АКТИВНЫЙ ОГРАНИЧИТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении вторичных источников электропитания.
Из уровня техники известен способ защиты потребителя от всплесков напряжения и коротких замыканий (Патент RU на изобретение №2270500, МПК: Н02Н 9/04, 2006), осуществляемый с помощью цепи, состоящей из последовательно включенных ограничителя тока и ограничителя напряжения, заключающийся в контроле напряжения на входных зажимах потребителя, сравнении его с установкой и при превышении напряжением установки в пропускании части тока через шунтирующую потребителя цепь ограничителя напряжения, контроле тока сети и шунтирующей цепи, измерении их показателей греющего действия, сравнении этих показателей с уставками и при превышении уставок соответственно в размыкании связи с сетью и переводе шунтирующей цепи в режим закорачивания входных зажимов. Уставка показателя греющего действия шунтирующей цепи в режиме закорачивания, при которой она срабатывает на размыкание, должна превышать уставку греющего действия, при которой срабатывает на размыкание ограничитель тока.
Недостатком вышеуказанного технического решения является крайне низкая перегрузочная способность, приводящая при значительном превышении входных параметров к выходу из строя ограничителя напряжения, построенного по данному способу.
Известно устройство для защиты оборудования от перенапряжений (Патент RU на изобретение №2190916, МПК: Н02Н 9/06, Н02Н 9/04, 2002), содержащее N входных сигнальных выводов для подключения к проводам линии связи, N выходных сигнальных выводов для подключения защищаемого оборудования, вывод заземления, первую ступень защиты на газонаполненных разрядниках, подсоединенных ко входным сигнальным выводам, вторую ступень защиты на подсоединенных к выходным сигнальным выводам двусторонних полупроводниковых ограничителях напряжения, N разделительных электрических сопротивлений, каждое из которых одним выводом соединено с одним из входных сигнальных выводов, а вторым выводом соединено с соответствующим выходным сигнальным выводом. Двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения второй ступени защиты соединены между собой в виде многолучевой звезды с числом лучей, равным (N+1), конец каждого из N лучей подсоединен к одному из N выходных сигнальных выводов, а конец (N+1)-го луча звезды, не подсоединенного ни к одному из сигнальных выводов, соединен с выводом заземления, причем двусторонние полупроводниковые ограничители напряжения, принадлежащие тем N лучам звезды, концы которых соединены с выходными сигнальными выводами устройства, имеют одинаковые характеристики и электрические параметры.
Недостатком вышеуказанного устройства является низкая перегрузочная способность, приводящая к применению дополнительных защитных устройств, так как при его срабатывании из источника электрической энергии потребляется значительный ток, тем самым сужаются его функциональные возможности и область применения.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемым результатам к предлагаемому техническому решению является ограничитель напряжения (Патент RU на полезную модель №153770, МПК: G05F 1/56, 2015), содержащий ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, резисторным датчиком тока, подключенным между первым силовым электродом ключа и выводом входного напряжения, первый усилитель, один вход которого соединен через первый источник опорного напряжения с выводом входного напряжения, конденсатор, включенный между выводом выходного напряжения и общим проводом, второй усилитель, один вход которого подключен к средней точке резисторного делителя напряжения, крайние выводы которого соединены с выводами конденсатора, а второй вход через второй источник опорного напряжения - к общему проводу, логический элемент ИЛИ, входы которого подключены к выходам первого и второго усилителей, а выход соединен с входом одновибратора, подключенного выходом к управляющему электроду ключа, второй силовой электрод которого через дроссель соединен с выводом выходного напряжения и через диод - с общим проводом, второй вход первого усилителя. Второй вход первого усилителя соединен через первый резистор с первым силовым выводом ключа и через программируемый источник тока - с общим проводом.
Техническая проблема, решаемая созданием данной полезной модели, заключается в фиксированном времени задержки tзад при срабатывании защиты по току и напряжению, отсутствие защиты от снижения входного напряжения, а также значительные потери мощности при нормальной работе ограничителя (без срабатывания защиты), связанные с падением напряжения на ключе и резистивном датчике тока, включенном напрямую в токопроводную ветвь.
