СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Предлагаемая полезная модель относится к области электротехники, в частности к устройствам преобразования электрической энергии и предназначено для стабилизации и регулирования выходного выпрямленного тока или напряжения систем электроснабжения летательных аппаратов повышенного уровня электрификации (в том числе «полностью электрических самолетов»), а также других транспортных средств.
Известно устройство, содержащее однофазный двухполупериодный регулятор напряжения, выполненный на основе двух двухобмоточных дросселей насыщения {Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики. Учебник для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1983 г., с. 94-97) [1].
Недостатком такого технического решения является то, что при использовании двухобмоточных дросселей насыщения, наличие отдельной обмотки управления (второй обмотки) требует высокого напряжения управления, существенно ухудшает динамические характеристики (быстродействие) дросселя насыщения из-за большой индуктивности обмотки управления, а также ведет к повышению массы, усложнении конструктивного исполнения и ухудшает технологичность изготовления.
Также известен однофазный двухполупериодный регулятор напряжения на основе двух однообмоточных дросселях насыщения (ОДН) способный регулировать выходное напряжение и обеспечивающий защиту от коротких замыканий цепей нагрузки (Липман Р.А, Негневщкий И.Б. Быстродействующие магнитные и магнитно-полупроводниковые усилители. Москва - Ленинград, Госэнергоиздат, 1960, с. 322 рис. 9-4а) [2]. Но данное схемотехническое решение имеет недостаток, обусловленный необходимостью применения дополнительного источника питания, что ведет к увеличению массогабаритных показателей, ухудшает технологичность изготовления.
Наиболее близким аналогом к заявляемому является известный однофазный стабилизированный источник питания {Хруслов Л.Л. Магнитные ключи в многоканальных источниках питания // Электропитание, №2, 1992 г., с. 53, рис. 3) [3], содержащий силовой трансформатор; двухполупериодный выпрямитель; первый и второй управляемые однообмоточные дроссели насыщения, соединенные с одним управляющим элементом; нагрузочный резистор; датчик выходного напряжения, подключенный параллельно нагрузочному резистору; выходной сглаживающий фильтр, подключенный параллельно нагрузочному резистору; усилитель сигнала рассогласования, подключенный к датчику выходного напряжения и к источнику опорного напряжения.
Данное техническое решение обеспечивает стабилизацию выходного напряжения с высоким КПД, посредством применения однообмоточных дросселей насыщения, которые отличаются от двухобмоточных лучшими динамическими характеристиками (быстродействием), улучшенным конструктивным исполнением и более высокой технологичностью изготовления.
Недостатком такого технического решения является то, что оно работоспособно только в схемах выпрямления со средней точкой, и не работоспособно в других схемах выпрямления, также в представленном виде (рис. 3 с. 53) устройство не обеспечивает защиту от коротких замыканий цепи нагрузки, вследствие того, что цепь регулирующего элемента подключена к шине выходного напряжения.
Поэтому задачи, на решение которых направлено заявляемое техническое решение, заключаются в обеспечения защиты от аварийных перегрузок по току и коротких замыканий цепи нагрузки, расширении области применения устройства при работе с разными типами выпрямителей, улучшении конструктивного исполнения, повышении технологичности и быстродействия, за счет применения однообмоточных дросселей насыщения и определенным образом подключенного управляющего элемента.
Техническим результатом является обеспечение регулирования и стабилизации выходного напряжения выпрямителя, реализованного по мостовой схеме, обеспечение защиты от коротких замыканий цепи нагрузки, улучшение конструктивного исполнения, повышение технологичности, быстродействия.
Для решения этих задач применены однообмоточные дроссели насыщения, которые включены в одну стойку мостовой схемы выпрямления, причем вход первого дросселя подключен к выходу вторичной обмотки силового трансформатора и к выходу второго дросселя, управляющий элемент подключен через первый развязывающий диод к цепи переменного тока, а именно к выходу первого дросселя, через второй развязывающий диод к входу вторичной обмотки силового трансформатора, через третий развязывающий диод подключен через к входу первого дросселя и через четвертый развязывающий диод к входу вторичной обмотки силового трансформатора.
Новизна заявляемого технического решения обусловлена тем, что цепь управляющего элемента подключена через развязывающие диоды 12-15 к цепи переменного тока вторичной обмотки трансформатора. Такая структура позволяет осуществлять управление размагничиванием обоих однообмоточных дросселей насыщения посредством только одного управляющего элемента, что позволяет реализовать регулирование и стабилизацию выходного напряжения мостовой схемы выпрямления источника питания, а также, в отличие от структуры прототипа, позволяет обеспечить защиту от аварийных перегрузок по току и коротких замыканий цепи нагрузки. К тому же применение однообмоточных дросселей насыщения вместо двухобмоточных позволяет улучшить конструктивное исполнение, повысить технологичность изготовления и быстродействие устройства.
Сущность технического решения поясняется чертежами, где на фигуре 1 представлена принципиальная схема устройства, на фигуре 2 - временные диаграммы, поясняющие работу схемы, содержащие диаграммы напряжения источника входного напряжения U5, напряжения на нагрузке U11, токов I1 и I2 через дроссели насыщения 1 и 2 соответственно, индукций B1 и B2 дросселей 1 и 2 соответственно.
