СТАБИЛИЗАТОР ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ

Настоящая полезная модель относится к устройствам регулирования и стабилизации напряжения, используемым на железнодорожном транспорте. Стабилизатор электрического напряжения предназначен для использования в основном как электротехническое оборудование в системах электроснабжения пассажирских вагонов и вагонов-ресторанов.
Уровень техники
Для регулирования и стабилизации напряжения на подвижном составе железных дорог используются различного рода устройства регулирования электрического напряжения, преобразователи и стабилизаторы. Стабилизатором является электротехнический статический преобразователь, предназначенные для стабилизации параметра на его выходе (тока или напряжения) при изменениях питающего напряжения на их входе. Например, для стабилизации напряжения в сети дежурного освещения пассажирских вагонов постройки Германии используется преобразователь типа 2460.121, именуемый диодным ограничителем напряжения (далее по тексту, ДОН), см. "Описание и инструкция по ремонту диодного ограничителя напряжения 110 В /54 В типа 2460.121", Берлин, 1979 г., всего 28 стр.(схема спального вагона типа К/Ки 8259.578-934:01/9).
Указанный преобразователь ДОН предназначен для ограничения максимального напряжения питания для ламп накаливания с номинальным напряжением 110 В, служащих для вспомогательного освещения, а также для других вспомогательных потребителей на пассажирских вагонах с генератором постоянного тока или трехфазного генератора переменного тока и с номинальным напряжением установки 110 В, которое может повышаться до 140 В. Для ограничения напряжения до верхнего допустимого предела, потребителям предвключаются диодные блоки, каждый из которых состоит из нескольких диодов, включенных последовательно.
Выход преобразователя ДОН на 110 В имеет три предвключенные группы, состоящие каждая из 18 диодов, включенных по схеме последовательно, которые при низком выходном напряжении преобразователя ДОНа шунтируются при помощи трех реле. Переключения данных реле производится в зависимости от напряжения на выходе преобразователя ДОН. В случае достижения верхнего предела напряжения, т.е. примерно 115 В, включается первая группа диодов перед потребителями и напряжение снижается на величину перепада напряжения на диодах. При дальнейшем повышении напряжения на входе преобразователя ДОНа включается вторая группа диодов. Если выходное напряжение продолжает повышаться, то подключается также и третья группа диодов. Если выходное напряжение снижается ниже 95 В, то сначала перемыкается одна группа диодов, благодаря чему выходное напряжение снова повышается. При дальнейшем снижении напряжения перемыкается вторая группа диодов. Если наблюдается дальнейшее падение напряжения на входе ДОНа, то шунтируется и третья группа диодов.
Недостатками преобразователя ДОН являются значительные перепады напряжения при включении/выключении диодных групп, которые снижают срок службы оборудования вагона, в частности, осветительного оборудования, а также большие массо-габаритные показатели и высокие тепловые потери преобразователя ДОН. Значительные перепады напряжения приводят к значительному уменьшению срока службы электроосветительных устройств, поскольку перепады напряжения вызывают ускоренное старение нитей накаливания у электрических ламп.
Раскрытие полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение плавного увеличения напряжения в нагрузке при включении стабилизатора с одновременным уменьшением его массо-габаритных показателей и снижением тепловых потерь.
Указанная задача решается применением стабилизатора электрического напряжения, установленного в железнодорожном вагоне (предпочтительно, пассажирском) и содержащего вход стабилизатора, электрический ключ, сглаживающий модуль и выход стабилизатора, причем электрический ключ установлен с возможностью подключения входа стабилизатора ко входу сглаживающего модуля, а выход сглаживающего модуля подключен к выходу стабилизатора. При подключении с помощью электрического ключа входа сглаживающего модуля ко входу стабилизатора, электрическое напряжение на выходе сглаживающего элемента начинает изменяться, стремясь установиться равным или пропорциональным электрическому напряжению, подаваемому на вход сглаживающего модуля. Так как сглаживающий модуль обладает некоторой инерционностью изменения напряжения и/или тока, за счет которой и осуществляется сглаживание перепадов электрического напряжения, то электрическое напряжение на выходе сглаживающего модуля, а значит и на выходе стабилизатора электрического напряжения, будет нарастать постепенно в течение некоторого времени, задаваемого характеристиками сглаживающего модуля.
