Источник постоянного напряжения
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано для защиты от электрохимической коррозии подземных металлических сооружений, зарядки аккумуляторов, в установках запуска двигателей самолетов, автомобилей, источниках питания опреснительных установок и других целей. Источник постоянного напряжения содержит блок фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений, коммутирующий аппарат, датчик фазного тока, трансформатор, управляемый выпрямитель, сглаживающий фильтр, датчик ограничения и стабилизации выходного тока, фильтр радиопомех и защиты от перенапряжений, трансформатор питания защиты, выпрямитель, исполнительный орган защиты, счетчик времени наработки, блок управления, трансформатор питания, блок источников питания, источник опорного напряжения, блок усилителей сигналов рассогласования, блок формирования импульсов, блок усилителя мощности, блок защиты, переключатель режимов работы, блок активного фильтра, делитель напряжения, повторитель напряжения и активный фильтр низких частот. Блок активного фильтра снабжен последовательно соединенными вторым делителем напряжения, вторым повторителем напряжения и переключателем каналов. Техническим результатом является повышение входного сопротивления измерительных цепей до сотен МОм, снижена погрешность измерения сигнала обратной связи, с высокой точностью поддерживается требуемый параметр, он надежно работает при сигнале помехи переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц величиной более 5 В на входе блока активного фильтра и снижена масса сглаживающего фильтра. 2 н.п. ф-лы, 5 ил.
Изобретение относится к преобразовательной технике и может быть использовано в преобразователях для защиты от электрохимической коррозии подземных металлических сооружений, в устройствах зарядки аккумуляторов, в установках запуска двигателей самолетов, автомобилей, источниках питания опреснительных установок и других целей.
Известен тиристорный стабилизатор постоянного напряжения (Найвельт Г.С. и др. Источники электропитания РЭА, Москва, Радио и связь, 1985 г., с.251, рис. 7.1), содержащий последовательно соединенные трансформатор, тиристорный управляемый выпрямитель и сглаживающий фильтр, последовательно соединенные источник опорного напряжения, усилитель сигнала рассогласования и устройство управления тиристорами, выход которого подключен ко второму входу тиристорного управляемого выпрямителя, и делитель выходного напряжения, вход которого подключен к выходу сглаживающего фильтра, а выход - ко второму входу усилителя сигнала рассогласования.
Недостатками этого тиристорного стабилизатора постоянного напряжения являются: низкая точность стабилизации выходного напряжения, отсутствует защита от коротких замыканий и перегрузок, т.е. нет режима токоограничения и стабилизации выходного тока, а также нет быстродействующей схемы отключения тиристорного стабилизатора постоянного напряжения от питающей сети при коротких замыканиях и недопустимых перегрузках, высокий уровень радиопомех, нет защиты от перенапряжений, большой коэффициент пульсаций выходного напряжения, отсутствуют блок активного фильтра и датчики тока.
Известен источник постоянного напряжения (Свидетельство на полезную модель №18025, Н 02 М 7/00, 2001, Бюл. №13), содержащий стабилизатор опорного напряжения, блоки сравнения и управления, согласующий трансформатор, регулируемый выпрямитель, подключенный к выходным обмоткам согласующего трансформатора, датчик фазного тока, включенный во входную цепь согласующего трансформатора, фильтр радиопомех, состоящий из индуктивностей, конденсаторов и ограничителей напряжения, причем индуктивности включены в цепи первичной обмотки согласующего трансформатора, а конденсаторы и ограничители напряжения включены между входными цепями и корпусом источника постоянного напряжения, блок отключения, содержащий трансформатор питания, выпрямитель, исполнительный орган защиты и коммутирующий аппарат, включенный во входные силовые цепи источника постоянного напряжения, датчик ограничения и стабилизации выходного тока, включенный в выходные силовые цепи источника постоянного напряжения, сглаживающий фильтр, включенный в выходные силовые цепи источника постоянного напряжения, счетчик времени наработки, подключенный к блоку сравнения, и блок активного фильтра, на вход которого поступает сигнал обратной связи, а выход подключен к блоку управления, при этом блок управления содержит трансформатор питания, блок источников питания, блок защиты, к входам которого подключены датчик фазного тока и датчик ограничения и стабилизации выходного тока, а к выходу - исполнительный орган защиты, блок сравнения, входы которого подключены к стабилизатору опорного напряжения, к выходу блока активного фильтра и к датчику ограничения и стабилизации выходного тока, блок формирования импульсов, вход которого подключен к выходу блока сравнения, блок усилителя мощности, вход которого подключен к выходу блока формирования импульсов, а выход - к регулируемому выпрямителю.