Технический результат заявляемой полезной модели направлен на устранение фиксированности времени задержки при срабатывании защит, введение защиты от понижения входного напряжения, а также снижение потерь мощности на активном ограничителе напряжения.
Технический результат достигается тем, что заявляемый активный ограничитель напряжения содержит первый ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, первый резисторный датчик тока, источник опорного напряжения, диод, дроссель, конденсатор и резисторный делитель напряжения. При этом первый и второй выводы резисторного делителя напряжения и конденсатор подключены между выводом выходного напряжения и общим проводом. Кроме этого он содержит резисторный делитель входного напряжения, второй ключ с управляющим, первым и вторым силовыми электродами, второй резисторный датчик тока, первый и второй трансформаторы тока, а также ШИМ-контроллер. При этом первые силовые электроды первого и второго ключей соединены с анодом диода, а также с первым силовым электродом дросселя, второй силовой электрод которого подключен к общему проводу и ко второму выводу делителя напряжения. Катод диода соединен с выводом входного напряжения, с выводом выходного напряжения, с входом источника опорного напряжения и первым выводом резисторного делителя напряжения. Входы первого и второго резисторных датчиков тока подключены через первые выходы первого и второго трансформаторов тока к вторым силовым электродам первого и второго ключей, а через вторые выходы первого и второго трансформаторов тока - к общему проводу. Выходы первого и второго резисторных датчиков тока подключены к первому и второму входам ШИМ-контроллера. При этом первый и второй выходы ШИМ-контроллера подключены к управляющим электродам первого и второго ключей, третий вход ШИМ-контроллера соединен через источник опорного напряжения к выводу входного напряжения, четвертый вход ШИМ-контроллера подключен к третьему выводу резисторного датчика входного напряжения, первый вывод которого подключен к выводу входного напряжения, а второй вывод - к общему проводу, пятый вход ШИМ-контроллера подключен к третьему выводу резисторного датчика напряжения.
На рисунке представлена функциональная схема активного ограничителя напряжения.
Предлагаемый активный ограничитель напряжения содержит резисторный делитель входного напряжения (ДВхН) 1, источник опорного напряжения (ИОН) 2, ШИМ-контроллер 3, первый резисторный датчик тока (ДТ1) 4, второй резисторный датчик тока (ДТ2) 5, диод 6, первый ключ (Кл1) 7, второй ключ (Кл2) 8, первый трансформатор тока (ТрТ1) 9, второй трансформатор тока (ТрТ2) 10, дроссель 11, резисторный делитель напряжения (ДН) 12, конденсатор 13.
Первые силовые электроды Кл1 7 и Кл2 8 соединены с анодом диода 6, а также с первым силовым электродом дросселя 11, второй силовой электрод которого подключен к общему проводу и ко второму выводу ДН 12. Катод диода 6 соединен с выводом входного напряжения, с выводом выходного напряжения, с входом ИОН 2 и первым выводом резисторного ДН 12. Входы резисторных ДТ1 4 и ДТ2 5 подключены через первые выходы ТрТ1 9 и ТрТ2 10 к вторым силовым электродам Кл1 7 и Кл2 8, а через вторые выходы ТрТ1 9 и ТрТ2 10 - к общему проводу. Выходы резисторных ДТ1 4 и ДТ2 5 подключены к первому и второму входам ШИМ-контроллера, при этом первый и второй выходы ШИМ-контроллера подключены к управляющим электродам Кл1 7 и Кл2 8. Третий вход ШИМ-контроллера 3 соединен через ИОН 2 к выводу входного напряжения. Четвертый вход ШИМ-контроллера 3 подключен к третьему выводу резисторного ДВхН 1. Первый вывод резисторного ДВхН 1 подключен к выводу входного напряжения, второй вывод - к общему проводу. Конденсатор 13, первый и второй выводы резисторного ДН 12 подключены между выводом выходного напряжения и общим проводом. Пятый вход ШИМ-контроллера 3 подключен к третьему выводу резисторного ДН 12.
