Стабилизатор переменного напряжения с защитой от перегрузок по току и способ управления этим стабилизатором

(51)М, Кл. б 05 Г 1/00 Н 02 Н 7/12 Говудврствевб квинтет СССР ао делан изабрвтеннй и аткрытий(Научно-исспедоватепьский институт автоматикии электромеханики при Томском институте автоматй".птрованньщсистем управпения и радиоэлектроники(54) СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ С ЗАШИТОЙ ОТ ПЕРЕГРУЗОК ПО ТОКУ И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭТИМ СТАБИЛИЗАТОРОМИзобретение относится к энектротехнике, в частности к стабипизаторам переменного напряжения, и может быть испопьзовано в стабипизаторах переменногонапряжения малой и средней мощности.Известен стабилизатор переменного на 5пряжения, содержащий вопьтодобавочныетрансформаторы и попупроводниковые кпючи 13,Недостатком известного стабипизато 0ра является низкая перегрузочная способность по току нагрузки,Известен способ зашиты попупроводниковых кпючей от перегрузки, состоящийв снятии управпения ипи откпючении си 15новой части при помощи быстродействующих выключателей 23.Недостатком известного способа является появпение перенапряжений на эпементах стабилизатора, а также необходимость снятия напряжения. с нагрузки.Наиболее бпизким по технической сущности к изобретению явпяется стабипизатор переменного напряжения с защитой от перегрузок по току, содержащий соединенные параппепьно и включенные междувходным и выходным выводами канал стабипизации, состоящий из вопьтодобавочного трансформатора и попупроводниковыхкпючей, и канал перегрузки на встречнонараппепьно включенных тиристорах, блокуправперчя тиристорами, датчик тока, входом соединенный с входом пороговогоэлемента, блок измерения выходного напряжения, выходом соединенный с бпоком формирования управпяюших импупьсов,перекпючатепи, соединенные своими уп"равпяюшими входами с выходом порогового эпемента, и блок гальванической развязки сигнапов управпения попупроводниковыми кпючами, а также способ управпения этим стабипизатором, закпючаюшийся в отключении при перегрузке канапастабипизации и подключении канала перегрузки и характеризующийся номинальными токами при откпючении канала перегрузки и подключении канала стабипизации З 1907 5Недостатком указанного стаби лиэатора явпяется низкое быстродействие кацапов стабилизации и перегрузки. При возникновении перегрузки канап стабипизации откшочается не мгновенно, а ао окончании попупериода тока нагрузки, Это приводит к снижению надежности стабипиэато, ра и повышению установпенной мошности полупроводниковых ключей, При снятии перегрузки стабилизатор выходит на ре-.- 16 жим стабилизации также с выдержкой времени, необходимой дпя естественного выкпючения тиристоров канапа перегрузки,Иепь изобретения - повышение техни=. ко-экопомических показате лей, 15Указанная цель достигается тем, что в стабилизаторе переменного напряжения с зашитой от перегрузок по току, содержашем соединенные параплепьно и включенные между входным и выходным выво дами канал стабилизации, состояши й иэ вопьтодобавочного трансформатора и полупроводниковых кшочей, и канал перегрузки на встречно-параппепьно вкпюченных тиристорах, блок управления тиристо рами, датчик тока, выходом соединенный с входом порогового эпемента, бпок измерения выходного напряжения, выходами соединенный с бпоком формирования управпяюших импульсов, переключатепи, соеО диненные своими управпяюшими входами с выходом порогового элемента, и блок гапьванической развязки сигнапов управ- пения попупроводниковыми ключами, канал стабилизации выпопнен на попностью управпяемых ключах, а в стабипизатор введен датчик потока энергии, два входа которого включены между входным и выходным выводами, два других входа подключены к входным выводамвыход соединен через первый перекпючатепь с бпоком формирования управпяющих импупьсов бпок управления тиристорами подкпючен к управпяюшим эпектродам тиристоров через второй перекпючатепь, а бпок формирования управпяюших импульсов через третий переключатепь соединен с входом блока гальванической развязки сигнапов управпения с полупроводниковыми кпючами.