Недостатками этого источника постоянного напряжения являются: низкое входное сопротивление блока активного фильтра и малая величина допускаемого сигнала помехи переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц на входе блока активного фильтра.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является источник постоянного напряжения (Заявка №2001107995, Н 02 Н 3/08, 3/20, Н 02 М 7/02, 2003. Бюл. №9), содержащий последовательно соединенные трансформатор и управляемый выпрямитель, сглаживающий фильтр, усилитель сигнала рассогласования, источник опорного напряжения, блок фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений, содержащий индуктивности, ограничители напряжений и конденсаторы, причем индуктивности включены в шины питания источника постоянного напряжения, ограничители напряжения подключены к шинам питания источника постоянного напряжения и корпусу, а конденсаторы включены между шинами питания источника постоянного напряжения, между шинами питания источника постоянного напряжения и корпусом, коммутирующий аппарат, датчик фазного тока, при этом входные силовые цепи коммутирующего аппарата подключены к блоку фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений, а выходные силовые цепи подключены к датчику фазного тока, первый выход которого соединен с первичной обмоткой трансформатора, вход сглаживающего фильтра соединен с первым выходом управляемого выпрямителя, а выход соединен с первой шиной нагрузки источника постоянного напряжения, датчик ограничения и стабилизации выходного тока, вход которого соединен со вторым выходом управляемого выпрямителя, а выход соединен с второй шиной нагрузки источника постоянного напряжения, фильтр радиопомех и защиты от перенапряжений, содержащий ограничители напряжений и конденсаторы, в котором ограничители напряжения и конденсаторы включены между шинами нагрузки источника постоянного напряжения, между шиной нагрузки источника постоянного напряжения и корпусом, последовательно соединенные трансформатор питания зашиты, выпрямитель и исполнительный орган защиты, при этом вход трансформатора питания зашиты подключен к входным силовым цепям коммутирующего аппарата, а выходные цепи исполнительного органа защиты включены последовательно в цепь питания коммутирующего аппарата, блок активного фильтра, первый вход которого предназначен для подключения сигнала обратной связи, блок управления, содержащий блок защиты, первый вход которого подключен ко второму выходу датчика фазного тока, третий вход подключен ко второму выходу датчика ограничения и стабилизации выходного тока, а выход подключен ко второму входу исполнительного органа защиты, и последовательно соединенные трансформатор питания, блок источников питания, источник опорного напряжения, блок усилителей сигналов рассогласования, который снабжен схемой управления счетчиком времени наработки, инвертирующим усилителем и вторым усилителем сигнала рассогласования, при этом в выходные цепи обоих усилителей сигналов рассогласования включены развязывающие диоды, третьи входы инвертирующего усилителя, первого и второго усилителей сигналов рассогласования соединены с первым входом блока усилителей сигналов рассогласования, вторые входы инвертирующего усилителя, первого и второго усилителей сигналов рассогласования и схемы управления счетчиком времени наработки соединены со вторым входом блока усилителей сигналов рассогласования, первый вход второго усилителя сигнала рассогласования соединен с третьим входом блока усилителей сигналов рассогласования, четвертый вход блока усилителей сигналов рассогласования соединен с первым входом инвертирующего усилителя, выход которого соединен с первыми входами первого усилителя сигнала рассогласования и схемы управления счетчиком времени наработки, третий вход схемы управления счетчиком времени наработки соединен с пятым входом блока усилителей сигналов рассогласования, а выход схемы управления счетчиком времени наработки соединен с третьим выходом блока усилителей сигналов рассогласования, блок формирования импульсов, к первому входу которого подключены выходы обоих усилителей сигналов рассогласования, и блок усилителя мощности, выход которого соединен со вторым входом управляемого выпрямителя, а второй вход соединен со вторым выходом блока источников питания и вторыми входами блока активного фильтра, блока защиты, блока формирования импульсов и блока усилителей сигналов рассогласования, при этом третий, четвертый и пятый входы которого подключены ко второму выходу датчика ограничения и стабилизации выходного тока, к выходу блока активного фильтра и ко второму выходу трансформатора питания, третий и четвертый выходы которого подключены к третьему входу блока формирования импульсов и к третьему входу блока усилителя мощности, а вход соединен с первичной обмоткой трансформатора, и счетчик времени наработки, вход которого соединен с третьим выходом блока усилителей сигналов рассогласования.
Недостатками этого источника постоянного напряжения являются:
низкое входное сопротивление блока активного фильтра и малая величина допускаемого сигнала помехи переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц на входе блока активного фильтра.
Применяемый обычно в блоке активного фильтра активный фильтр низких частот на базе операционного усилителя должен быть охвачен отрицательной обратной связью, чтобы обеспечить точность передачи величины входного напряжения. По этой причине невозможно получить высокое входное сопротивление (несколько МОм), так как входное сопротивление такого активного фильтра низких частот будет определяться величиной резисторов цепи отрицательной обратной связи. Практически входное сопротивление такого активного фильтра низких частот составляет несколько сотен кОм.
Низкое входное сопротивление блока активного фильтра приводит к изменению величины защитного потенциала, снимаемого между электродом сравнения или датчиком защитного потенциала и подземным металлическим сооружением в высокоомных грунтах или при недостаточном количестве влаги в почве.
По ГОСТ 9.602-89вгородских условиях входное сопротивление измерительных цепей источника постоянного напряжения для катодной защиты должно быть не менее 1 МОм. По ГОСТ Р 51164-98 для магистральных трубопроводов входное сопротивление измерительных цепей источника постоянного напряжения для катодной защиты должно быть не менее 10 МОм.
В то же время такой активный фильтр низких частот допускает на входе сигнал помехи переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц не более 5 В. Дальнейшее увеличение амплитуды сигнала помехи приводит к снижению точности поддержания защитного потенциала на подземном металлическом сооружении. Амплитуда сигнала помехи на подземном металлическом сооружении может достигать 20 В и более в зонах, где поблизости от подземного металлического сооружения расположена линия электропередачи ЛЭП.
Технический результат - повышено входное сопротивление блока активного фильтра до сотен МОм, снижена погрешность измерения входного напряжения, снимаемого между электродом сравнения или датчиком защитного потенциала и подземным металлическим сооружением, обеспечена возможность с высокой точностью поддерживать защитный потенциал на подземном металлическом сооружении в высокоомных грунтах, обеспечена возможность надежной работы источника постоянного напряжения при амплитуде сигнала помехи переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц более 5 В на входе блока активного фильтра, снижена масса сглаживающего фильтра.
Технический результат достигается тем, что блок активного фильтра содержит последовательно соединенные делитель напряжения, повторитель напряжения и активный фильтр низких частот, при этом выход активного фильтра низких частот подключен к выходу блока активного фильтра, вход делителя напряжения подключен к первому входу блока активного фильтра, вторые входы повторителя напряжения и активного фильтра низких частот подключены ко второму входу блока активного фильтра, второй вход блока источников питания подключен ко второму выходу трансформатора питания, третий вход блока источников питания подключен к третьему выходу блока усилителей сигналов рассогласования, в котором выход первого усилителя сигнала рассогласования соединен с первым выходом блока усилителей сигналов рассогласования, выход второго усилителя сигнала рассогласования соединен со вторым выходом блока усилителей сигналов рассогласования, третий выход блока источников питания подключен к счетчику времени наработки, вторая выходная силовая цепь коммутирующего аппарата соединена с первичной обмоткой трансформатора, сглаживающий фильтр снабжен компенсационной обмоткой и введен переключатель режимов работы, первый вход которого подключен к четвертому выходу блока источников питания, второй вход подключен к первому выходу блока усилителей сигналов рассогласования, а выход подключен к первому входу блока формирования импульсов.
