БЛОК ПИТАНИЯ С ТОКОВЫМ ВХОДОМ
POWER SUPPLY UNIT WITH A CURRENT INPUT

Изобретение относится к электротехнике, а именно - к блокам питания микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики, может быть применено при проектировании блоков питания, получающих энергию от токовых трансформатора и фаз.
Многие небольшие энергетические объекты, оснащаемые микропроцессорными устройствами релейной, защиты и автоматики, не имеют отдельно выделенной цепи напряжения оперативного питания. Питание устройств защиты организуют от цепей токовых трансформаторов фаз, установленных обычно на шинах фаз А и С используя блоки питания с токовым входом.
Известен блок питания с токовый вход, первичная обмотка входного трансформатора тока которого соединена со вторичной обмоткой фазного трансформатора тока энергетического объекта, а вторичная обмотка нагружена на двухтактный выпрямитель. Выход выпрямителя через разделительный диод соединен с емкостным фильтром и с параллельно включенным транзистором. Транзистор управляется схемой управления, которая выдает управляющее воздействие на транзистор в зависимости от напряжения на емкостном фильтре (Блок питания БПК-001, ОАО "ВНИИР", г. Чебоксары - http://www/naladka.by/?id:=259 - [1]). Данный блок устанавливается для каждого микропроцессорного устройства релейной защиты, имеет массогабаритные характеристики, близкие к аналогичным характеристикам микропроцессорного устройства.
Известен так же блок питания БПК-4 (Захаров О.Г. Источники питания для схем с цифровыми устройствами релейной защиты, стр. 14-15 - [2]), выполненный в соответствии с техническим решением по патенту РФ 2216844 и содержащий входной трансформатор тока, двухполупериодный выпрямитель, силовой транзисторный ключ, схему управления, разделительный диод и емкостной фильтр. Принцип работы блока питания БПК-4 состоит в следующем. Схема управления осуществляет контроль напряжения на конденсаторе емкостного фильтра, и в зависимости от уровня напряжения формирует управляющее воздействие на силовой транзистор, который либо прекращает, когда транзистор открыт, заряд конденсатора емкостного фильтра либо разрешает, когда транзистор закрыт. Разряду конденсатора при замкнутом силовом транзисторе препятствует разделительный диод. Данному техническому решению блока питания также свойственен недостаток - применение входных трансформаторов тока, что приводит к увеличению габаритов. Подобные блоки питания часто рассчитаны на обслуживание нескольких микропроцессорных устройств релейной защиты и автоматики, и в некоторых случаях это является неприемлемым как по экономическим соображениям, так и по условиям размещения и надежности. Обеспечение индивидуальным питанием от токовых цепей подстанций каждого микропроцессорного устройства повышает надежность защиты энергетического распределительного оборудования, однако решение этой задачи известными техническими решениями связано с увеличением затрат.
Лишен указанного недостатка известный блок питания с токовым входом по патенту РФ №2588581 - [3], принятый за прототип, в котором в качестве входного трансформатора тока использован фазный трансформатор тока энергетического объекта, силовой ключ включен параллельно входу двухполупериодного выпрямителя, а в качестве силового ключа использован симметричный тиристор, при этом схема управления выполнена в виде цепи из последовательно включенных токоограничивающего резистора и порогового элемента, например симметричного стабилитрона либо симметричного супрессора, соединенной одним концом со входом двухполупериодного выпрямителя, другим - с управляющим электродом тиристора.
Известный блок питания по патенту №2588581 содержит симметричный тиристор в качестве силового ключа, схему управления в виде цепи из последовательно соединенных токоограничительного резистора и симметричного стабилитрона (либо симметричного супрессора), двухподупериодный выпрямитель, емкостной фильтр, разделительный полупроводниковый диод, включенный в прямом направлении между положительным выводом выпрямителя и положительным выводом емкостного фильтра. Силовой ключ включен силовыми выводами параллельно входу двухполупериодного выпрямителя. Параллельно силовым выводам силового ключа подключена цепь из последовательно соединенных токоограничительного резистора и симметричного стабилитрона (либо супрессора), второй конец которой соединен с управляющим электродом симметричного тиристора силового ключа. Выводы силового ключа являются входом блока питания, клеммы емкостного фильтра - выходом. Для гальванической развязки с нагрузкой могут быть применены известные преобразователи постоянного напряжения в постоянное на основе малогабаритных импульсных трансформаторов. Блок питания работает следующим образом. Пусть вход устройства подключен ко вторичной обмотке фазного трансформатора тока и что ток в нем отсутствует. В исходном состоянии в устройстве не протекают токи и отсутствуют напряжения на выводах компонентов. В этом случае зарядный ток конденсатора емкостного фильтра отсутствует, напряжение на конденсаторе фильтра практически равно нулю, схема управления не пропускает ток в управляющий электрод силового ключа - симметричного тиристора, он находится в закрытом состоянии и ток через него не протекает. Напряжение на выходе устройства равно нулю. В некоторый момент времени во вторичной обмотке фазного трансформатора тока появился ток, т.к. симметричный тиристор закрыт, то этот ток пройдет через двуполупериодный выпрямитель и разделительный диод в конденсатор емкостного фильтра, напряжение на котором будет увеличиваться. Так же начнет увеличиваться напряжение на силовых электродах симметричного тиристора и на цепи управления, что в некоторый момент времени приведет к пробою симметричного стабилитрона (либо симметричного супрессора), в результате чего симметричный тиристор перейдет в открытое состояние, напряжение на его силовых выводах упадет до малого уровня (от 2,2 до 2,5 В в зависимости от типа тиристора), пробой симметричный стабилитрон (симметричный супрессор) прекратится и перестанет протекать ток в цепи управления. Заряд емкостного фильтра прекратится, а разделительный диод, предотвратит разряд емкостного фильтра через цепь заряда. При смене полярности тока фазного трансформатора тока, описанные процессы формирования зарядного тока емкостного фильтра вновь повторятся.