Сглаживающий модуль предназначен для сглаживания электрического напряжения, подаваемого на выход стабилизатора и обычно выполняется с использованием реактивных элементов и может содержать дроссель, электрическую емкость или несколько таких реактивных элементов, а также RC-цепь. Расчет временных характеристик изменений напряжения в сглаживающем модуле хорошо известен в уровне техники и может осуществляться как во временной, так и частотной областях.
Электрический ключ, входящий в состав стабилизатора электрического напряжения, может замыкаться в начале периода подачи электрического напряжения на выход стабилизатора, и размыкаться в конце этого периода. В этом случае напряжение на выходе стабилизатора плавно изменяется и в установившемся режиме будет соответствующим или пропорциональным напряжению на входе стабилизатора за исключением потерь в нем.
В другом варианте электрический ключ может замыкаться на короткий промежуток времени, и если он меньше, чем время изменения напряжения на выходе сглаживающего модуля в ответ на изменение напряжения на входе, то выходное напряжение стабилизатора будет достигать меньшей величины, чем в случае долговременного замыкания ключа. В случае кратковременного замыкания ключа величина напряжения на выходе стабилизатора зависит от длительности периода замыкания, и при периодическом повторении кратковременных замыканий ключа с определенной частотой оно будет удерживаться с некоторыми отклонениями на постоянном уровне, отличном от уровня напряжения на входе стабилизатора.
Частота повторения замыканий ключа выбирается исходя из инерционных характеристик сглаживающего модуля так, чтобы отклонения выходного напряжения от постоянного уровня напряжения (колебания напряжения) имели пренебрежимую величину. Уровень постоянного напряжения регулируется длительностью замыкания электрического ключа относительно периода повторения замыкания, такой способ регулирования напряжения называется широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Применение ШИМ для регулирования напряжения обеспечивает возможность плавного регулирования напряжения.
Для того, чтобы регулировать уровень выходного напряжения, стабилизатор электрического напряжения содержит систему автоматического управления, установленную с возможностью управления электрическим ключом в зависимости от заданного выходного электрического напряжения и фактического электрического напряжения на выходе стабилизатора. Система автоматического управления выполнена с возможностью управления электрическим ключом по способу широтно-импульсной модуляции таким образом, что при включении стабилизатора напряжение и ток нагрузки плавно увеличиваются в течение заданного периода времени.
Стабилизатор электрического напряжения с ШИМ обладает такими преимуществами, как сниженные массо-габаритные показатели и малые тепловые потери при обеспечении плавности регулирования напряжения. Недостатком такого стабилизатора является то, что из-за периодической коммутации электрического ключа, входящего в состав стабилизатора электрического напряжения, появляются сильные электромагнитные импульсы, так как ключом коммутируются большие токи, протекающие по нему при большом энергопотреблении. На выход стабилизатора электрического напряжения электромагнитные импульсы не поступают, так как они сглаживаются сглаживающим модулем. Однако значительные электромагнитные импульсы ухудшают электромагнитную обстановку в окружающей среде и являются помехами для электронных устройств.
Для того, чтобы стабилизатор электрического напряжения не создавал электромагнитных помех, он снабжен средствами экранирования, причем между средствами экранирования и металлическим корпусом железнодорожного вагона предусмотрено электрическое соединение. В предпочтительном варианте средства экранирования представляют собой металлический корпус стабилизатора. Электромагнитные импульсы, появляющиеся в результате работы стабилизатора электрического напряжения, улавливаются металлическим корпусом и стекают на корпус вагона и далее через металлические колеса и рельсы в землю благодаря наличию электрического соединения корпуса стабилизатора с корпусом вагона, а также вследствие того, что колеса железнодорожного вагона, имеющие электрический контакт с металлическим корпусом вагона, выполнены из металла, также как и рельсы, имеющие электрический контакт с колесами вагона и землей.
В предпочтительном варианте электрическое соединение между металлическим корпусом стабилизатора электрического напряжения и металлическим корпусом вагона выполнено путем закрепления стабилизатора на металлическом корпусе железнодорожного вагона болтовым или сварным соединением.
Металлический корпус стабилизатора также выполняет функцию теплоотвода путем рассеяния тепла в окружающее пространство. В предпочтительном варианте для улучшения теплоотвода на металлическом корпусе стабилизатора электрического напряжения предусмотрены ребра охлаждения.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели параллельно входу стабилизатора подключен электрический конденсатор.