Применение в блоке активного фильтра делителя напряжения, например, с коэффициентом деления 5 позволяет в 5 раз уменьшить сигнал обратной связи, снимаемый с делителя напряжения, в 5 раз снизить величину сигнала помехи переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц, поступающего на вход повторителя напряжения, и в 5 раз уменьшить величину входного сопротивления, подключаемого к входу повторителя напряжения. Повторитель напряжения, охваченный отрицательной обратной связью, с коэффициентом передачи по напряжению, равным единице, обладает высоким входным сопротивлением (тысячи МОм), низким выходным сопротивлением и передает на выход напряжение, усиленное по мощности и равное напряжению, снимаемому с делителя напряжения. Активный фильтр низких частот с коэффициентом передачи 5 в 5 раз увеличивает это напряжение, которое становится равным по величине сигналу обратной связи, поступающему на вход делителя напряжения.
Таким образом, входное сопротивление блока активного фильтра будет увеличено в 5 раз, допускаемый сигнал помехи переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц на входе блока активного фильтра станет равным 25 В.
Например, для получения входного сопротивления блока активного фильтра величиной 10 МОм необходимо взять делитель напряжения сопротивлением 10 МОм с коэффициентом деления 100. Тогда повторитель напряжения будет подключен к резистору сопротивлением 100 кОм. Чтобы напряжение на выходе блока активного фильтра было равно сигналу обратной связи, необходимо выбрать коэффициент передачи активного фильтра низких частот равным 100.
Сравнение заявляемого технического решения с прототипом позволило установить соответствие их критерию "новизна".
При изучении других известных технических решений в данной области техники признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены и потому они обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".
На фиг.1 представлена функциональная схема источника постоянного напряжения.
Источник постоянного напряжения состоит из блока фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений 1, коммутирующего аппарата 2, датчика фазного тока 3, трансформатора 4, управляемого выпрямителя 5, сглаживающего фильтра 6, датчика ограничения и стабилизации выходного тока 7, фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений 8, трансформатора питания защиты 9, выпрямителя 10, исполнительного органа защиты 11, счетчика времени наработки 12, блока управления 13, трансформатора питания 14, блока источников питания 15, источника опорного напряжения 16, блока усилителей сигналов рассогласования 17, блока формирования импульсов 18, блока усилителя мощности 19, блока защиты 20, переключателя режимов работы 21, блока активного фильтра 22, делителя напряжения 23, повторителя напряжения 24 и активного фильтра низких частот 25.
Трансформатор питания 14, блок источников питания 15, источник опорного напряжения 16, блок усилителей сигналов рассогласования 17, блок формирования импульсов 18, блок усилителя мощности 19, блок защиты 20 и переключатель режимов работы 21 составляют блок управления 13 источником постоянного напряжения.
Делитель напряжения 23, повторитель напряжения 24 и активный фильтр низких частот 25 составляют блок активного фильтра 22.
Принцип работы источника постоянного напряжения основан на регулировании выходного напряжения (тока) путем изменения момента времени отпирания регулирующих элементов, осуществляемого системой фазового управления.
Блок фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений 1 предназначен для снижения уровня радиопомех и защиты от перенапряжений на шинах питания источника постоянного напряжения. Примененные в блоке фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений индуктивности и конденсаторы позволяют снизить уровень радиопомех, создаваемых регулирующими элементами в управляемом выпрямителе 5, до допустимых значений на шинах питания источника постоянного напряжения.
Ограничители напряжения снижают амплитуду импульсов напряжения до допустимых значений на шинах питания источника постоянного напряжения, наводящихся при грозовых разрядах в атмосфере или от действия сетевой коммутационной аппаратуры. В зависимости от назначения и условий эксплуатации источника постоянного напряжения для повышения надежности защиты дополнительные ограничители напряжения следует включать параллельно.
На фиг.2 представлена функциональная схема блока фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений 1.
Где:
26 и 27- шины питания источника постоянного напряжения;
28 и 29 - ограничители напряжений;
30, 31 и 32 - конденсаторы;
33 и 34 - индуктивности;
35 - корпус.
В блоке фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений 1 индуктивности включены в шины питания источника постоянного напряжения, ограничители напряжения подключены к шинам питания источника постоянного напряжения и корпусу, а конденсаторы включены между шинами питания источника постоянного напряжения, между шинами питания источника постоянного напряжения и корпусом. В фильтре радиопомех необходимо применять конденсаторы с малой собственной индуктивностью.
Коммутирующий аппарат 2 предназначен для включения источника постоянного напряжения в работу, отключения после окончания работы и отключения от питающей сети при возникновении короткого замыкания или перегрузки в источнике постоянного напряжения или в нагрузке.
Датчик фазного тока 3 предназначен для контроля величины тока, протекающего в первичной обмотке трансформатора 4. Датчик фазного тока вырабатывает напряжение, пропорциональное фазному току в первичной обмотке трансформатора 4.
Трансформатор 4 предназначен для понижения напряжения питающей сети до требуемого значения и гальванической развязки выходного напряжения источника постоянного напряжения от питающей сети.
Управляемый выпрямитель 5 предназначен для обеспечения возможности регулирования выходного напряжения (тока) путем изменения момента времени подачи управляющих импульсов на регулирующие элементы.
Сглаживающий фильтр 6 предназначен для снижения уровня пульсаций выходного напряжения (тока), повышения коэффициента полезного действия источника постоянного напряжения, ограничения скорости нарастания тока через регулирующие элементы и снижения уровня радиопомех на шинах нагрузки источника постоянного напряжения.
Применение в сглаживающем фильтре компенсационной обмотки обеспечивает лучшее сглаживание пульсаций, значительно увеличивает эквивалентное сопротивление дросселя, происходит некоторое размагничивание в сердечнике дросселя за счет протекания постоянной составляющей тока нагрузки через компенсационную обмотку, позволяет уменьшить емкость конденсаторов, массу и постоянную составляющую сглаживающего фильтра.