Техническое решение, принятое за прототип, имеет массогабаритное преимущество перед аналогами - за счет отсутствия входного трансформатора тока. Однако данное техническое решение имеет свой недостаток - оно имеет относительно высокую пульсацию напряжения на конденсаторе емкостного фильтра из-за низкой частоты коммутации симметричного тиристора и работа конденсатора фильтра с большой переменной составляющей напряжения. Это требует усложнения последующего преобразователя напряжения и приводит к необходимости применения в емкостном фильтре специальных типов электролитических конденсаторов.
Технической задачей предлагаемого изобретения является уменьшение переменной составляющей в выходном напряжении.
Поставленная задача достигается тем, что параллельно силовому ключу подключено нелинейное сопротивление в виде двух диодных мостов, соединенных последовательно по входу переменного тока и закороченные по выходу постоянного тока, а между силовым ключом и выпрямителем включен трансформатор напряжения, который может быть повышающим и иметь две входные обмотки.
Уменьшение переменной составляющей в техническом решении по патенту №2588581 затруднительно из-за того, что силовой ключ периодически меняет общее сопротивление нагрузки на вторичную обмотку трансформатора тока в достаточно широком диапазоне - от малого значения, определяемого проводимостью открытого симметричного тиристора, до состояния динамически увеличивающегося сопротивления цепи заряда конденсатора емкостного фильтра.
Получение приемлемой пульсации возможно при нагрузке вторичной обмотки трансформатора тока нелинейным сопротивлением, значение которого изменяется плавно. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода в прямом включении имеет экспоненциальный вид, потому прямое напряжение на диоде растер непропорционально медленнее, чем рост прямого тока через диод. Однако падение на единичном диоде является незначительным, а для передачи мощности, например через трансформатор напряжения, необходимо к первичной обмотке подвести 3-3,5 В. То есть нелинейное сопротивление должно быть несколько больше нелинейного сопротивление одиночного диода. Таким нелинейным сопротивлением может быть цепочка последовательно соединенных полупроводниковых диодов, падение напряжения на которых так же имеет экспоненциальную зависимость от протекающего тока. Для переменного тока необходимо использовать две параллельно и встречно включенные цепочки последовательно соединенных диодов. Реализовать такое соединение возможно при использовании полупроводниковых диодных мостов, соединив их последовательно по переменному току и закороченных по выходу постоянного тока. Соединив первичную обмотку трансформатора напряжения, который может быть и повышающим, параллельно цепочке полупроводниковых диодов получим на его выходной обмотке синусоидальное переменное напряжение. При резком возрастании тока через вторичную обмотку трансформатор тока на диодной цепочке может резко возрасти напряжение, неприемлемое для первичной обмотки трансформатора напряжения. Для предотвращения этой ситуации параллельно диодной цепочки необходимо подключить симметричный тиристор, цепь управления которого будет контролировать выходное напряжение вторичной обмотки трансформатора напряжения и открывать тиристор при превышении заданного значения контролируемого напряжения. Открывшийся симметричный тиристор уменьшит значение напряжении на первичной обмотке трансформатора напряжения, однако оно останется весьма близким к синусоидальному.
На фиг. 1 представлена функциональная схема заявленного блока питания, где обозначено: 1 - трансформатор тока энергетического объекта (в состав блока питания не входит), 2 и 3 - выпрямительные диодные мосты, 4 - симметричный тиристор, 5 - трансформатор напряжения с первичной обмоткой 5а и вторичной обмоткой 5б, 6 - выпрямительный диодный мост, 7 - конденсатор емкостного фильтра, 8 - схема управления. Выпрямительные диодные мосты 2 и 3 соединены последовательно по переменному току перемычкой, соединяющей один вход переменного тока моста 2 и один вход переменного тока моста 3, другие входа переменного тока моста 2 и моста 3 соединены каждый со своей клеммой вторичной обмотки трансформатора 1 тока энергетического объекта. Силовые выводы симметричного тиристора 4 соединены со своими выводами вторичной обмотки трансформатор 1 тока энергетического объекта. Первичная обмотка 5а трансформатора напряжения 5 подключена ко вторичной обмотке трансформатора 1 тока энергетического объекта, вторичная обмотка 5б трансформатора 5 напряжения нагружена на вход переменного тока выпрямителя - диодного моста 6, Выход диодного моста 6 соединен с конденсатором 7 емкостного фильтра. Вход схемы 8 управления соединен с выходом диодного моста 6, выход - с управляющим электродом: симметричного тиристора 4.
