RU180125U1

RU180125U1 - High voltage input power converter

Info

Publication number: RU180125U1
Application number: RU2017146443U
Authority: RU
Inventors: Константин Олегович Хохлов; Алексей Владимирович Ищенко; Ольга Олеговна Рубцова
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2017-12-27
Publication date: 2018-06-05

Abstract

Полезная модель относится к технике преобразования электрической энергии, в частности к преобразователям напряжения, которые преобразуют высокое входное напряжение в низковольтное напряжение для питания электронных устройств различного назначения. Данный преобразователь предназначен для питания электронных схем погружного блока в системах телеметрии нефтяных скважинных насосов.Преобразователь электрической энергии с высоким диапазоном входного напряжения содержит резисторный блок, первый вывод которого соединен со стоком полевого транзистора с изолированным затвором, образуя положительный вход преобразователя, а второй вывод подключен к катоду блока стабилитронов и затвору транзистора. Исток транзистора соединен с выводом питания полумостового инвертора и входом отключаемого источника тока, выход которого подключен к первому выводу конденсатора, катоду диода и выводам положительного питания блока обратной связи, блока широтно-импульсной модуляции и драйвера полумостового инвертора. Выход блока обратной связи подключен к блоку ШИМ с двухтактным выходом, выводы которого подсоединены к драйверу полумостового инвертора, выходы которого подключены к входам полумостового инвертора, а к его выходам подсоединена первичная обмотка трансформатора. Вторичная обмотка подключена к выпрямителю, к которому подключен индуктивно-емкостной фильтр. Положительный выход фильтра подключен к аноду диода, выводу управления отключаемого источника тока и входу блока обратной связи, образуя положительный выход преобразователя. Выводы отрицательного питания блока обратной связи, блока ШИМ, драйвера полумостового инвертора, полумостового инвертора, фильтра, второго вывода конденсатора и анода блока стабилитронов объединены, образуя отрицательные вход и выход преобразователя.Технический результат заключается в получении высокого диапазона напряжения питания 200-4200 В без потери работоспособности и высоком коэффициенте полезного действия преобразователя.The invention relates to a technique for converting electrical energy, in particular, to voltage converters that convert a high input voltage into a low voltage voltage to power electronic devices for various purposes. This converter is designed to power the electronic circuits of a submersible block in the telemetry systems of oil well pumps. The electric energy converter with a high input voltage range contains a resistor block, the first terminal of which is connected to the drain of a field-effect transistor with an insulated gate, forming a positive input of the converter, and the second terminal is connected to the cathode of the Zener block and the gate of the transistor. The source of the transistor is connected to the power output of the half-bridge inverter and the input of the switched-off current source, the output of which is connected to the first output of the capacitor, the cathode of the diode and the terminals of the positive power supply of the feedback unit, pulse-width modulation unit, and the driver of the half-bridge inverter. The output of the feedback block is connected to the PWM block with a push-pull output, the outputs of which are connected to the driver of the half-bridge inverter, the outputs of which are connected to the inputs of the half-bridge inverter, and the primary winding of the transformer is connected to its outputs. The secondary winding is connected to a rectifier to which an inductive-capacitive filter is connected. The positive output of the filter is connected to the anode of the diode, the control terminal of the disconnected current source and the input of the feedback unit, forming a positive output of the converter. The negative power terminals of the feedback block, PWM block, half-bridge inverter driver, half-bridge inverter, filter, second capacitor output and anode of the zener diode unit are combined to form negative input and output of the converter. The technical result is to obtain a high voltage range of 200-4200 V without loss operability and high efficiency of the converter.

Description

Полезная модель относится к технике преобразования электрической энергии, в частности к преобразователям напряжения, которые преобразуют высокое входное напряжение в низковольтное напряжение для питания электронных схем различного назначения.The utility model relates to techniques for converting electrical energy, in particular to voltage converters that convert a high input voltage to a low voltage voltage to power electronic circuits for various purposes.