Датчик ограничения и стабилизации выходного тока 7 предназначен для контроля величины тока, протекающего в нагрузке, стабилизации выходного тока в нагрузке и ограничения максимального тока в нагрузке при любых режимах работы источника постоянного напряжения. В качестве датчика ограничения и стабилизации выходного тока могут быть использованы:
магниточувствительный датчик Холла, позволяющий измерять силу постоянного, переменного и импульсного тока с гальванической развязкой силовых цепей и цепей контроля, с электронной обработкой сигнала (активный фильтр), шунт с электронной обработкой сигнала (активный фильтр) и гальванической развязкой выходных цепей от цепей контроля, трансформатор постоянного тока с электронной обработкой сигнала (активный фильтр) и другие.
Фильтр радиопомех и защиты от перенапряжений 8 предназначен для снижения уровня радиопомех и защиты от перенапряжений на шинах нагрузки источника постоянного напряжения. Он содержит ограничители напряжений и конденсаторы.
На фиг.3 представлена функциональная схема фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений 8.
Где:
36 и 37 - шины нагрузки источника постоянного напряжения;
38 и 39 - ограничители напряжений;
40 и 41 - конденсаторы;
35 - корпус.
В фильтре радиопомех и защиты от перенапряжений 8 ограничители напряжения и конденсаторы включены между шинами нагрузки источника постоянного напряжения, между шиной нагрузки источника постоянного напряжения и корпусом.
Трансформатор питания защиты 9 предназначен для понижения напряжения питающей сети до требуемых значений, гальванической развязки выходных напряжений от питающей сети, обеспечения питанием исполнительного органа защиты 11 при отключении источника постоянного напряжения от питающей сети по причине возникновения короткого замыкания или перегрузки и световой сигнализации, сигнализирующей о состоянии и режимах работы источника постоянного напряжения.
Выпрямитель 10 вырабатывает напряжения, необходимые для питания исполнительного органа защиты 11.
Исполнительный орган защиты 11 предназначен для размыкания цепи питания коммутирующего аппарата 2 при возникновении короткого замыкания или перегрузки. При коротком замыкании срабатывает исполнительный орган защиты и размыкает цепь питания коммутирующего аппарата, силовые цепи которого отключают источник постоянного напряжения от питающей сети. Исполнительный орган защиты при этом переходит в другое устойчивое состояние, самоблокируется, фиксируя тем самым выключенное состояние коммутирующего аппарата. В качестве исполнительного органа защиты можно использовать реле с блокировочным контактом или электронное реле с памятью.
Счетчик времени наработки 12 учитывает время работы источника постоянного напряжения в заданном режиме: время наличия заданного защитного потенциала на защищаемом сооружении или время наличия требуемой величины выходного напряжения (или какого-либо другого параметра).
Если источник постоянного напряжения стабилизирует заданный защитный потенциал подземного сооружения, когда сигнал обратной связи снимается между электродом сравнения и защищаемым металлическим сооружением, то счетчик времени наработки включится в работу только тогда, когда сигнал обратной связи больше или равен заданному защитному потенциалу. При стабилизации выходного напряжения источника постоянного напряжения счетчик времени наработки включится в работу тогда, когда выходное напряжение больше или равно заданному значению.
Если необходимо будет учитывать время работы источника постоянного напряжения в режиме стабилизации тока, тогда следует схему управления счетчиком времени наработки отключить от контура стабилизации какого-либо параметра и подключить к выходу усилителя сигнала рассогласования контура стабилизации тока.
Блок управления 13 обеспечивает функционирование всех блоков источника постоянного напряжения в выбранном режиме работы: ручное регулирование выходного напряжения (тока), стабилизация выходного напряжения или тока, стабилизация какого-либо другого параметра (поддержание защитного потенциала на подземном металлическом сооружении, поддержание постоянной температуры нагрева и т.п.), сигнал обратной связи с которого заводится в источник постоянного напряжения через блок активного фильтра 22.
Трансформатор питания 14 предназначен для понижения напряжения питающей сети до требуемых значений и гальванической развязки выходных напряжений от питающей сети.
Блок источников питания 15 вырабатывает напряжения, необходимые для питания узлов и блоков источника постоянного напряжения и счетчика времени наработки 12.
Источник опорного напряжения 16 предназначен для выработки опорного напряжения. Он вырабатывает высокостабильное напряжение, которое используется в качестве опорного напряжения в узлах сравнения усилителей сигналов рассогласования.
Блок усилителей сигналов рассогласования 17 предназначен для сравнения напряжений обратной связи с опорным напряжением и выработки управляющих напряжений, а также для управления счетчиком времени наработки. В состав блока усилителей сигналов рассогласования входят два усилителя сигналов рассогласования и схема управления счетчиком времени наработки.
На фиг.4 представлена функциональная схема блока усилителей сигналов рассогласования 17.
Где:
42 и 43 - усилители сигналов рассогласования;
44 - схема управления счетчиком времени наработки;
45 и 46 - развязывающие диоды.
В блоке усилителей сигналов рассогласования 17 в выходные цепи обоих усилителей сигналов рассогласования включены развязывающие диоды, третьи входы первого и второго усилителей сигналов рассогласования и схемы управления счетчиком времени наработки соединены с первым входом блока усилителей сигналов рассогласования, вторые входы первого и второго усилителей сигналов рассогласования и схемы управления счетчиком времени наработки соединены со вторым входом блока усилителей сигналов рассогласования, первый вход второго усилителя сигнала рассогласования соединен с третьим входом блока усилителей сигналов рассогласования, четвертый вход блока усилителей сигналов рассогласования соединен с первыми входами первого усилителя сигнала рассогласования и схемы управления счетчиком времени наработки, выход схемы управления счетчиком времени наработки соединен с третьим выходом блока усилителей сигналов рассогласования, выход первого усилителя сигнала рассогласования соединен с первым выходом блока усилителей сигналов рассогласования, выход второго усилителя сигнала рассогласования соединен со вторым выходом блока усилителей сигналов рассогласования.
Один усилитель сигнала рассогласования с интегратором используется для сравнения напряжения обратной связи, снимаемого с блока активного фильтра 22, с опорным напряжением и выработки управляющего напряжения для стабилизации защитного потенциала на подземном металлическом сооружении или какого-либо другого параметра.
