устройство управления и защиты преобразователя

Формула изобретения

Устройство управления и защиты преобразователя, содержащее датчик тока нагрузки, к которому подключен подстроечный резистор с пороговым элементом, и последовательно соединенные источник питания, синхронизированный с сетью широтно-импульсный модулятор, включающий в себя интегрирующую RС-цепь и регулировочный резистор, и выходное устройство для управления регулирующим органом преобразователя, отличающееся тем, что введены транзистор с коллекторным резистором и два оптрона, при этом параллельно резистору интегрирующей цепи подключен транзистор с коллекторным резистором, управляющий вход транзистора подключен к регулировочному резистору, параллельно которому включен приемник одного оптрона, а последовательно с регулировочным резистором соединен приемник другого оптрона, причем излучатель одного оптрона подключен к датчику тока нагрузки через пороговый элемент и токоограничительный резистор, а излучатель другого оптрона подключен к датчику тока нагрузки через токоограничительный резистор.

Описание изобретения к патенту

Устройство относится к области электротехники, в частности к преобразователям напряжения и тока электротехнических установок, и может найти применение для бесконтактного регулирования напряжения и тока в трансформаторах питания выпрямителей, печей сопротивления, сварочных, дуговых и электролизных установок, зарядных устройств, емкостных накопителей энергии и других потребителей.

Известно устройство управления тиристорным регулирующим органом преобразователя (см. , например, отчет НИР, N Гос. регистрации Б119150, 1974 г., рис. 2.8, с. 56), содержащее систему фазоимпульсного управления с обратной связью по току, включающую в себя датчик тока нагрузки, пороговый элемент, источники питания и управляющего напряжения и выходное устройство управления тиристорами.

Недостатком устройства является отсутствие защиты от бросков тока намагничивания и от перегрузки.

Известно устройство защиты преобразователя от перегрузок (см., например, кн. Иванова В. И. и др. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы. Справочник. - М.: ЭАИ, 1989 г., рис. 12.2, с. 404), содержащее систему управления двухполупериодным ключом трансформатора, включающую в себя источник питания, фазоимпульсный модулятор на базе релаксационного генератора с выходным устройством, датчик тока нагрузки с RC-фильтром, параллельно выходу которого подключен пороговый элемент с элементом управления модулятором.

Недостатком этого устройства являются отсутствие защиты от бросков тока намагничивания трансформатора, невозможность включения преобразователя без замены предохранителя.

Известно устройство токовой защиты преобразователя (см., например, кн. Глуха Е. М., Зеленова В.Е. Защита полупроводниковых преобразователей. - М.: Энергия, 1970, рис. 5-3, с. 115), содержащее датчик тока нагрузки, к которому подключен пороговый элемент, схему управления на транзисторах, выходное устройство управления ключами преобразователя и источник питания.

Данное устройство не защищает регулирующий орган от бросков тока намагничивания в момент его подключения к питающей сети, что может вызвать ложное отключение преобразователя.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому объекту является устройство управления и защиты преобразователя (см., например, кн. Фотиева М. М. Электрооборудование предприятий черной металлургии. -М.: Металлургия, 1980, рис. 49, с. 78), содержащее синхронизованный с питающей сетью фазоимпульсный модулятор с выходным устройством для управления ключами регулирующего органа на выходе и шунтирующим транзистором на входе напряжения управления, источник питания и датчик тока нагрузки с RC-фильтром, параллельно конденсатору которого подключен пороговый элемент с подстроечным резистором.

Недостатком этого устройства являются ограниченные функциональные возможности и недостаточная надежность. Это обусловлено тем, что данное устройство управления не защищает преобразователь от бросков тока намагничивания без его отключения, а без изменения уровня напряжения управления регулировочным резистором нельзя снизить напряжение холостого хода. Однако для многих преобразователей - сварочные трансформаторы, источники питания емкостных накопителей энергии - по условиям электробезопасности или по технологии напряжение холостого хода должно быть минимальным или равно нулю. Кроме того, даже при плавном возрастании угла регулирования регулирующего органа преобразователя за счет плавного увеличения напряжения управления на входе фазоимпульсного модулятора, что осуществимо при питании регулировочного резистора от конденсатора интегрирующей цепи, не всегда удается избежать бросков тока намагничивания трансформатора, во много раз превышающего его номинальное значение. Исходя из того, что питание на устройство управления и защиты должно подаваться раньше, чем на силовую часть преобразователя, или, по крайней мере, одновременно, оно может быть отстроено интегрирующей цепью так, чтобы избежать бросков тока намагничивания трансформатора при первоначальном включении преобразователя. Однако в процессе работы возможно отключение силовой цепи преобразователя, например, автоматическим выключателем без отключения источника питания цепей управления, т.е. угол регулирования регулирующего органа остается неизменным. Теперь, при возобновлении подачи напряжения на силовую часть преобразователя на трансформатор поступает напряжение, определяемое углом регулирования, который может быть максимальным. В этот момент, в зависимости от места нахождения рабочей точки на петле гистерезиса, возможны два случая: 1. удачный, при котором трансформатор спокойно, без бросков тока намагничивания, вступает в работу, трансформируя напряжение холостого хода, определяемое коэффициентом трансформации и углом регулирования регулирующего органа; 2. неудачный, когда бросок тока намагничивания приводит к срабатыванию электромагнитной (токовой) защиты или выходу из строя регулирующего органа. Несанкционированное отключение преобразователя снижает надежность работы преобразователя.