Заявляемая схема включает: входной источник напряжения питания переменного тока 5; силовой трансформатор с первичной 3 и вторичной 4 обмотками, обеспечивающий гальваническую развязку и изменение уровня напряжений; два однообмоточных дросселя насыщения 1 и 2; рабочие диоды (диоды выпрямителя) 6-9; диоды цепи управления (разделительные диоды): 12 - первый разделительный диод, 13 - второй разделительный диод, 14 - третий разделительный диод, 15 - четвертый разделительный диод; управляющий элемент 11, в качестве которого могут использоваться как МДП-транзистор, так и биполярный транзистор или БПТИЗ-транзистор; нагрузочный резистор 10; выходной сглаживающий фильтр (ВСФ) 16; цепь обратной связи, содержащую датчик выходного напряжения (ДВН) 17, усилитель сигнала рассогласования (УСР) 18, источник опорного напряжения (ИОН) 19.
Устройство работает следующим образом.
Напряжение источника питания 5 поступает на первичную обмотку 3 силового трансформатора. Из вторичной обмотки 4 силового трансформатора ток течет через дроссели насыщения 1 и 2 и диоды 6-9 мостового выпрямителя в нагрузку 10. Полупериод питающего напряжения, соответствующий проводящему состоянию диода 6, является рабочим для дросселя 1. Полупериод, соответствующий непроводящему состоянию 6, является управляющим для 1. Тогда положительный полупериод питающего напряжения будет рабочим для дросселя 1 и управляющим для дросселя 2. Отрицательный полупериод питающего напряжения будет рабочим для 2 и управляющим для 1. Управление размагничиванием дросселей осуществляется посредством управляющего элемента 11.
Временные диаграммы, поясняющие работу схемы, приведены на фиг. 2.
В положительный полупериод питающего напряжения дроссель 1 функционирует в рабочем режиме, состоящем из двух временных интервалов (0-α1) и (α1-π). На первом интервале (0-α) под действием источника питания происходит намагничивание магнитопровода дросселя 1 от начального уровня индукции (Bx1) до уровня индукции насыщения (Bs1). На этом интервале 1 ”закрыт” и не пропускает ток через диод 6 в нагрузку 10.
На втором интервале (α1-π) рабочая точка дросселя 1 выходит в область магнитного насыщения. При этом 1 ”открывается” и в нагрузку 10 протекает ток по контуру 4-1-6-10-9-4.
Во время отрицательного полупериода питающего напряжения (π-2π), дроссель 1 функционирует в управляющем режиме. Сердечник дросселя 1 на этом интервале необходимо размагнитить до уровня индукции Bx1. Другими словами необходимо «возвратить» рабочую точку в первоначальное положение на петле гистерезиса. При этом размагничивание 1 производится под воздействием напряжения через управляющий элемент 11 по контуру 11- 12-1-4-14-11.
Дроссель 2 работает аналогично дросселю 1 со сдвигом во времени на 1/2 периода напряжения питания.
Во время отрицательного полупериода питающего напряжения дроссель 2 функционирует в рабочем режиме, состоящем из двух интервалов (π-α2) и (α2-2π).
На первом интервале (π-α2) - под действием отрицательной полярности источника питания происходит намагничивание магнитопровода дросселя 2 от начального уровня индукции (Bx2) до уровня индукции насыщения (Bs2). На этом интервале ОДН 2 ”закрыт” и не пропускает ток в нагрузку 10.
На втором интервале (α2-2π) рабочая точка дросселя 2 выходит в область магнитного насыщения. При этом 2 ”открывается” и в нагрузку 10 протекает ток по контуру 4-7-10-8-2-4.
В управляющем полупериоде сердечник дросселя 2 на интервале (2π-3π) необходимо размагнитить до уровня индукции Bx2. Другими словами необходимо «возвратить» рабочую точку в первоначальное положение на петле гистерезиса. При этом размагничивание ОДН 2 производится через управляющий элемент 11 по контуру 11-13-4-2-15-11.
Таким образом, в течение каждого полупериода напряжения питающей сети напряжение на нагрузке сначала составляет часть от напряжения питающей сети, а потом переключается на полное напряжение сети умноженное на коэффициент трансформации силового трансформатора. Длительность интервала до момента переключения на полное напряжение сети определяется выходным током управляющего элемента 11.
При последующем изменении полярности напряжения питающей сети дроссели насыщения меняются ролями в режимах работы и действие схемы повторяется.
При возникновении тока короткого замыкания, датчик выходного напряжения 17 выдает сигнал, который через усилитель сигнала рассогласования 18 поступает на управляющий элемент 11, выходной ток которого обеспечивает размагничивание дросселя, находящегося в рабочем режиме, приводящее к снижению пропускаемого им (дросселем) в нагрузку тока, тем самым ограничивая ток нагрузки. Источник опорного напряжения 19 формирует эталонное напряжение для сравнения с напряжением, получаемым с датчика выходного напряжения.
Применение выходного сглаживающего фильтра (ВСФ) 16 обусловлено требованием снижения уровня пульсаций напряжения на нагрузке.
Использование предлагаемого технического решения позволяет обеспечить регулирование и стабилизацию выходного выпрямленного напряжения нагрузки, а также защитить элементы преобразователя от коротких замыканий цепи нагрузки.
Может использоваться в системах автоматического регулирования и стабилизации выходного напряжения преобразователей, а также для защиты от перегрузок по току и коротких замыканий нагрузки.
Литература:
1. Миловзоров В.П. Электромагнитные устройства автоматики. Учебник для ВУЗов. - М.: Высшая школа, 1983 г., с. 94-97.
2. Липман Р.А, Негневицкий И.Б. Быстродействующие магнитные и магнитно-полупроводниковые усилители. Москва - Ленинград, Госэнергоиздат, 1960, с.322.
3. Хруслов Л.Л. Магнитные ключи в многоканальных источниках питания // Электропитание, №2, 1992 г., с. 47-57.