Другой усилитель сигнала рассогласования используется для сравнения напряжения обратной связи, снимаемого с датчика ограничения и стабилизации выходного тока 7, с опорным напряжением и выработки управляющего напряжения для стабилизации выходного тока источника постоянного напряжения, регулирования величины этого тока и создания режима токоограничения для ограничения максимальной величины выходного тока.
Схема управления счетчиком времени наработки используется для включения в работу счетчика времени наработки при определенной величине сигнала обратной связи. Сигнал обратной связи поступает на вход схемы управления счетчиком времени наработки, где сравнивается с опорным напряжением, величина которого устанавливается переменным резистором (задатчик порога включения счетчика времени наработки). Когда сигнал обратной связи равен или больше опорного напряжения, тогда схема управления счетчиком времени наработки включает в работу счетчик времени наработки. Если сигнал обратной связи меньше опорного напряжения, то счетчик времени наработки не включится в работу.
Блок формирования импульсов 18 предназначен для изменения момента времени подачи импульсов управления и формирования импульсов для управления регулирующими элементами.
Блок усилителя мощности 19 предназначен для усиления мощности импульсов управления и гальванической развязки блока управления от регулирующих элементов.
Блок защиты 20 предназначен для защиты источника постоянного напряжения от повреждений в случае возникновения неисправностей и коротких замыканий в нагрузке или внутри источника постоянного напряжения и отключения его от питающей сети.
Переключатель режимов работы 21 предназначен для включения необходимого режима работы источника постоянного напряжения.
Блок активного фильтра 22 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения обратной связи, получения высокого входного сопротивления измерительной цепи, снижения погрешности измерения сигнала обратной связи, обеспечивать надежную работу источника постоянного напряжения при наличии сигнала помехи на измерительных цепях.
При глубоких углах регулирования напряжение обратной связи будет не постоянным, а пульсирующим, что приведет к снижению точности стабилизации защитного потенциала (напряжения). Применение блока активного фильтра позволяет получить постоянное напряжение на его выходе, пропорциональное среднему значению пульсирующего напряжения на его входе.
Делитель напряжения 23 предназначен для получения высокого входного сопротивления блока активного фильтра и снижения величины сигнала помехи переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц, поступающего на вход повторителя напряжения.
Повторитель напряжения 24 предназначен для усиления по мощности сигнала, снимаемого с делителя напряжения, и согласования высокоомного выхода делителя напряжения с низкоомным входом активного фильтра низких частот.
Активный фильтр низких частот 25 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения обратной связи и восстановления амплитуды сигнала обратной связи по напряжению.
В блоке активного фильтра последовательно соединены делитель напряжения, повторитель напряжения и активный фильтр низких частот, при этом выход активного фильтра низких частот подключен к выходу блока активного фильтра, вход делителя напряжения подключен к первому входу блока активного фильтра, а вторые входы повторителя напряжения и активного фильтра низких частот подключены ко второму входу блока активного фильтра.
На фиг.5 представлен второй вариант функциональной схемы источника постоянного напряжения.
Источник постоянного напряжения по второму варианту состоит из блока фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений 1, коммутирующего аппарата 2, датчика фазного тока 3, трансформатора 4, управляемого выпрямителя 5, сглаживающего фильтра 6, датчика ограничения и стабилизации выходного тока 7, фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений 8, трансформатора питания защиты 9, выпрямителя 10, исполнительного органа защиты 11, счетчика времени наработки 12, блока управления 13, трансформатора питания 14, блока источников питания 15, источника опорного напряжения 16, блока усилителей сигналов рассогласования 17, блока формирования импульсов 18, блока усилителя мощности 19, блока защиты 20, переключателя режимов работы 21, блока активного фильтра 22, делителя напряжения 23, повторителя напряжения 24, переключателя каналов 25, активного фильтра низких частот 26, делителя напряжения 27 и повторителя напряжения 28.
Трансформатор питания 14, блок источников питания 15, источник опорного напряжения 16, блок усилителей сигналов рассогласования 17, блок формирования импульсов 18, блок усилителя мощности 19, блок защиты 20 и переключатель режимов работы 21 составляют блок управления 13 источником постоянного напряжения.
Делитель напряжения 23, повторитель напряжения 24, переключатель каналов 25, активный фильтр низких частот 26, делитель напряжения 27 и повторитель напряжения 28 составляют блок активного фильтра 22.
Делители напряжения 23 и 27 предназначены для получения двух различных величин входного сопротивления. Например, 10 МОм и 1 МОм.
При уменьшении удельного сопротивления почвы весной и осенью из-за дождей электрод сравнения, с которого снимается сигнал обратной связи, следует подключать ко второму каналу с входным сопротивлением 1 МОм. Летом и зимой, когда удельное сопротивление почвы увеличивается, электрод сравнения следует подключить к первому каналу с входным сопротивлением 10 МОм. Это позволит повысить надежность и эффективность защиты подземных металлических сооружений от электрохимической коррозии.
Повторители напряжения 24 и 28 предназначены для усиления по мощности сигналов, снимаемых с делителей напряжения, и согласования высокоомного выхода делителей напряжения с низкоомным входом активного фильтра низких частот.
Переключатель каналов 25 предназначен для подключения к активному фильтру низких частот 26 одного из каналов.
Активный фильтр низких частот 26 предназначен для сглаживания пульсаций напряжения обратной связи и восстановления амплитуды сигнала обратной связи по напряжению.
В блоке активного фильтра последовательно соединены первый делитель напряжения и первый повторитель напряжения, выход активного фильтра низких частот подключен к выходу блока активного фильтра, вход первого делителя напряжения подключен к первому входу блока активного фильтра, предназначенному для подключения сигнала обратной связи, вторые входы первого повторителя напряжения и активного фильтра низких частот подключены ко второму входу блока активного фильтра, последовательно соединены второй делитель напряжения, второй повторитель напряжения и переключатель каналов, выход которого подключен к первому входу активного фильтра низких частот, вход второго делителя напряжения подключен к третьему входу блока активного фильтра, предназначенному для подключения сигнала обратной связи, второй вход второго повторителя напряжения подключен ко второму входу блока активного фильтра, выход первого повторителя напряжения подключен ко второму входу переключателя каналов.
