвертора, а их базы подсоединены к выходным выводам схемы управления 7, два диода 8 и 9, которые совместно с обмотками 5 и 6 образуют двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, выход которого подсоединен к входу накопительного LC-фильтра 10 с включенным на его выходе нагрузочным сопротивлением 11, отрицательный вывод которого подсоединен к средней точке двухполупериодного выпрямителя, два трансформатора тока 12 и 13, первый из которых содержит основную 14 и дополнительную 15 вторичные обмотки, второй трансформатор тока 13 содержит такие же основную 16 и дополнительную 17 вторичные обмотки, диоды 18 и 19 анод каждого из которых подсоединен соответственно к началу основной вторичной обмотки первого трансформатора тока и к началу основной вторичной обмотки второго трансформатора тока, а катоды диодов 18 и 19 объединены в одну точку и подсоединены к одному из входов схемы управления 7, к другому входу которой подсоединена общая точка начал дополнительных вторичных обмоток трансформаторов тока 12 и 13.

Импульсный стабилизатор тока работает следующим образом. При работе инвертора на вторичных обмотках 5 и 6 выходного трансформатора 3 возбуждаются переменные напряжения с рабочей частотой инвертора. С помощью двухполупериодного выпрямителя со средней точкой, образованного диодами 8 и 9, эти напряжения выпрямляются, сглаживаются накопительным фильтром 10 и выделяются на нагрузочном сопротивлении 11. Схема управления 7 вырабатывает напряжение, задающее рабочий режим ключевым транзисторам 1 и 2. При этом информация об изменении нагрузочного тока поступает на вход схемы управления 7 с трансформаторов тока 12 и 13, первичные обмотки которых соединены последовательно встречно, а общая точка их соединения является средней точкой двухполупериодного выпрямителя. Основная обмотка 14 первого трансформатора тока 12 соединена последовательно встречно с дополнительной обмоткой 17 второго трансформатора тока 13. В данном такте работы инвертора э.д.с., наводимая в основной обмотке 14 трансформатора тока 12 образует ток, протекающий по цепи начало обмотки 14 - диод 18 - входное сопротивление схемы управления 7 - начало дополнительной обмотки 17 - обмотка 17 - конец основной обмотки 14. При этом за счет того, что дополнительная обмотка 17 второго трансформатора тока 13 имеет существенно меньшее индуктивное сопротивление по сравнению с индуктивными сопротивлениями основных обмоток, первый трансформатор тока 12 работает с малым сопротивлением нагрузки и ток его ветви намагничивания мал по величине. Поскольку погрешность работы трансформаторов тока прямо пропорциональна величине тока ветви намагничивания, то чем этот ток меньше, тем выше точность передачи величины тока нагрузки инвертора по цепи обратной связи. Снижение величины сопротивления в цепи нагрузки трансформатора тока отодвигает величину его тока намагничивания до значений, которые не приводят к насыщению магнитопровода. Кроме того, ток, протекающий по указанной цепи, создает в магнитопроводе второго трансформатора тока 13 размагничивающий в рассматриваемом такте поток, подготавливая трансформатор тока 13 к следующему такту, когда будет протекать ток по его первичной обмотке. Благодаря этому увеличивается рабочая индукция трансформатора тока 13. Величина размагничивающего потока определяется индуктивностью дополнительной обмотки 17 и может быть задана ее витками. Обычно вполне достаточно всего нескольких витков.

Аналогично происходит работа схемы в следующем такте работы инвертора. Э.д.с., наводимая в обмотке 16, образует ток, протекающий по цепи начало обмотки 16 - диод 19 - входное сопротивление схемы управления 7 - начало дополнительной обмотки 15 - обмотка 15 - конец основной обмотки 16. При этом за счет того, что дополнительная обмотка 15 первого трансформатора тока 12 имеет существенно меньшее индуктивное сопротивление по сравнению с индуктивным сопротивлением основных обмоток 14 и 16, второй трансформатор тока 13 работает с малым сопротивлением нагрузки и ток его ветви намагничивания мал по величине. Ток, протекающий по указанной цепи, создает в магнитопроводе первого трансформатора тока 12 размагничивающий в рассматриваемом такте поток, подготавливая трансформатор тока 12 к следующему такту, когда будет протекать ток по его первичной обмотке. Благодаря этому увеличивается рабочая индукция трансформатора тока 12.

Таким образом, в каждом такте работы инвертора происходит автоматическое поддержание требуемого магнитного потока в обоих трансформаторах тока, исключающее насыщение их магнитопроводов. При этом информация о токе нагрузки источника передается с помощью трансформаторов тока практически по линейному закону во всем диапазоне изменения нагрузочных токов.

Предложенное техническое решение повышает надежность и упрощает устройство импульсного стабилизатора тока по сравнению с устройством-прототипом и аналогами.

Формула изобретения

Импульсный стабилизатор тока, содержащий инвертор, выходной трансформатор которого содержит две одинаковые первую и вторую вторичные обмотки, двухполупериодный выпрямитель со средней точкой, выход которого подсоединен к накопительному LC-фильтру с нагрузочным сопротивлением на выходе, первый и второй трансформаторы тока, концы первичных обмоток которых объединены в одну точку и подсоединены к отрицательному полюсу нагрузочного сопротивления, а их начала подсоединены соответственно к концу первой и началу второй вторичных обмоток трансформатора инвертора, схему управления ключевыми транзисторами инвертора, отличающийся тем, что первый и второй трансформаторы тока снабжены дополнительными одинаковыми вторичными обмотками, которые вместе с основными вторичными обмотками трансформаторов тока соединены в последовательную цепь, причем конец основной вторичной обмотки первого трансформатора тока соединен с концом дополнительной вторичной обмотки второго трансформатора тока, начало которой подсоединено к началу дополнительной вторичной обмотки первого трансформатора тока, конец которой соединен с концом дополнительной вторичной обмотки второго трансформатора тока, а ее начало и начало основной вторичной обмотки первого трансформатора тока подсоединены каждая к анодам выпрямительных диодов, катоды которых объединены в одну точку и подсоединены к одному из входов схемы управления ключевыми транзисторами инвертора, к другому входу которой подсоединена общая точка соединения начал дополнительных вторичных обмоток трансформаторов тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1