Кроме того, с цепью повышения надеж-ности, поспедоватепьно с обмоткой вопь тодобавочного трансформатора включен допопнительный датчик тока, выходом подключенный к допопнитепьному входу порогового эпемента.При этом в способе управления стаби=- лизатором при помощи датчика потока энергии выделяют интервалы совпадения 17 4полярностей входного напряжения и тока нагрузки, и интервапы несовпадения укаэанных вепичин, при снятии перегрузки тиристоры канала перегрузки принудительно запирают за счет включения канапа сабнпнэации в интервалах совпадения попярностей указанных вепичин из режима вопьтодобавки, а в интервапах несовпадения - их режима вопьтоотбавки, при возникновении перегрузки откпючают канал стабипиэации и подключают канап перегрузки без выдержки времени относитепьно момента возникновения перегрузки.Кроме того, дпя повышения надежности, при снятии перегрузки стабипизаторвыводят в режим стабипиэации из режимов вопьтодобавки и вольтоотбавки с задержкой времени, равной времени восстановления запирающих свойств тиристоровканопа перегрузки.На фиг. 1 представлена принципиальная эпектрическая блок-схема предпагаемого стабипизатора; на фиг. 2 - диаграмма его работы,Стабилизатор содержит канал 1 стабипнэации, состоящий из вольтодобавоч-ъного трансформатора 2 и полупроводниковых кпючей 3-6. Паралпепьно канапу 1стабилизации включен канал 7 перегрузки, состоящий из встречно-параппельновкшоченных тиристоров 8 и 9. Поспедовательно с нагрузкой 10 вкшоцен датчик11 тока и датчик 12 потока энергии,два других входа которого подключенык зажимам питающей сети - входным выводамК зажимам нагрузки - выходным выводам подкшочен измеритепь 13 напряжения, выход которого и выход блока 14 опорных напрякений подключены ко входу блока 15 формирования управпяюших импупьсов. Выход датчика 12 потока энергии также подключен ко входу бпока 15 через первый переключатепь 16. Выход блока 15 через третий переключатель 17 и блок 18 гальванической развязки сигналов управпения подключен к цепям управления попупроводниковых кпючей 3-6.Блок 19 управления тиристорами через второй перекшочатепь 20 соединен с каналом 7 перегрузки. Перекпючатепи 16, 17 и 20 подкпючены своими управпяюшими входами к пороговому элементу 21, Пороговый элемент соединен своими входами с датчиком 11 тока и с датчиком 22 тока, вкпюченным поспедоватепьно с обмоткой вопьтодобавочного трансформатора,907На диаграммах приняты следующие обозначения: 23 - выходное напряжение стабипизатора; 24 - ток нагрузки; 25- пороговое значение тока нагрузки, до превышения которого стабипизатор работает в режиме стабипизации напряжения; 26- напряжение сети; 27 - сигнап, формируемый датчиком 12 потока энергии; 28- сигнап обратной связи, формируемый измерите пем 13 напря жения; 2 9-30 - пи О лообразные напряжения, формируемые в блоке 14; 31 - импульсы, формируемые пороговым элементом 21; 32 - резупьтируюший сигнал, поступающий в бпок 15 формирования управпяюших импупьсов с измерителя 13 и датчика 12 энергии;33 - ток нагрузки, протекающий через канал стабилизации; 34 - ток нагрузки, протекающий через канап перегрузки, В табпице 35 приведен апгоритм перекпючения ключевых элементов 3-6. Устройство работает следующим образом,В исходном состоянии ток 24 нагрузки не превышает порогового значения 25,спедоватепьно перекпючатепи 1 6 и 20разомкнуты, а 17 - замкнут. Напряжениена нагрузке 10 измеряется измерителем13. Датчик 12 потока энергии формиру- ЗОет импупьсы 27. Так как переключатепь16 разомкнут, на вход блока 15 поступают только сигнал 28 с выхода измерителя 13 и пипообразные напряжения 29 и30. В блоке 15 формируются управпяюшие импупьсы, которые проходят череззамкнутый переключатель 17, бпок 18гальванической развязки сигналов управпения и поступают на управпяюшие цепиключей 3-6, Соответствуюшее включение 4 Оключей определяет режим попной ипи частичной вопьтодобавки, режим неискаженной передачи, или режим полной ипи частичной отбавки.