Большинство современных импульсных высокочастотных преобразователей напряжения предназначено для преобразования выпрямленного сетевого напряжения 220 В 50 Гц в низковольтное напряжение (стандартные блоки питания). В некоторых случаях возникают задачи по преобразованию и стабилизации напряжения, требующие экстремальных параметров, которые не достижимы при стандартных технических решениях.Most modern pulsed high-frequency voltage converters are designed to convert a rectified mains voltage of 220 V 50 Hz to low voltage (standard power supplies). In some cases, there are problems of voltage conversion and stabilization, requiring extreme parameters that are not achievable with standard technical solutions.

В системах погружной телеметрии нефтяных скважинных насосов используется прикрепленный к насосу погружной блок, в котором содержатся электронные схемы, необходимые для работы датчиков состояния электромоторов насосов и передачи информации на поверхность. Для питания этих схем требуется низкое напряжение 12…15 В, которое преобразуется в погружном блоке из постоянного напряжения 200 В, подаваемого с поверхности. Трехфазное напряжение питания электромотора имеет величину действующего напряжения 3000 В частотой 50±10 Гц, которое вырабатывается трехфазным трансформатором, расположенным на поверхности. Обмотки трансформатора и трехфазного электромотора включены по типу «звезда». Трансформатор на поверхности и электромотор насоса в скважине соединены трехфазным кабелем, находящимся в металлической броне. Так как никаких других кабелей кроме трехфазного кабеля для электромотора система не предусматривает, положительное напряжение питания погружного блока 200 В подается на нейтральную точку соединения обмоток трансформатора, и, при условии симметричной трехфазной системы, это же напряжение 200 В будет формироваться на нейтральной точке обмоток электродвигателя относительно заземленной металлической брони, на которую подключен отрицательный вывод источника напряжения 200 В. Однако при «перекосе» фаз потенциал нулевой точки будет сильно колебаться в пределах напряжения 200-1200 В, а кратковременные всплески напряжения могут достигать амплитудного значения величины фазы - 4200 В (установлено экспериментально).In submersible telemetry systems of oil well pumps, a submersible unit attached to the pump is used, which contains the electronic circuits necessary for the operation of the state sensors of the electric motors of the pumps and the transmission of information to the surface. To power these circuits, a low voltage of 12 ... 15 V is required, which is converted in the immersion unit from a constant voltage of 200 V supplied from the surface. The three-phase supply voltage of the electric motor has an effective voltage of 3000 V at a frequency of 50 ± 10 Hz, which is generated by a three-phase transformer located on the surface. The windings of the transformer and the three-phase electric motor are included in the "star" type. The surface transformer and the pump electric motor in the well are connected by a three-phase cable located in metal armor. Since the system does not provide any cables other than a three-phase cable for an electric motor, a positive supply voltage of a submersible block of 200 V is supplied to the neutral point of connection of the transformer windings, and, subject to a symmetric three-phase system, the same voltage of 200 V will be formed at the neutral point of the motor windings relative to grounded metal armor, to which the negative output of a voltage source of 200 V is connected. However, when the phase is “skewed”, the potential of the zero point will strongly sway within the voltage range of 200-1200 V, and short-term voltage spikes can reach the amplitude value of the phase value - 4200 V (established experimentally).

Таким образом, для систем погружной телеметрии необходим преобразователь со стабилизированным низковольтным выходным напряжением (порядка 15 В ±5%), который питается входным напряжением в пределах 200-1200 В и выдерживает кратковременные перегрузки по входному напряжению до 4200 В без потери (даже временной) работоспособности в течение длительного времени (не менее двух-трех лет). Также необходимо иметь возможность обеспечивать питающим напряжением собственные блоки преобразователя. Ввиду того, что в скважинах температура окружающей среды выше 100°С, преобразователь должен обладать высоким коэффициентом полезного действия, чтобы не производить дополнительный нагрев электронных схем и иметь высокую надежность.Thus, for immersion telemetry systems, a converter with stabilized low-voltage output voltage (of the order of 15 V ± 5%) is needed, which is supplied with an input voltage in the range of 200-1200 V and can withstand short-term overloads of the input voltage up to 4200 V without loss (even temporary) of operability for a long time (at least two to three years). It is also necessary to be able to provide power supply to the inverter's own units. Due to the fact that in wells the ambient temperature is higher than 100 ° C, the transducer must have a high efficiency so as not to produce additional heating of electronic circuits and have high reliability.