Для увеличения количества каналов в блоке активного фильтра 22 более двух необходимо дополнительно ввести нужное количество делителей напряжения и повторителей напряжения, а переключатель каналов подобрать по числу каналов.
Источник постоянного напряжения работает следующим образом.
Напряжение питающей сети через шины питания источника постоянного напряжения, блок фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений 1, коммутирующий аппарат 2, датчик фазного тока 3 и вторую выходную силовую цепь коммутирующего аппарата 2 поступает на первичную обмотку трансформатора 4. Выходное напряжение от трансформатора 4 через управляемый выпрямитель 5, сглаживающий фильтр 6 и датчик ограничения и стабилизации выходного тока 7 по шинам нагрузки источника постоянного напряжения поступает в нагрузку. Выходное напряжение (ток) изменяется с помощью управляемого выпрямителя 5.
Источник постоянного напряжения может работать в нескольких режимах:
ручного регулирования выходного напряжения (тока), стабилизации какого-либо параметра (защитного потенциала, выходного напряжения, температуры и т.п.), стабилизации выходного тока и ограничения выходного тока на уровне, не превышающем номинальное значение более чем на (5-10) %.
В источнике постоянного напряжения применена схема плавного включения в работу, что позволяет исключить броски тока в первичной и вторичной обмотках трансформатора 4 и в регулирующих элементах управляемого выпрямителя 5. Схема плавного включения работает только в момент включения источника постоянного напряжения и на дальнейшую его работу не влияет. Схема плавного включения в работу источника постоянного напряжения входит в состав блока формирования импульсов 18 и осуществляет задержку по времени до нескольких секунд.
Режим ограничения выходного тока на заданном уровне работает одновременно с режимом ручного регулирования выходного напряжения (тока) или с режимом стабилизации какого-либо параметра источника постоянного напряжения и не позволяет выходному току превышать номинальный ток более чем на (5-10)%. При стабилизации выходного тока ограничение выходного тока может производиться на любом уровне в диапазоне от 0 до 100%.
При применении источника постоянного напряжения для стабилизации действительного защитного потенциала на подземном металлическом сооружении он работает следующим образом. Сигнал обратной связи снимается между электродом сравнения и защищаемым подземным металлическим сооружением и подается на первый вход блока активного фильтра 22. С выхода блока активного фильтра 22 поступает напряжение, пропорциональное сигналу обратной связи, на четвертый вход блока усилителей сигналов рассогласования 17, где сравнивается с заданным опорным напряжением, величина которого устанавливается переменным резистором (задатчик заданного защитного потенциала или какого-либо другого параметра). Опорное напряжение поступает на первый вход блока усилителей сигналов рассогласования 17 от источника опорного напряжения 16. В результате сравнения образуется сигнал рассогласования, который усиливается первым усилителем сигнала рассогласования блока усилителей сигналов рассогласования 17 и в виде управляющего напряжения через развязывающий диод и переключатель режимов работы поступает на первый вход блока формирования импульсов 18.
В блоке формирования импульсов 18 осуществляется синхронизация начала момента формирования пилообразного напряжения с питающей сетью и фазовое регулирование импульсов управления. В блоке формирования импульсов 18 управляющее напряжение сравнивается с пилообразным напряжением и вырабатываются импульсы управления, которые после предварительного усиления поступают в блок усилителя мощности 19. При изменении амплитуды управляющего напряжения изменяется по фазе и момент сравнения управляющего напряжения с пилообразным напряжением, следовательно изменяется и величина выходного напряжения (тока) на выходе источника постоянного напряжения.
В блоке усилителя мощности 19 импульсы управления усиливаются по мощности и подаются на регулирующие элементы управляемого выпрямителя 5.
Выходной ток источника постоянного напряжения поднимает действительный защитный потенциал подземного металлического сооружения (по абсолютной величине) до величины заданного защитного потенциала и автоматически поддерживает эту величину на заданном уровне. При уменьшении действительного защитного потенциала на подземном металлическом сооружении система автоматического регулирования блока управления 13 увеличивает выходной ток до такой величины, чтобы действительный защитный потенциал стал равным заданному защитному потенциалу. При увеличении действительного защитного потенциала на подземном сооружении система автоматического регулирования блока управления 13 уменьшает выходной ток до такой величины, чтобы действительный защитный потенциал стал равным заданному защитному потенциалу. Так осуществляется стабилизация заданного защитного потенциала на подземном металлическом сооружении с высокой точностью.
Для стабилизации выходного напряжения источника постоянного напряжения в качестве сигнала обратной связи необходимо использовать выходное напряжение источника постоянного напряжения. Для этого делитель выходного напряжения подключают к шинам нагрузки. Напряжение обратной связи снимается с делителя и подается на первый вход блока активного фильтра 22. Далее источник постоянного напряжения работает аналогично изложенному выше.
При увеличении выходного напряжения источника постоянного напряжения выше заданного значения система автоматического регулирования блока управления 13 уменьшает выходное напряжение, а при уменьшении выходного напряжения система автоматического регулирования блока управления 13 увеличивает выходное напряжение.
Таким образом поддерживается постоянным выходное напряжение источника постоянного напряжения с высокой точностью.
Например, для поддержания с заданной точностью температуры нагрева печи в качестве сигнала обратной связи используется напряжение, снимаемое с датчика температуры, которое пропорционально температуре нагрева печи. Это напряжение подается на первый вход блока активного фильтра 22. С выхода блока активного фильтра 22 поступает напряжение, пропорциональное сигналу обратной связи, на четвертый вход блока усилителей сигналов рассогласования 17. Далее источник постоянного напряжения работает аналогично описанному выше. При повышении температуры печи выше заданного значения система автоматического регулирования блока управления 13 уменьшает выходной ток источника, а при понижении температуры печи - увеличивает выходной ток. Таким образом поддерживается постоянной температура печи с высокой точностью.