Согласно полезной модели, электрический ключ может быть выполнен с использованием, по меньшей мере, одного высоковольтного сильноточного полевого транзистора. В предпочтительном варианте электрический ключ выполнен с использованием трех параллельно соединенных высоковольтных сильноточных полевых транзисторов.
В одном из вариантов сглаживающий модуль является сглаживающим фильтром, содержащим электрический конденсатор и электрический дроссель. В предпочтительном варианте сглаживающий модуль содержит диод, подключенный с возможностью коммутации реактивного тока электрического дросселя при запирании электрического ключа.
Стабилизатор электрического напряжения может содержать источник питания, установленный с возможностью питания системы автоматического управления и/или управления электрическим ключом.
Стабилизатор напряжения также может содержать источник опорного напряжения.
В одном из вариантов осуществления полезной модели стабилизатор содержит датчик тока, подающий сигнал, пропорциональный величине тока сглаживающего модуля, в систему автоматического управления. В предпочтительном варианте датчик тока является бесконтактным.
В предпочтительном варианте осуществления полезной модели период времени увеличения напряжения и тока нагрузки на выходе стабилизатора составляет 1,5 секунды.
В одном из вариантов осуществления полезной модели стабилизатор электрического напряжения выполнен с возможность работы в двух режимах: стабилизации выходного напряжения и ограничения выходного тока. В предпочтительном варианте выходное напряжение стабилизируется на уровне 110 В, а выходной ток ограничивается на уровне 16 А.
В одном из вариантов полезной модели стабилизатор выполнен с возможностью выключения при коротком замыкании в цепях нагрузки. В предпочтительном варианте выключение происходит через 3 секунды после определения наличия короткого замыкания.
Согласно предпочтительному варианту стабилизатор электрического напряжения используется для питания ламп накаливания.
Техническим результатом полезной модели является обеспечение возможности регулирования электрического напряжения по способу широтно-импульсной модуляции при одновременном обеспечении отсутствия электромагнитных помех в окружающем пространстве за счет улавливания электромагнитных импульсов металлическим корпусом стабилизатора, откуда импульсы имеют возможность стечь в землю благодаря обеспечению электрического соединения между корпусом стабилизатора и металлическим корпусом вагона. Использование способа широтно-импульсной модуляции дает такие преимущества, как плавность увеличения электрического напряжения при включении, что увеличивает срок службы осветительного оборудования вагона, сниженные тепловые потери и уменьшенные массо-габаритные показатели.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена принципиальная электрическая схема стабилизатора.
Осуществление полезной модели
Стабилизатор электрического напряжения в предпочтительном варианте осуществления является стабилизатором напряжения сети освещения (СНСО). СНСО пассажирского вагона представляет собой завершенную, независимую конструкцию от других узлов и блоков системы электроснабжения вагона.
Корпус силового модуля СНСО представляет собой разборный алюминиевый короб, имеющий на внешней поверхности (съемной крышке) ребра охлаждения. Расположение корпуса СНСО - вертикальное, т.е. ребра охлаждения расположены вертикально относительно общей компоновки распределительного шкафа, что обеспечивает необходимую и достаточную циркуляцию воздуха. Охлаждение - естественное, рассчитанное на длительный режим работы преобразователя. Сверху и снизу корпус закрыт крышками. На нижней крышке закреплены промаркированные соединительные клеммы, посредством которых осуществляется включение СНСО в бортовую сеть. На внешнюю поверхность корпуса СНСО выведены промаркированные светодиоды, индицирующие режим его работы.
На печатной плате, установленной внутри корпуса, расположены элементы электронной схемы. Силовые компоненты, требующие интенсивного охлаждения, притянуты винтами к верхней крышке-охладителю, что обеспечивает отвод тепла в окружающую среду.
Коробчатый корпус силового модуля четырьмя болтами закреплен на поверхности оцинкованного листового профиля, являющегося частью корпуса вагона.
Принципиальная электрическая схема СНСО выполнена в соответствии со структурной блок-схемой СНСО, приведенной на фиг.1.