При возникновении перегрузки в момент времении Ы 4 пороговый эпемент 21формирует импупьс 31, поступающий навходы перекпючатецей 16, 17 и 20. Перекпючатепь 17 размыкается и снимаетуправление с попупроводниковых кпючей3-6. Переключатель 20 замыкается и разрешает прохождение управляюших импупьсов с бпока 19 управпения тиристорамина управпяюшие электроды тиристоров 8и 9 канала 7 перегрузки. Такимобразом,канал 1 стабилизации откпючается, аток 24 нагрузки переводится в канапперегрузки. На интервапе перегрузкиЫ-а 2 импульсы 27, формируемые" датчи 517 6ком 12 потока энергии, через замкнутый переключатель 16 поступают на вход бпока 15 форь чрования управпяюших импупьсов. Сигнап 32, представпяюший собой сумму сигналов 27 и 28, сравнивается в блоке 15 с опорными пичообразными напряжениями 29 и 30. Нахождение сигнача 31 в зоне 1 соответствует вкпючению канала стабипизации в режим максимальной вопьтоотбавки, в зоне Ю в режим максимапьной вопьтодобавки, в зоне.- частичной вопьтоотбавки ипи частичной вопьтодобавки.Таким образом, на интервапах перегрузки система управпения формирует им-, пульсы управпения таким образом, чтобы, включив кацап стабилизации из режима максимальной вопьтодобавки, принудительно запереть вкшоченный тиристор канала перегрузки, На интервапе времени йь-оу напряжение сети соответствует полярности, указанной на фиг, 1 без скобок, При этом ток нагрузки протекает ло тиристору 9. Затем ток 24 нагрузки уменьшает ся до порогового значения 25. Переключатепь 14 замыкается, и на кпючи 3-6 канала 1 стабилизации поступают импульсы управления. Так как сигнал 32 находится в зоне 1 на интервапе времени, предшествовавшем моменту д. канап 1 стабипизации вкпючается из режима максимапьной вопьтоотбавки, т.е. замыкаются кпючи 3 и 6, и параппепьно тиристору 9 включается обмотка трансформатора 2, причем к аноду тиристора 9 прикпадывается отрицатепьное напряжение. Тиристор 9 запирается, а стабипизатор выходит на режим стабилизации, На интервапе времени д -о процессы протекают аналогично, но в момент времени 04 канап 1 стабипизации вкпючается из режима максимапьной вольтодобавки, так как на интервапе д -с попярность тока нагрузки совпадает с полярностью напряжения сети, т.е. тиристор 8 включен, Тиристор 8 запирается, и канал 1 стабилизации вновь выходит на режим стабипизации.Таким образом; на интервапах времени, где ток нагрузки не превышает порогового значения, ток 33 нагрузки протекает по канаду стабипизации, токи 34 перегрузки протекают по тиристорам канала перегрузки.С цепью повышения надежности коммутации тиристоров канап стабипизации выводят из режимов максимапьной вольтоотбавки и максимапьной вопьтодобавки с выдержкой времени 1 ост,равной времени восстановления запирающих свойствтиристоров. На эпюрах фиг. 2 выдержка времени показана точками.Самые небпагоприятные усповия коммутации тиристоров возникают в том спучае, если ток нагрузки уменьшается и достигает порогового значения в момент равенства нулю напряжения сети. При этом тиристор не запирается, и по цепи: трансформатор 2 - кличи 3 и 6 (4 и 5) - канап 7 перегрузки - трансформа тор 2 начинает развиваться короткое замыкание. Ток в этом контуре контропируется датчиком 22 тока. При достижении этим током порогового значения канал стабипизации откшочается, и дапее стабипизатор работает по тому же апгоритму, что и при перегрузке.