Предлагаемый активный ограничитель напряжения работает следующим образом.
Сначала для нормальной работы активного ограничителя напряжения его настраивают на максимальную выходную мощность Рмакс, задавая максимальное значение тока через Кл1 7 и Кл2 8 и при минимальном значении входного напряжения установкой номинала резисторными ДТ1 4 иДТ2 5:
IКл1макс = IКл2макс = U вх.мин/(R1дт × n1) = U вх.мин / (R2дт × n2),
где n1, n2 - коэффициент трансформации ТрТ1 и ТрТ2;
R1дт, R2дт - сопротивления резисторных ДТ1 4 и ДТ2 5.
При IКл1<IКл.макс и IКл2<IКл.макс сигналы на первом и втором входах ШИМ-контроллера 3 отсутствуют и активный ограничитель напряжения работает в обычном режиме.
Затем устанавливают значение напряжения ограничения Uогр выбором сопротивлений резисторного ДН 12. При входном напряжении Uвх<Uогр сигнал на пятом входе ШИМ-контроллера 3 отсутствует и активный ограничитель напряжения работает в обычном режиме.
После этого устанавливают значение минимального входного напряжения Uвх.мин выбором сопротивлений резисторного ДВхН 1. При входном напряжении Uвх>Uвх.мин на четвертый вход ШИМ-контроллера 3 поступает сигнал и активный ограничитель напряжения работает в обычном режиме.
ИОН 2 обеспечивает питание ШИМ-контроллера 3.
При работе в обычном режиме ШИМ-контроллер 3 с первого и второго выходов формирует управляющие сигналы на управляющие электроды Кл1 7 и Кл2 8 таким образом, что каждый из ключей открыт 80% цикла работы ШИМ-контроллера 3. При этом время закрытого состояния Кл1 7 и Кл2 8 расположены через равные промежутки времени. За счет того что Кл1 7 открывается при открытом Кл2 8 (и наоборот) потери на переключение при обычной работе отсутствуют. При этом потери на проводимость значительно снижены за счет того, что 60% времени работы активного ограничителя напряжения открыты Кл1 7 и Кл2 8, а также за счет того, что резисторные ДТ1 4 и ДТ2 5 включены в токопроводную сеть через ТрТ1 9 и ТрТ2 10, работа которых возможна за счет импульсной работы Кл1 7 и Кл2 8, обеспечивая более низкие потери на проводимость.
При снижении входного напряжения Uвх<Uвх.мин сигнал на четвертом входе ШИМ-контроллера 3 пропадает и Кл1 7 и Кл2 8 закрываются. Выходное напряжение снимается Uвых = 0.
При превышении Uвх>Uогр на пятом входе ШИМ-контроллера 3 появляется сигнал. ШИМ-контроллер 3 формирует сигналы управления Кл1 7 и Кл2 8 таким образом, что формируется время задержки tзад, при котором закрыты Кл1 7 и Кл2 8. Когда напряжение на выходе активного ограничителя напряжения снизится до значения ниже Uогр он вернется к работе в обычном режиме. При этом время задержки tзад не фиксировано, что способствует более качественной работе активного ограничителя напряжения.
При увеличении мгновенного значения тока хотя бы через один из Кл1 7 и Кл2 8 сверх установленного на первый и второй входы ШИМ-контроллера 3 поступает сигнал. ШИМ-контроллер 3 формирует сигналы управления Кл1 7 и Кл2 8 таким образом, что формируется время задержки tзад, при котором закрыты Кл1 7 и Кл2 8. Ток через дроссель 11 начинает уменьшаться, протекая на этом интервале через диод 6. При этом время задержки tзад не фиксировано, что способствует более качественной работе активного ограничителя напряжения.
Кроме того, за счет того, что из-за переменной работы Кл1 7 и Кл2 8 в режиме ограничения тока и напряжения частота напряжения, подающегося на дроссель 11 значительно выше, поэтому габариты дросселя 11 могут быть существенно снижены.