Известен преобразователь электрической энергии с высоким диапазоном входного напряжения (Khokhlov K.O., Khokhlov G.K., Ishchenko A.V., Cherepanov A.N., Naronov, A.S. Electric power converter with a wide input voltage range // International Journal of Power Electronics and Drive Systems. Vol. 7, №4. 2016. Pp. 1221-1227.), (Фигура 1), который содержит первый резисторный блок 1, первый вывод которого соединен со стоком полевого транзистора с изолированным затвором 3 образуя положительный вход устройства, а второй вывод подключен к катоду блока стабилитронов 2 и затвору транзистора 3, исток которого соединен с выводом высоковольтного питания полумостового инвертора 10 и первым выводом второго резисторного блока 4, второй вывод которого подключен к конденсатору 5, выводу катода диода 6 и выводам положительного питания блока обратной связи 7, блока широтно-импульсной модуляции 8 и драйвера полумостового инвертора 9, выход цепи обратной связи 7 подключен к входу схемы широтно-импульсной модуляции с двухтактным выходом 8, выходы которой подсоединены к входам драйвера полумостового инвертора 9, выходы которого подключены к входам полумостового инвертора 10, к выходам которого подсоединена первичная обмотка 11 трансформатора 12, вторичная обмотка 13 подключена к входам выпрямителя 14, выходы которого подключен к входам индуктивно-емкостного фильтра 15, положительный выход которого подключен к аноду диода 6 и входу блока обратной связи 7, образуя положительный выход преобразователя, при этом нижние выводы отрицательного питания блоков 7, 8, 9, 10 и 15, анод блока стабилитронов 2 и нижний вывод конденсатора 5 объединены, образуя отрицательные вход и выход преобразователя.Known electric energy converter with a high input voltage range (Khokhlov KO, Khokhlov GK, Ishchenko AV, Cherepanov AN, Naronov, AS Electric power converter with a wide input voltage range // International Journal of Power Electronics and Drive Systems. Vol. 7, No. 4. 2016. Pp. 1221-1227.), (Figure 1), which contains the first resistor block 1, the first terminal of which is connected to the drain of the field-effect transistor with an insulated gate 3, forming a positive input of the device, and the second terminal is connected to the cathode of the zener diode block 2 and the gate of the transistor 3, the source of which is connected to the output of the high voltage power supply via a bridge inverter 10 and a first terminal of a second resistor unit 4, the second terminal of which is connected to a capacitor 5, a cathode terminal of a diode 6 and positive power terminals of a feedback unit 7, a pulse width modulation unit 8 and a half-bridge inverter driver 9, a feedback circuit output 7 is connected to the input of the pulse-width modulation circuit with a push-pull output 8, the outputs of which are connected to the driver inputs of the half-bridge inverter 9, the outputs of which are connected to the inputs of the half-bridge inverter 10, to the outputs of which to the primary winding 11 of the transformer 12, the secondary winding 13 is connected to the inputs of the rectifier 14, the outputs of which are connected to the inputs of the inductive-capacitive filter 15, the positive output of which is connected to the anode of the diode 6 and the input of the feedback block 7, forming a positive output of the converter, while the lower the negative power terminals of blocks 7, 8, 9, 10 and 15, the anode of the zener diode block 2 and the lower terminal of the capacitor 5 are combined to form negative input and output of the converter.

Приведенный преобразователь имеет в составе резисторный блок 4, предназначенный для первичного запуска схемы и обеспечивающего запускающий ток для всего диапазона напряжений, начиная с величины 200 В. Вследствие того, что напряжение на нем может достигать значения 1200 В, на данном резисторе будет выделяться бесполезная мощность, что приводит к снижению КПД преобразователя.The converter contains a resistor unit 4, intended for the initial start-up of the circuit and providing a starting current for the entire voltage range, starting from 200 V. Due to the fact that the voltage on it can reach 1200 V, useless power will be allocated on this resistor, which reduces the efficiency of the converter.