Работает предлагаемый блок питания следующим образом. Допустим, что в исходном состоянии через первичную обмотку трансформатора 1 тока не протекает ток нагрузки, при этом в его вторичной обмотке так же не протекает ток, нет падения напряжения на диодных мостах 2 и 3 и напряжение на первичной обмотке трансформатора 5 напряжения отсутствует, нет напряжения на конденсаторе 7 емкостного фильтра, управляющий сигнал с выхода схемы 8 управления отсутствует и симметричный тиристор 4 закрыт. Пусть в первичной обмотке трансформатора 1 тока начал протекать синусоидальный ток, одновременно начинает протекать ток и во вторичной обмотке трансформатора 1 тока, при этом значение тока вторичной обмотки определяется коэффициентом трансформации трансформатора 1 тока. Ток вторичной обмотки трансформатора 1 тока начинает протекать в сопротивлении нагрузки - в соединенных последовательно диодных мостах 2 и 3, вызывая на них падение напряжения. Форма напряжения на диодных мостах 2 и 3 весьма близка к синусоидальной. На выводах первичной обмотки 5а трансформатора 5 напряжения прикладывается напряжение, возникающее на диодных мостах 2 и 3 от протекающего через них тока. Это напряжение трансформируется в напряжение на вторичной обмотке 5б трансформатора 5 напряжения, выпрямляется диодным мостом 6 и фильтруется на конденсаторе 7 емкостного фильтра. Напряжение на конденсаторе 7 емкостного фильтра контролируется по значению схемой 8 управления. При увеличении тока через первичную обмотку трансформатора 1 тока увеличивается пропорционально и ток через диодные мосты 2 и 3, однако из-за экспоненциальной характеристики полупроводниковых диодов, составляющих диодные мосты, падение напряжения на них увеличивается не прямо пропорционально протекающему току, а в экспоненциальной зависимости. При резком увеличении вторичного тока трансформатора 1 тока через диодные мосты 2 и 3 падение напряжения на них может резко возрасти, что приводит к увеличению напряжения на конденсаторе 7 емкостного фильтра. Схема 8 управления определяет повышение напряжения на конденсаторе 7 выше заданного порогового значения и формирует на своем выходе управляющее воздействие на управляющий электрод симметричного тиристора 4, переводя его в открытое состояние, Открывшийся симметричный тиристор начинает пропускать часть тока вторичной обмотки трансформатора 1 тока через себя, напряжение на входе первичной обмотке 5а трансформатора 5 напряжения снижается, что приводит к снижению напряжения на конденсаторе 7 емкостного фильтра ниже порога контроля и схема 8 управления снимает управляющее воздействие с управляющего электрода симметричного тиристора 4. Падение напряжения на диодных мостах 2 и 3 вновь поднимается на такое значение, что вновь срабатывает схема 8 управления и процесс повторяется до снижения тока вторичной обмотки трансформатора 1 тока.
Структура изменяющегося нелинейного сопротивления нагрузки вторичной обмотки трансформатора 1 тока и процесс регулирования выходного напряжения в предлагаемом блоке питания обеспечивают меньшее значение переменной составляющей в выходном напряжении за счет того, что в процессе функционирования не происходит значительного изменения сопротивления нагрузки вторичной обмотки трансформатора 1 тока и не возникает существенного перепада напряжения на первичной обмотке 5а трансформатора 5 напряжения - оно изменяется между значением падения напряжения на открытом симметричном тиристоре 4 и падением напряжения на последовательно соединенных диодных мостах 2 и 3. Это позволяет существенно снизить переменную составляющую на входе емкостного фильтра и отказаться от использования специальных электролитических конденсаторов.
Предлагаемый блок питания может быть двухканальным, питаться от трансформаторов тока фаз А и С, а трансформатор напряжения 5 может иметь две первичные обмотки и может быть повышающим. Это позволяет предлагаемому блоку питания более гибко обеспечивать требования по преобразованию входного тока в напряжение.
Источники информации:
1. http://www/naladka.by/?id=259.
2. Захаров О.Г. Источники питания для схем с цифровыми устройствами релейной защиты. - М.: НПФ "Энергопрогресс", 2011. - С. 14-15.
3. Патент RU №2588581, H02J 11/00. Блок питания с токовым входом / Милюшин Н.Н., Чунь А.Н. - Опубл.: 10.07.2016. Бюл. №19.