Результат интеллектуальной деятельности: ВТОРИЧНЫЙ ИСТОЧНИК ПИТАНИЯ

Изобретение относится к области электротехники и электроники, в частности к вторичным преобразователям переменного тока в постоянное напряжение.

Известен вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от тока фазного провода, содержащий трансформатор тока, первичной обмоткой которого служит фазный провод, трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке трансформатора тока, а вторичная обмотка подключена к входу выпрямительного диодного моста с сглаживающей емкостью. Выходные зажимы выпрямительного диодного моста подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора. Выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке источника питания и аккумуляторной батарее (Бунин А.В., Вишняков С.В., Геворкян В.М., Казанцев Ю.А. и др. Проблема создания источника питания автономного комплексного измерительного устройства высокого напряжения. Тезисы доклада. Труды. XXII Международная конференция «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» МКЭЭЭ-2008, Крым, Алушта, 24 сентября - 4 октября 2008 г. Секция 2 - Электромеханика, с. 297-298).

Недостатком известного вторичного источника отбора мощности является сложность конструкции в сочетании с неустойчивостью работы в широком диапазоне изменения фазного тока в проводе линии передачи.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является вторичный источник бесперебойного питания с отбором мощности от фазного тока, содержащий трансформатор тока, первичная обмотка которого включена в цепь фазного провода, трансформатор напряжения, первичная обмотка которого подключена к вторичной обмотке трансформатора тока, а вторичная обмотка соединена с входом выпрямительного диодного моста с сглаживающим конденсатором, выходные зажимы выпрямительного диодного моста подключены к входным зажимам стабилизатора напряжения, выполненного по схеме DC-DC конвертора, а выходные зажимы DC-DC конвертора подключены к включенным параллельно нагрузке источника питания, аккумуляторной батарее и шунтирующим ветвям, управляемым делителями напряжения. Шунтирующие ветви включены параллельно входным зажимам стабилизатора напряжения и образованы последовательно соединенными транзистором и балластной нагрузкой, включенной в цепь коллектора транзистора, база которого подключена к выходу делителя напряжения, выполненного в виде последовательно соединенных резисторов, включенных параллельно входным зажимам стабилизатора напряжения (Патент РФ №2379742 от 25.12.08 г., G05F 1/618, БИ №2 от 20.01.10 г.).

Недостатком такого вторичного источника отбора мощности является сложность конструкции, определяемая трансформатором напряжения, в сочетании с большой мощностью, рассеиваемой в балластных нагрузках при работе в широком диапазоне изменения фазного тока в проводе линии передачи.

Техническим результатом изобретения является упрощение конструкции и одновременно увеличение коэффициента полезного действия с увеличением надежности работы устройства в широком диапазоне изменения тока в цепи отбора мощности.

Технический результат достигается тем, что вторичный источник питания, содержащий трансформатор тока со вторичной обмоткой, первичная обмотка которого включена в цепь отбора мощности, транзисторы с включенными резисторами в цепи затворов, а истоки транзисторов соединены вместе и подключены к выводу нагрузки и первому выводу сглаживающего конденсатора, а второй вывод нагрузки соединен с вторым выводом сглаживающего конденсатора, он снабжен двумя диода, катоды которых соединены и подключены к второму выводу нагрузки и сглаживающего конденсатора, систему управления, подключенную параллельно нагрузке и сглаживающему конденсатору, один из выходов которой подключен к первому выходу вторичной обмотки трансформатора тока и к резистору, включенному в цепь затвора одного из транзисторов, сток которого подключен к аноду одного из диодов и второму выходу вторичной обмотки трансформатора тока, который подключен к другому выходу системы управления и к резистору, включенному в цепь затвора другого транзистора, сток которого подключен к первому выходу вторичной обмотки трансформатора тока и к аноду второго диода.

Сущность технического решения поясняется чертежом, на котором показана эквивалентная схема вторичного источника питания.

Вторичный источник питания, содержащий трансформатор тока 1 со вторичной обмоткой 2, первичная обмотка которого включена в цепь отбора мощности 3, транзисторы 4 и 5 с включенными резисторами 6 и 7 в цепи затворов, а истоки транзисторов 4, 5 соединены вместе и подключены к выводу нагрузки 8 и первому выводу сглаживающего конденсатора 9, а второй вывод нагрузки 8 соединен с вторым выводом сглаживающего конденсатора 9, два диода 10 и 11, катоды которых соединены, подключены ко второму выводу нагрузки 8 и сглаживающего конденсатора 9, система управления 12 подключена параллельно нагрузке 8 и сглаживающему конденсатору 9, один из выходов которой подключен к первому выходу вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1 и к резистору 6, включенному в цепь затвора транзистора 4, сток которого подключен к аноду одного диода 11 и второму выходу вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1, который подключен к другому выходу системы управления 12 и к резистору 7, включенному в цепь затвора другого транзистора 5, сток которого подключен к первому выходу вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1 и к аноду другого диода 10.