При работе источника постоянного напряжения в режиме стабилизации выходного тока сигнал обратной связи снимается с датчика ограничения и стабилизации выходного тока 7 и поступает в блок зашиты 20 и на третий вход блока усилителей сигналов рассогласования 17, где сравнивается с заданным опорным напряжением, величина которого устанавливается переменным резистором (задатчик выходного тока). В результате сравнения образуется сигнал рассогласования, который усиливается вторым усилителем сигнала рассогласования блока усилителей сигналов рассогласования 17 и в виде управляющего напряжения через развязывающий диод поступает на первый вход блока формирования импульсов 18. Далее схема работает аналогично описанному выше.
Когда при увеличении напряжения питающей сети или при изменении сопротивления нагрузки произойдет увеличение выходного тока источника постоянного напряжения, тогда система автоматического регулирования блока управления 13 уменьшает выходной ток, а при уменьшении выходного тока система автоматического регулирования блока управления 13 увеличивает выходной ток.
Таким образом поддерживается постоянным выходной ток источника постоянного напряжения с высокой точностью, величина которого может устанавливаться от нуля до номинального значения.
В источнике постоянного напряжения предусмотрена возможность ограничения максимального тока в нагрузке при перегрузке источника постоянного напряжения по току, т.е. когда сопротивление нагрузки меньше номинального значения. Например, когда сопротивление нагрузки равно половине номинального значения (0,5 Rном), тогда выходной ток будет в 2 раза больше номинального значения. Это может привести к выходу из строя регулирующих элементов управляемого выпрямителя. Поэтому защита источника постоянного напряжения настраивается таким образом, чтобы выходной ток не превышал номинального значения больше чем на (5-10) % при уменьшении номинального значения сопротивления нагрузки. Ограничение тока сохраняется при любом режиме работы источника постоянного напряжения.
При работе источника постоянного напряжения в режиме стабилизации какого-либо параметра (защитного потенциала, выходного напряжения, температуры и т. п.) одновременно работают два контура: контур стабилизации какого-либо параметра и контур ограничения выходного тока (он же является и контуром стабилизации выходного тока). Контур стабилизации какого-либо параметра составляют: сигнал обратной связи - блок активного фильтра - блок усилителей сигналов рассогласования - блок формирования импульсов - блок усилителя мощности - управляемый выпрямитель - сглаживающий фильтр с датчиком ограничения и стабилизации выходного тока - нагрузка. Контур ограничения (стабилизации) выходного тока составляют: сигнал обратной связи от датчика ограничения и стабилизации выходного тока - блок усилителей сигналов рассогласования - блок формирования импульсов - блок усилителя мощности - управляемый выпрямитель - сглаживающий фильтр с датчиком ограничения и стабилизации выходного тока - нагрузка.
Выходы обоих усилителей сигналов рассогласования этих контуров подключены к одному и тому же входу блока формирования импульсов 18 через развязывающие диоды. Управляющее напряжение на первый вход блока формирования импульсов 18 будет поступать от того контура, амплитуда управляющего напряжения которого будет больше. При этом развязывающий диод другого контура будет заперт.
При работе источника постоянного напряжения в режиме стабилизации действительного защитного потенциала управляющее напряжение с блока усилителей сигналов рассогласования будет поступать на первый вход блока формирования импульсов 18 и, следовательно, будет управлять работой управляемого выпрямителя, стабилизируя действительный защитный потенциал. Если при этом выходной ток не превышает номинального значения, то сигнал обратной связи, снимаемый с датчика ограничения и стабилизации выходного тока 7, будет мал по амплитуде и управляющее напряжение во втором контуре вырабатываться не будет.
Если теперь по какой-либо причине сопротивление нагрузки уменьшится и выходной ток станет больше номинального значения, тогда сигнал обратной связи, снимаемый с датчика ограничения и стабилизации выходного тока 7, возрастет по амплитуде и управляющее напряжение контура ограничения выходного тока через развязывающий диод поступит на первый вход блока формирования импульсов 18 и, следовательно, будет управлять работой управляемого выпрямителя, стабилизируя выходной ток. При этом развязывающий диод контура стабилизации действительного защитного потенциала будет заперт и стабилизация действительного защитного потенциала не будет производиться. При исчезновении кратковременной перегрузки источник постоянного напряжения вернется в исходное состояние и будет продолжать стабилизировать действительный защитный потенциал.
Если в нагрузке произойдет короткое замыкание (когда сопротивление нагрузки составляет сотые доли Ома), то напряжение обратной связи, снимаемое с датчика ограничения и стабилизации выходного тока 7, резко возрастет по амплитуде. Тогда сработает блок защиты 20 и исполнительный орган защиты выключит коммутирующий аппарат, а следовательно, отключит источник постоянного напряжения от питающей сети.
При возникновении короткого замыкания внутри источника постоянного напряжения резко возрастет фазный ток в первичной обмотке трансформатора. Также возрастет по амплитуде напряжение, снимаемое с датчика фазного тока 3, что приведет к срабатыванию блока защиты 20 и исполнительный орган защиты выключит коммутирующий аппарат и отключит источник постоянного напряжения от питающей сети.
При применении источника постоянного напряжения в системе коррозионного мониторинга для защиты от электрохимической коррозии подземных металлических сооружений он может быть дополнительно оборудован зажимами, контакты которых подключены к соответствующим точкам блоков источника постоянного напряжения, для подключения к комплексу телемеханики. Это позволит осуществлять с помощью комплекса телемеханики функции: телеизмерения параметров источника постоянного напряжения, телесигнализации, телеуправления и телерегулирования. На контактах зажимов с помощью комплекса телемеханики можно будет измерять выходной ток, выходное напряжение, защитный потенциал, потребление электроэнергии (если в источнике постоянного напряжения установлен счетчик электрической энергии), управлять выходным напряжением (током), контролировать открытое или закрытое состояние двери источника постоянного напряжения, напряжение питающей сети, прерывать выходной ток источника постоянного напряжения, осуществлять другие функции и передавать эту информацию на центральный диспетчерский пункт.
