ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ НАПРЯЖЕНИЯ AC-DC С ОГРАНИЧЕНИЕМ ПУСКОВОГО ТОКА

Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована при построении источников электропитания.
Известны преобразователи напряжения AC-DC с ограничением пускового тока, в которых для ограничения пускового тока последовательно с одним из входных выводов преобразователя напряжения AC-DC включается токоограничивающий резистор, который шунтируется ключом после достижения на выходе преобразователя напряжения, близкого к номинальному [1]. При подаче входного напряжения пусковой ток такого преобразователя напряжения AC-DC определяется номиналом токоограничивающего резистора.
К недостаткам рассматриваемого технического решения можно отнести:
- необходимость использования токоограничивающего резистора с большим запасом по мощности, т.к. при включении на нем рассеивается пиковая мощность, многократно превышающая среднюю;
- низкую надежность схемы токоограничения во время перегрузки или короткого замыкания на выходе конвертора напряжения. При этом выходное напряжения конвертора не достигает значения, необходимого для открывания ключа, токоограничивающий резистор не шунтируется, перегревается протекающим через него входным током и выходит из строя.
Наиболее близким по технической сущности и решаемой технической задаче является известный преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока, приведенный в [2]. Его функциональная схема показана на фиг.1. Преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока содержит входной выпрямитель, регулирующий элемент, первый силовой вывод которого подключен к выходу входного выпрямителя, второй силовой вывод - к входу конвертора напряжения, а управляющий вывод - к выходу узла управления, вход которого подключен к выходу входного выпрямителя.
Общими признаками предлагаемого технического решения и прототипа являются входной выпрямитель, регулирующий элемент с двумя силовыми и одним управляющим выводами, второй силовой вывод которого подключен к входу конвертора напряжения, а управляющий вывод - к выходу узла управления.
Узел управления анализирует мгновенное значение напряжения на выходе выпрямителя и открывает ключ в момент, когда его значение переходит через нуль.
При таком алгоритме управления максимальное значение пускового тока равно Ic max=C×Umax×ω, где С - емкость на входе конвертора; Umax - максимальное мгновенное значение входного напряжения; ω - круговая частота сети.
К недостаткам рассматриваемого технического решения относится отсутствие токоограничения при кратковременном пропадании сети, а также зависимость уровня токоограничения от изменения напряжения, частоты сети и входной емкости конвертора напряжения.
Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение надежности преобразователя напряжения AC-DC с ограничением пускового тока путем исключения зависимости уровня токоограничения от параметров входной сети и элементов преобразователя.
Поставленная техническая задача решается тем, что предлагается преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока, содержащий входной выпрямитель, выход которого соединен с первым входом датчика тока, регулирующий элемент, первый силовой вывод которого подключен к второму входу датчика тока, конвертор напряжения, вход которого соединяется с вторым силовым выводом регулирующего элемента, датчик напряжения, два входа которого подключены соответственно к первому и второму силовым выводам регулирующего элемента, устройство управления, выход которого соединяется с управляющим выводом регулирующего элемента, сумматор, первый вход которого подключен к выходу датчика тока, второй вход - к выходу датчика напряжения, а выход - к входу узла управления.
Введение в устройство датчиков тока и напряжения позволило исключить влияние параметров входной сети и величины входной емкости конвертора на уровень токоограничения и повысить надежность преобразователя напряжения AC-DC с ограничением пускового тока.
Предлагаемое устройство изготавливается из стандартных элементов, которые серийно выпускаются промышленностью. Оно собирается типовыми монтажными операциями с помощью стандартного оборудования и не требует регулировки, что особенно важно при серийном производстве. Поэтому предлагаемое устройство удовлетворяет критерию промышленной применимости.
На фиг.2 приведена функциональная схема преобразователя напряжения AC-DC с ограничением пускового тока. Предлагаемый преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока содержит входной выпрямитель 1, датчик тока 2 с первым и вторым входами и выходом, регулирующий элемент 3 с первым и вторым силовыми и управляющим выводами, узел управления 4, сумматор 5 с двумя входами и одним выходом, датчик напряжения 6 и конвертор напряжения 7.
В предлагаемом преобразователе напряжения AC-DC с ограничением пускового тока выход входного выпрямителя 1 соединен с первым входом датчика тока 2, второй вход которого подключен к первому силовому выводу регулирующего элемента 3. Второй силовой вывод регулирующего элемента 3 соединен с входом конвертора напряжения 7, а его управляющий вывод - с выходом узла управления 4. К первому и второму силовым выводам регулирующего элемента 3 подключены входы датчика напряжения 6, выход которого соединен с вторым входом сумматора 5. Первый вход сумматора 5 подключен к выходу датчика тока 2, а выход сумматора 5 - к входу узла управления 4.