Основной задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей при одновременном повышении надежности за счет уменьшения или исключения бросков тока намагничивания трансформатора в момент подключения к питающей сети, снижение уровня напряжения холостого хода и ограничения тока короткого замыкания на заданном уровне.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в устройство управления и защиты преобразователя, содержащее датчик тока нагрузки, к которому подключен подстроечный резистор с пороговым элементом, и последовательно соединенные источник питания, синхронизованный сетью широтно-импульсный модулятор, включающими в себя интегрирующую RC-цепь и регулировочный резистор, и выходное устройство для управления регулирующим органом преобразователя, согласно заявленному изобретению введены транзистор с коллекторным резистором и два оптрона, при этом параллельно резистору интегрирующей цепи подключен транзистор с коллекторным резистором, управляющий вход транзистора подключен к регулировочному резистору, параллельно которому включен приемник одного оптрона, а последовательно с регулировочным резистором соединен приемник другого оптрона, причем излучатель одного оптрона подключен к датчику тока нагрузки через пороговый элемент и токоограничительный резистор, а излучатель другого оптрона подключен к датчику тока нагрузки через токоограничительный резистор.

На фиг. 1 представлена функциональная схема устройства управления и защиты преобразователя, а на фиг. 2 - внешние характеристики, формируемые им.

Устройство управления состоит из последовательно соединенных источника 1 питания, синхронизованного с питающей сетью широтно-импульсного модулятора (ШИМ) 2, и выходного устройства 3 для управления регулирующим органом преобразователя 4. Преобразователь 4 представляет собой согласующий трансформатор с регулирующим органом, например, на биполярных тиристорах, установленных на первичной стороне.

В ШИМ 2 входят интегрирующая RC-цепь на резисторе 5 и конденсаторе 6, постоянная времени которой близка к длительности полупериода питающей сети, регулировочный резистор 7 и источник опорного напряжения. Параллельно резистору 5 подключен транзистор 8 с коллекторным резистором 9, управляющий вход которого соединен с движком регулировочного резистора 7. Датчик 10 тока установлен в цепи нагрузки 11, подключенной к преобразователю 4. К датчику 10 тока подсоединены подстроечный резистор 12, 13 с пороговым элементом 14 (обведен пунктирной линией) и излучатели оптронов 15, 16 через токоограничительный резистор 17, причем излучатель оптрона 15 подключен через пороговый элемент 14. Приемники оптронов 15, 16 подсоединены соответственно параллельно и последовательно с регулировочным резистором. Токи приемников оптронов 15, 16 ограничиваются резистором 18. Пороговым элементом 14 может служить транзистор, однопереходный транзистор или транзистор 19 со стабилитроном 20, как приведено на фиг. 1.

Широтно-импульсный модулятор 2 может быть выполнен на таймере, по горизонтальному или вертикальному принципу. Выходным устройством 3 может быть блокинг-генератор, импульсный трансформатор с транзистором, геркон или транзистор в ключевом режиме.

Датчик 10 тока может быть выполнен в виде шунта в цепях постоянного тока и трансформатора тока с выпрямителем и RC-фильтром в цепях переменного тока, как показано на фиг. 1 пунктиром.

В качестве оптрона 16, включенного приемником последовательно с регулировочным резистором 7, следует применять оптопары с диодным излучателем и транзисторным или диодным фотоприемником. Тип оптрона 15, подключенного излучателем через пороговый элемент 14, зависит от требуемой формы кривой внешней характеристики U_н = f (I_н) - кривые 22, 23 на фиг. 2. Если требуется характеристика 22 с током короткого замыкания, не превышающим номинального тока в точке А (фиг. 2), то необходима транзисторная 21 оптопара 15, а для крутопадающей характеристики 23 нужна тиристорная оптопара с отключающей кнопкой.