На фиг.1 использованы следующие обозначения:
Uвx - входное напряжение стабилизатора;
Uвых - выходное напряжение стабилизатора;
ИП - внутренний источник питания;
САУ - система автоматического управления и регулирования;
СК - силовой электрический ключ на транзисторах;
ДТ - бесконтактный датчик тока;
С1 - накопительный конденсатор;
С2 - конденсатор выходного сглаживающего фильтра;
L1 - дроссель выходного сглаживающего фильтра;
Vd1 - обратный диод;
F1 - внутренний предохранитель источника питания
Электрическая схема СНСО представляет собой импульсный высокочастотный понижающий преобразователь постоянно-постоянного тока последовательного типа. На вход схемы (клемма 1) подается напряжение из бортовой сети вагона, к выходу СНСО (клемма 4) подключены лампы накаливания сети дежурного освещения вагона и иные потребители постоянного стабилизированного напряжения (клемма 2 заземлена). СНСО работает в двух основных режимах: стабилизация выходного напряжения (на уровне 110 В), ограничение выходного тока (на уровне 16 А). При включении СНСО осуществляет плавное (в течение 1,5 с) увеличение напряжения и тока нагрузки на выходе стабилизатора. При коротком замыкании в цепях нагрузки стабилизатор с задержкой в 3 с выключается.
Функционально СНСО состоит из следующих частей: силового преобразователя (СК, С1, Vd1, L1, С2, ДТ), источника питания собственных нужд (ИП), системы управления и защиты (САУ) преобразователя.
борт.сети
Силовая часть стабилизатора представляет собой преобразователь постоянно-постоянного тока. На вход схемы из бортовой сети вагона подается напряжение, которым заряжается батарея импульсных накопительных конденсаторов С1. Силовой ключевой элемент СК, выполненный на трех параллельно соединенных полевых высоковольтных сильноточных транзисторах, по сигналу от системы регулирования САУ с высокой частотой подключает накопительный конденсатор С1 к входящему в состав сглаживающего модуля, выполненного в виде сглаживающего фильтра, выходному дросселю L1. Через дроссель L1 и датчик тока ДТ, подающий сигнал, пропорциональный выходному току, в САУ, заряжается выходной конденсатор С2, напряжение с обкладок которого подается в цепь освещения, или иным нагрузкам. Реактивный ток дросселя L1 проходит через выходную емкость и при запирании силового ключа СК коммутируется обратным быстродействующим диодом Vd1. При изменении времени замкнутого состояния силового ключа СК (коэффициента заполнения) пропорционально изменяется среднее значение импульсного напряжения Uвx подводимого к выходному дросселю L1, соответственно, изменяется напряжение 11вых на выходном конденсаторе. Система регулирования САУ стабилизатора устанавливает такой коэффициент заполнения, чтобы либо среднее значение напряжения на конденсаторе С2 было равным 110 В, либо средний ток дросселя L1 не превышал 16 А. Таким образом цепи освещения вагона запитываются отфильтрованным постоянным напряжением, значение которого поддерживается на уровне 110 В при напряжении бортовой сети вагона (а значит и Uвx для СНСО) 110÷170 В. При понижении напряжения в бортовой сети ниже 110 В, напряжение Uвых на выходе СНСО устанавливается равным 0,98*U.
Внутренняя схема питания ИП представляет собой обратноходовой высокочастотный преобразователь, работающий по принципу использования энергии магнитного поля трансформатора. ИП запитывается входным напряжением через клемму 3 через предохранитель F1.
В целом, схема источника питания ИП обеспечивает генерацию напряжений:+15 В / -15 В с общей точкой на минусе схемы для питания системы управления и гальванически-развязанные +15 В/ -5 В для управления силовыми транзисторами ("подвешенное" питание). Суммарная мощность схемы питания - не более 5 Вт.
Основой системы автоматического управления является ШИМ контроллер с заданной несущей частотой широтно-импульсной модуляции. Для определения величины входного напряжения в САУ подается входное напряжение Uвx с клеммы 3 через предохранитель F1.
Для обеспечения стабильности работы внутренних цепей контроллер имеет интегрированный узел - источник опорного напряжения ИОН. В рабочем диапазоне питающего напряжения выходное напряжение Uоп источника опорного напряжения ИОН остается постоянным. Напряжение Uоп используется в качестве опорного другими элементами схемы СНСО (схемой токовой защиты, стабилизации выходного напряжения и стабилизации тока нагрузки).
Максимальный коэффициент заполнения сигнала, генерируемого ШИМ контроллером, в установившемся режиме составляет 0,98.
Сигналы обратной связи по выходному напряжению и току нагрузки, поступают на вход внутреннего усилителя рассогласования ШИМ контроллера.