На фиг.3 приведены в одинаковом масштабе временные диаграммы работы прототипа (диаграммы а и б) и предлагаемого преобразователя (диаграммы в и г). На диаграммах а и в показаны напряжения на выходе выпрямителя и на входе конвертора. На диаграммах б и г показаны токи на выходе выпрямителя.
Работа предлагаемого преобразователя напряжения AC-DC с ограничением пускового тока происходит следующим образом (фиг.3в, 3г).
1
2
3
4
4
5
6
7
8
9
10
11
Узел управления 4 анализирует сигнал с сумматора 5, на который с датчика тока 2 и датчика напряжения 6 поступают сигналы, пропорциональные, мгновенным значениям тока через регулирующий элемент 3 и падения напряжения на регулирующем элементе 3. В момент времени t падение напряжения на регулирующем элементе 3 (фиг.3в) уменьшается ниже установленного порогового значения Uрэ.пор и по сигналу с датчика напряжения 6 узел управления 4 открывает регулирующий элемент 3. Через регулирующий элемент 3 протекает ток (фиг.3г), которым заряжается входная емкость конвертора 7 (условно считаем, что конвертор 7 остается выключенным вплоть до полного заряда его входной емкости). В момент времени t ток, измеряемый токовым датчиком 2, достигает порога ограничения Iогр, и узел управления 4 начинает плавно закрывать регулирующий элемент 3, поддерживая ток на уровне порога ограничения. В момент времени t напряжение на выходе выпрямителя 1 сравнивается по значению с напряжением на входе конвертора 7 и до момента времени t ток через регулирующий элемент 3 прекращается. В момент времени t напряжение на выходе выпрямителя 1 снова достигает значения равного напряжению на входе конвертора и через регулирующий элемент 3 протекает ток, который ограничивается на уровне Iогр. В момент времени t падение напряжения на регулирующем элементе 3 увеличивается больше установленного порога Uрэ.пор и по сигналу с датчика напряжения 6 узел управления 4 закрывает регулирующий элемент 3. Далее процесс повторяется. По мере заряда входной емкости конвертора 7 падение напряжения на регулирующем элементе 3 уменьшается, и управление регулирующим элементом 3 осуществляется только по сигналу с датчика тока 2 (интервалы t-t, t-t). В установившемся режиме, когда входная емкость конвертора заряжена (интервал t-t), регулирующий элемент 3 полностью открыт и потребление тока в предлагаемом преобразователе происходит также, как в прототипе фиг.3б, 3г.
12
13
При пропадании напряжения сети (момент времени t) входная емкость конвертора 7 разряжается и напряжение на его входе уменьшается (фиг.3в). Когда в момент времени t напряжение на входе выпрямителя 1 вновь появляется, процесс запуска повторяется, как это описано выше. Таким образом, в случае пропадания напряжения сети входной ток при повторном включении не превышает уровень ограничения Iогр, в то время как в прототипе входной ток не ограничен (фиг.3б).
В предлагаемом преобразователе анализируется мгновенное значение входного тока, позволяя ограничить его на заранее выбранном уровне. Токоограничение происходит с рассеиванием мощности на регулирующем элементе, поэтому уровень токоограничения связан с областью безопасной работы регулирующего элемента, и мгновенная мощность P(t)=I(t)×U(t) не должна превышать значений, указанных в его паспортных данных. При этом максимальная мощность рассеивается лишь единовременно при включении преобразователя в сеть, когда входная емкость конвертора разряжена.
При расчете преобразователя, исходя из возможностей отвода тепла, места и т.д. можно подобрать регулирующий элемент в наиболее удобном корпусе с запасом по значению мгновенной рассеиваемой мощности P(t), чтобы удержать рабочую точку в области безопасной работы, или, наоборот, исходя из заданных ограничений конструкции и элементной базы, определить уровень токоограничения.
Источники, используемые при написании заявки.
1. Разработка эффективного ограничителя пускового тока для низковольтных сетей постоянного тока. - Сборник «Ракетно-космическая техника», сер.4 общетехническая, вып.6, 1988 г., с.50-54.
2. Патент №53829 на полезную модель «Преобразователь напряжения AC-DC с ограничением пускового тока», 2006 г., автор А.А.Миронов.