Таким образом, изобретение позволяет повысить входное сопротивление измерительных цепей источника постоянного напряжения до сотен МОм, снизить погрешность измерения сигнала обратной связи, с высокой точностью поддерживать требуемый параметр, надежно работать при сигнале помехи переменного синусоидального напряжения частотой 50 Гц величиной более 5 В на входе блока активного фильтра и снизить массу сглаживающего фильтра.
1. Источник постоянного напряжения, содержащий последовательно соединенные трансформатор и управляемый выпрямитель, сглаживающий фильтр, усилитель сигнала рассогласования, источник опорного напряжения, блок фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений, содержащий индуктивности, ограничители напряжений и конденсаторы, причем индуктивности включены в шины питания источника постоянного напряжения, ограничители напряжения подключены к шинам питания источника постоянного напряжения и корпусу, а конденсаторы включены между шинами питания источника постоянного напряжения, между шинами питания источника постоянного напряжения и корпусом, коммутирующий аппарат, датчик фазного тока, при этом входные силовые цепи коммутирующего аппарата подключены к блоку фильтра радиопомех и защиты от перенапряжений, выходная силовая цепь подключена к датчику фазного тока, первый выход которого соединен с первичной обмоткой трансформатора, вход сглаживающего фильтра соединен с первым выходом управляемого выпрямителя, а выход соединен с первой шиной нагрузки источника постоянного напряжения, датчик ограничения и стабилизации выходного тока, вход которого соединен со вторым выходом управляемого выпрямителя, а выход соединен со второй шиной нагрузки источника постоянного напряжения, фильтр радиопомех и защиты от перенапряжений, содержащий ограничители напряжений и конденсаторы, в котором ограничители напряжения и конденсаторы включены между шинами нагрузки источника постоянного напряжения, между шиной нагрузки источника постоянного напряжения и корпусом, последовательно соединенные трансформатор питания защиты, выпрямитель и исполнительный орган защиты, при этом вход трансформатора питания защиты подключен к входным силовым цепям коммутирующего аппарата, а выходные цепи исполнительного органа защиты включены последовательно в цепь питания коммутирующего аппарата, блок активного фильтра, первый вход которого предназначен для подключения сигнала обратной связи, блок управления, содержащий блок защиты, первый вход которого подключен ко второму выходу датчика фазного тока, третий вход подключен ко второму выходу датчика ограничения и стабилизации выходного тока, выход подключен ко второму входу исполнительного органа защиты, и последовательно соединенные трансформатор питания, блок источников питания, источник опорного напряжения, блок усилителей сигналов рассогласования, который снабжен схемой управления счетчиком времени наработки и вторым усилителем сигнала рассогласования, при этом в выходные цепи обоих усилителей сигналов рассогласования включены развязывающие диоды, третьи входы первого и второго усилителей сигналов рассогласования и схемы управления счетчиком времени наработки соединены с первым входом блока усилителей сигналов рассогласования, вторые входы первого и второго усилителей сигналов рассогласования и схемы управления счетчиком времени наработки соединены со вторым входом блока усилителей сигналов рассогласования, первый вход второго усилителя сигнала рассогласования соединен с третьим входом блока усилителей сигналов рассогласования, четвертый вход блока усилителей сигналов рассогласования соединен с первыми входами первого усилителя сигнала рассогласования и схемы управления счетчиком времени наработки, выход схемы управления счетчиком времени наработки соединен с третьим выходом блока усилителей сигналов рассогласования, блок формирования импульсов, к первому входу которого подключен выход второго усилителя сигнала рассогласования, и блок усилителя мощности, выход которого соединен со вторым входом управляемого выпрямителя, второй вход соединен со вторым выходом блока источников питания и вторыми входами блока активного фильтра, блока защиты, блока формирования импульсов и блока усилителей сигналов рассогласования, при этом третий и четвертый входы которого подключены ко второму выходу датчика ограничения и стабилизации выходного тока и к выходу блока активного фильтра, третий и четвертый выходы трансформатора питания подключены к третьему входу блока формирования импульсов и к третьему входу блока усилителя мощности, вход соединен с первичной обмоткой трансформатора, и счетчик времени наработки, отличающийся тем, что блок активного фильтра содержит последовательно соединенные делитель напряжения, повторитель напряжения и активный фильтр низких частот, при этом выход активного фильтра низких частот подключен к выходу блока активного фильтра, вход делителя напряжения подключен к первому входу блока активного фильтра, вторые входы повторителя напряжения и активного фильтра низких частот подключены ко второму входу блока активного фильтра, второй вход блока источников питания подключен ко второму выходу трансформатора питания, третий вход блока источников питания подключен к третьему выходу блока усилителей сигналов рассогласования, в котором выход первого усилителя сигнала рассогласования соединен с первым выходом блока усилителей сигналов рассогласования, выход второго усилителя сигнала рассогласования соединен со вторым выходом блока усилителей сигналов рассогласования, третий выход блока источников питания подключен к счетчику времени наработки, вторая выходная силовая цепь коммутирующего аппарата соединена с первичной обмоткой трансформатора, сглаживающий фильтр снабжен компенсационной обмоткой и введен переключатель режимов работы, первый вход которого подключен к четвертому выходу блока источников питания, второй вход подключен к первому выходу блока усилителей сигналов рассогласования, выход подключен к первому входу блока формирования импульсов.
2. Блок активного фильтра, содержащий последовательно соединенные первый делитель напряжения и первый повторитель напряжения, активный фильтр низких частот, при этом выход активного фильтра низких частот подключен к выходу блока активного фильтра, вход первого делителя напряжения подключен к первому входу блока активного фильтра, предназначенному для подключения сигнала обратной связи, вторые входы первого повторителя напряжения и активного фильтра низких частот подключены ко второму входу блока активного фильтра, отличающийся тем, что он снабжен последовательно соединенными вторым делителем напряжения, вторым повторителем напряжения и переключателем каналов, выход которого подключен к первому входу активного фильтра низких частот, вход второго делителя напряжения подключен к третьему входу блока активного фильтра, предназначенному для подключения сигнала обратной связи, второй вход второго повторителя напряжения подключен к второму входу блока активного фильтра, выход первого повторителя напряжения подключен к второму входу переключателя каналов.