Элементы электрической схемы подобраны таким образом, чтобы СНСО устойчиво работал при входном напряжении Uвx от 110 В и выше и отключался при увеличении напряжения Uвx выше 170 В. А также номиналы этих элементов определяют время задержки, которое составляет 3 с, перед отключением СНСО при понижении входного напряжения Uвx ниже уровня 50 В. При этом нагрузка СНСО обесточивается.
Передача управляющего воздействия от ШИМ контроллера на затворы мощных транзисторов осуществляется с помощью микросхемы-драйвера, которая имеет в своем составе высоковольтную быстродействующую оптическую развязку и мощный выходной формирователь. Узлы драйвера получают питание от гальванически-развязанного источника питания ИП +15 В / -5 В. При получении сигнала от ШИМ контроллера на открытие транзисторов на выходе драйвера появляется напряжение питания "подвешенного" источника (+15 В) на затворах силовых полевых транзисторов модуля СК. Когда ШИМ контроллер снимает импульс управления, на затворы силовых полевых транзисторов модуля СК подается отрицательное смещение и транзисторы запираются.
Мгновенное значение тока силовых транзисторов замеряется с помощью модуля бесконтактного датчика тока ДТ, включенного в цепь дросселя L1. Датчик тока ДТ обеспечивает протекание токового сигнала в САУ, форма которого строго соответствует силе тока выходного дросселя L1. Величина выходного тока стабилизатора соответствует силе тока выходного дросселя L1.
Сигнал от датчика тока обрабатывают: схема токовой защиты и регулятор среднего значения тока преобразователя.
Когда амплитуда силы тока дросселя достигает 19-20 А, схема токовой защиты срабатывает и если в течении трех секунд величина силы тока дросселя не изменится, СНСО обесточит нагрузку.
Регулятор стабилизации выходного напряжения вступает в действие при повышении тока нагрузки СНСО до 16 А. При этом на ШИМ контроллер подается необходимое смещение и средний ток дросселя L1 стабилизируется на заданном уровне 16 А. Таким образом, предотвращается перегрузка силовых цепей.
max
Режимы работы стабилизатора индицируются светодиодами HL1-HL3. Горение индикатора HL2 (ВКЛЮЧЕН) сигнализирует нормальный режим работы (режим стабилизации напряжения), индикатор HL3 (I) - режим ограничения тока нагрузки, индикатор HL1 (НЕИСПРАВНОСТЬ) - снижение выходного напряжения ниже допустимого уровня или короткое замыкание в нагрузке стабилизатора.
Основные технические параметры СНСО приведены в табл.1.
Таблица 1.
Наименование параметра
Величина
Диапазон рабочего входного напряжения
от 60 В до 170 В
Перенапряжение (τ≤1 с)
400 В
Допустимая пульсация входного напряжения
не более 10% (питание от индукторного генератора переменного тока через трехфазный выпрямительный мост)
Выходное напряжениепри U<sub>БОРТ.СЕТИ</sub>=60÷110 Впри U<sub>БОРТ.СЕТИ</sub>=110÷170 В
не менее 0,98*U<sub>БОРТ.СЕТИ</sub>110±1 В
Температурная стабильность выходного напряжения
0,03% на °К
Пульсация выходного напряжения на частоте модуляции (f=100 кГц)
не более 0,2 В
Низкочастотная пульсация выходного напряжения (нестабильность по входному напряжению)
не более 0,5 В
Максимальный продолжительный ток нагрузки
16 А
Продолжение табл.1
Режим работы
продолжительный
Внешние входной и выходной предохранители
16 А
Рассеиваемая мощность:холостого ходапри максимальном токе нагрузки
не более 6 Втне более 25 Вт
Температурный диапазон Т<sub>ОКР.СРЕДЫ</sub> функционированияхранения
от -25°С до +50°Сот -50°С до +85°С
Степень защиты (IP):собственнаяв распределительном шкафу
IP41IP41
Достоинствами стабилизатора по полезной модели являются плавное повышение напряжения при включении, что увеличивает срок службы осветительных приборов вагона, подключенных к стабилизатору, сниженные тепловые потери по сравнению с преобразователем ДОН и уменьшенная в 6 раз масса (с 24 кг у ДОНа, до 4 кг у СНСО), причем общий объем СНСО меньше объема ДОН в 10 раз.