Сущность работы устройства по фиг. 1 и решение поставленной задачи поясним на примере преобразователя напряжения 4 в ток - сварочного трансформатора с тиристорным регулирующим органом в первичной обмотке.

При подаче напряжения U_c сети на преобразователь 4 и источник 1 питания почти в течение полупериода напряжения U_c заряжается конденсатор 6 через резистор 5 и на ШИМ 2 поступает "пилообразное" напряжение U_п, где, сравниваясь с фиксированным опорным напряжением, в виде прямоугольного импульса малой длительности поступает на выходное устройство 3. Угол управления ключей регулирующего органа и трансформируемое напряжение при этом будут минимальны, вследствие чего ток намагничивания трансформатора будет также меньше номинального. С момента подключения нагрузки 11 на выходе датчика 10 тока появляется напряжение, пропорциональное току нагрузки 11. Через подстроечный резистор 12, 13 и излучатель оптрона 16 начинает протекать ток, от величины которого зависит интенсивность светоизлучения. Фотоприемник - транзистор оптопары 16 открывается и на управляющий вход транзистора 8 с регулировочного резистора 7 поступает отпирающий сигнал. Транзистором 8 и резистором 9 шунтируется резистор 5 интегрирующей RC-цепи, при этом уменьшается постоянная времени зарядки конденсатора 6 и увеличивается длительность ШИМ-сигнала. Увеличиваются угол регулирования ключей регулирующего органа преобразователя 4, выходное напряжение и ток в нагрузке 11. Возрастет напряжения на выходе датчика 10 тока и интенсивность излучения оптопары 16, что приведет к насыщению фотоприемника. Теперь эквивалентное сопротивление резисторов 5 и 9 будет определятся положением движка регулировочного резистора 7, задающим угол регулирования. До момента установления заданного угла регулирования регулирующего органа магнитопровод перемагничивается по частным петлям гистерезиса. При отключении нагрузки 11 оптроном 16 отключается регулировочный резистор 7 и запирается транзистор 8, длительность "пилообразного" напряжения U_п становится максимальной, а угол регулирования и выходное напряжение преобразователя 4 - минимальными. Следовательно, преобразователь 4 на холостом ходу всегда обеспечивает минимальные значения выходного напряжения и тока холостого хода, что увеличивает его коэффициент мощности.

Токовая отсечка работает при токе, превышающем заданное подстроечным резистором 13 и 12 значение. При перегрузке напряжение на подстроечном резисторе 12, 13 превысит напряжение уставки порогового элемента 14, состоящего из транзистора 19 и стабилитрона 20, и он пропустит ток через излучатель оптрона 15. Фотоприемник - транзистор 21 оптрона 15 изменяет свое сопротивление в зависимости от интенсивности облучения, вследствие чего изменяется эквивалентное сопротивление резисторов 5 и 9 интегрирующей RC-цепи. Увеличение тока нагрузки 11 выше заданного точкой А на характеристике 22 (фиг. 2) вызывает уменьшение напряжения на управляющем входе транзистора 8 и увеличение эквивалентного сопротивления интегрирующей цепи, что приводит к снижению угла регулирования и выходного напряжения преобразователя 4. В момент насыщения фототранзистора 21 транзистор 8 запирается и угол регулирования регулирующего органа становится минимальным. При использовании в качестве оптрона 15 тиристорной оптопары формируется крутопадающая внешняя характеристика 23. После отпирания фототиристора оптрона 15 он будет шунтировать регулировочный резистор 7 до момента устранения короткого замыкания и отключения фототиристора от источника 1 питания кнопкой сброса (стоп).

Из описания следует, что внешняя характеристика может быть сформирована любой, с необходимой уставкой тока короткого замыкания. Возможные при минимальном напряжении на первичной обмотке трансформатора броски тока намагничивания значительно меньше номинального тока обмотки, не вызывают отключения преобразователя токовой защитой и не приводят к выходу из строя регулирующего органа.

Таким образом, поставленная задача - расширение функциональных возможностей и повышение надежности успешно решаются за счет одновременного выполнения функций управления и защиты с помощью изменения постоянной времени интегрирующей RC-цепи, вследствие чего рабочий цикл преобразователя всегда начинается с минимального напряжения холостого хода. Это очень важно с точки зрения электробезопасности в сварочных трансформаторах.

Предлагаемое устройство управления и защиты преобразователя может найти применение в системах регулирования напряжения на первичной стороне трансформаторов, в том числе в преобразователях напряжения в ток, питающих электротехнологические установки.