Таким образом, предпагаемый стабипизатор переменного напряжения и способ управпения этим стабипиэатором обеспечивают мгновенный переход стабипизатора в режим перегрузки при возникновении перегрузки и переход стабипизатора в режим стабипизации при снятии перегрузки с задержкой времени, не превышаю шей время восстановпения запирающих свойств тиристоров. При этом напряжение с нагрузки не снимается, перенапряжений на эпементах стабилизатора не возникает, а также искпючается возможность возникновения короткого замыкания между канапами стабипизатора. Это повышает надежность стабипизатора, его технико-экономические показатели и поэвопяет испопьзовать стабипизатор в си 5 стемах с гарантированным питанием. Кроме того, на интервапах, где мгновенные значения тока нагрузки меньше порогового, канап стабилизации осушествпяет компенсацию отклонения выходного напряже 40 ния, вызванного перегрузкой. При мапых кратностях тока нагрузки, а также при ударном характере нагрузки эта компенсация может быть попной, т.е, стабипизатор обеспечивает заданную точность45 стабилизации даже при перегрузке.Формупа изобретения1Стабипизатор переменного напряже 50 ния с защитой от перегрузок по току, содержащий соединенные параллельно и вкпюченные между входным и выходным выводами канап стабипизации, состоящий Мэ вопьтодобавочного трансформатора и55 полупроводниковых кпючей, и канап перегрузки на встречно-параппепьно включенных тиристорах, бпок управпения тиристорами, датчик тока, выходом соединенныйс входом порогового эпемента, бпок измерения выходного напряжения, выходамисоединенный с бпоком формирования управпяющих импупьсов, перекпючатепи,соединенные своими управпяюшими входами с выходом порогового элемента, иблок гальванической развязки сигнаповуправпения полупроводниковыми ключами,отпичаюшийся тем,что,сцелью повышения технико-экономическихпоказателей, канап стабипизации выпопнен на полностью управляемых кпючах,а в стабилизатор введен датчик потокаэнергии, два входа которого вкпюченымежду входным и выходным выводами,два других выхода подкшочены к входнымвыводам, выход соединен через первыйперекпючатепь с бпоком формирования уп-"равпяюших импупьсов, блок управления тиристорами подключен к управпяюшим эпектродам тиристоров через второй перекпючатепь,а бпок формйрования управпяюшихимпульсов через третий перекпючатепьсоединен с входом бпока гальваническойразвязки сигнапов управления с попупроводниковыми кпючами,2. Стабилизатор по и. 1., о т и и -ч а ю щ и й с я тем, что, с цепью надежности, последоватепьно с обмоткойвольтодобавочного трансформатора включен дополнительный датчик тока, выходомподключенный к допопнитепьному входупорогового элемента.3. Способ управления стабипизаторомно п. 1, заключающийся в отключениипри перегрузке канапа стабипизации иподкпючении канала перегрузки и в отключении при номинальных токах канада перегрузки и подкпючении канала стабилизации,отличающийся тем,что выделяют интерваны совпадения попярностей входного напряжения и тока нагрузки, и интервапы несовпадения указанных величин, причем при снятии перегрузки канал перегрузки принудитепьнозапирают без выдержки времени за счетвключения канапа стабипизации в интервалах совпадения полярностей указанных величин из режима вопьтодобавки, а в интервалах несовпадения - из режима вопьтоотбавки, при возникновении перегрузкиоткпючают канап стабипизации и подкпючают канап перегрузки без выдержки времени относительно момента возникновения перегрузки,4. Способ по и, 3, о т и и ч а юш и й с я тем, что, с целью повышениянадежности, при снятии перегрузки стабилизатор выводят в режим стабилизациииз режимов вольтопобавки и вольтоотбавки с зацержкой времени, равной временивосстановления, запирающик свойств ти-ристоров канала перегрузки. Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Авторское свидетельство СССР% 589681, кл.,( 02 Р 13/16Э 05 Р 1/44.2. Сб, Проблемы миниатюризациии унификации ВИП РЭА. Материалы се-минаров. М., РОТО МНЙТП,1979 с. 118.3. Патент США М 3600664,кл. С 05 Г 1/20, З 05 Р 1/44, 1978