Вторичный источник питания работает следующим образом

Трансформатор тока 1 трансформирует переменный ток, протекающий по первичной обмотке, включенной в цепь отбора мощности 3, с коэффициентом трансформации, равным отношению витков первичной обмотки к количеству витков вторичной обмотки 2.

В первые моменты времени после начала протекания тока в первичной обмотке трансформатора тока положительная полуволна тока вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1 замыкается по контуру, содержащему вторичную обмотку 2 трансформатора тока 1, диод 10, параллельное соединение сглаживающего конденсатора 9 и нагрузки 8 и внутренний диод, являющийся частью структуры транзистора 4.

Отрицательная полуволна тока вторичной обмотки 2 трансформатора 1 замыкается по контуру, содержащему вторичную обмотку 2 трансформатора тока 1, диод 10, параллельное соединение сглаживающего конденсатора 9 и нагрузки 8, внутренний диод, входящий в структуру транзистора 5.

Для уменьшения потерь в транзисторах 4 и 5 в цепь затвора включены резисторы 6 и 7, обеспечивающие режим активного выпрямления для транзисторов 4 и 5. Режим активного выпрямления обеспечивается за счет того, что при протекании положительной полуволны тока вторичной обмотки 2 потенциал затвора транзистора 4 становится отпирающем, поскольку резистор 6, включенный в его затвор, подключен к выводу вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1, находящимся под положительным потенциалом относительно истока транзистора 4, что обеспечивает его открытие. При протекании отрицательной полуволны тока вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1, за счет включения резистора 7, обеспечивается режим активного выпрямления транзистора 5.

Основной функцией системы управления 12 (СУ) является функция регулирования выходного напряжения. В случае если необходимо уменьшить напряжение на нагрузке 8 и сглаживающем конденсаторе 9, система управления 12 принудительно включает оба транзистора: 4 и 5. В таком случае, ток вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1 замыкается по контуру, содержащему транзистор 4, транзистор 5 и вторичную обмотку 2 трансформатора тока 1. Данный режим называется режимом «байпас» и характеризуется формированием короткого замыкания вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1.

Для увеличения напряжение на нагрузке, система управления 12 снимает импульсы управления с затворов транзисторов 4 и 5, что приводит к тому, что напряжение нагрузки 8 и фильтрующем конденсаторе 9 возрастает по способу, описанному выше. Данный режим работы устройства называется режимом «инжекции» и характеризуется передачей энергии от трансформатора тока 1 к нагрузке 8.

Алгоритм работы СУ 12 может быть построен на любом принципе регулирования: например фазовое управление, релейное и т.д. Но в любом случае работа схемы может быть описана описанными выше режимами: байпас и инжекции.

Обеспечение безотказной работы предлагаемого устройства при многократном превышении тока первичной обмотки трансформатора тока 1 его номинального значения происходит за счет вывода трансформатора тока 1 в режим насыщения. При работе трансформатора в режиме насыщения ток вторичной обмотки 2 будет определяться соотношением индуктивности рассеяния вторичной обмотки 2 и индуктивности намагничивания трансформатора тока 1 в режиме насыщения.

Обеспечение ограничения тока через транзисторы 4 и 5 при увеличенных токах в вторичной обмотке 2 трансформатора тока 1 и работе трансформатора тока 1 в режиме глубокого насыщения, на допустимом для силовых ключей уровне, возможно путем формирования вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1 с заданным значением индуктивности рассеяния или добавлением дополнительной внешней индуктивности.

Поскольку, по принципу работы системы управления 12, при больших значениях токов вторичной обмотки 2 трансформатора тока 1, транзисторы 4 и 5 схемы будут находиться преимущественно в режиме активного выпрямления, мощность потерь устройства будет определяться мощностью потерь в трансформаторе тока 1 и мощности, выделяемой на транзисторах 4 и 5. Мощность, выделяемая на транзисторах в режиме сверхтоков, в основном определяется статическими потерями, описываемыми выражением

Pνt_max=Ivt_max ²·R_{ds_on}

Где Ivt_max - максимальное действующее значение тока транзисторов 4, 5 в открытом состоянии;

R_{ds_on} - активное сопротивление канала открытых транзисторов 4, 5.

Предложенное устройство обладает высоким уровнем коэффициента полезного действия, а также высокой надежностью в широком диапазоне изменения токов цепей отбора мощности в результате создания режима активного выпрямления.