Задача полезной модели - повышение КПД преобразователя электрической энергии с высоким диапазоном входного напряжения.The objective of the utility model is to increase the efficiency of an electric energy converter with a high input voltage range.

Поставленная задача решается следующим образом (Фигура 2).The problem is solved as follows (Figure 2).

Преобразователь электрической энергии с высоким диапазоном входного напряжения имеет структуру, аналогичную представленной на фигуре 1, за исключением того, что резисторный блок 4 заменен на отключаемый источника тока 16, вход которого соединяется с истоком транзистора 3, а выход подключен к конденсатору 5, выводу катода диода 6 и выводам положительного питания блока обратной связи 7, блока широтно-импульсной модуляции 8 и драйвера полумостового инвертора 9. Вход управления отключаемого источника тока 16 подключен к положительному выходу преобразователя.An electric energy converter with a high input voltage range has a structure similar to that shown in figure 1, except that the resistor unit 4 is replaced by a disconnectable current source 16, the input of which is connected to the source of the transistor 3, and the output is connected to the capacitor 5, the output of the diode cathode 6 and the findings of the positive power supply of the feedback block 7, the pulse width modulation unit 8 and the driver of the half-bridge inverter 9. The control input of the disconnected current source 16 is connected to the positive output of Form.

Преобразователь электрической энергии с высоким диапазоном входного напряжения работает следующим образом. Входное напряжение подается на резисторный блок 1 и сток полевого транзистора с изолированным затвором 3. Пока входное напряжение меньше напряжения пробоя блока стабилитронов 2, затвор транзистора 3 подключен к стоку через резисторный блок 1. Транзистор 3 практически полностью открыт, имеет низкое сопротивление канала, не рассеивает мощность и передает входное напряжение со стока на исток практически без изменения. Когда входное напряжение превышает величину напряжения пробоя, через него начинает протекать ток и напряжение не поднимается выше напряжения пробоя. Транзистор 3 в этом случае работает в режиме истокового повторителя, и поддерживает напряжение на истоке на уровне напряжения пробоя блока стабилитронов 2, которое не меняется при значительном увеличении входного напряжения. Так как ток затвора транзисторов такого типа составляет значение не более 0,1 мкА, суммарное сопротивление резисторного блока 1 можно выбрать в пределах десятков МОм, предотвращая их нагрев при высоких значениях входного напряжения. Блоки 1, 2 и 3 образуют первую ступень регулирования, назначение которой - ограничение напряжения на истоке транзистора 3 на уровне напряжения пробоя блока стабилитронов 2. Это напряжение определяется напряжением пробоя и количеством включенных последовательно стабилитронов, составляющих блок стабилитронов 20. В данном случае выбрано значение 1200 В, так как это максимальное напряжение существующих драйверов полумостовых инверторов.A power converter with a high input voltage range operates as follows. The input voltage is supplied to the resistor block 1 and the drain of the field-effect transistor with an isolated gate 3. While the input voltage is less than the breakdown voltage of the zener diode block 2, the gate of the transistor 3 is connected to the drain through the resistor block 1. Transistor 3 is almost completely open, has a low channel resistance, does not dissipate power and transfers the input voltage from the drain to the source with virtually no change. When the input voltage exceeds the value of the breakdown voltage, current flows through it and the voltage does not rise above the breakdown voltage. In this case, the transistor 3 operates in the source follower mode, and maintains the voltage at the source at the breakdown voltage of the Zener diode unit 2, which does not change with a significant increase in the input voltage. Since the gate current of transistors of this type is not more than 0.1 μA, the total resistance of the resistor unit 1 can be selected within tens of MΩ, preventing them from heating at high input voltages. Blocks 1, 2 and 3 form the first stage of regulation, the purpose of which is to limit the voltage at the source of the transistor 3 to the breakdown voltage of the zener diode block 2. This voltage is determined by the breakdown voltage and the number of zener diodes connected in series that make up the zener diode 20. In this case, the value 1200 is selected In, since this is the maximum voltage of existing drivers for half-bridge inverters.

В результате на выходе первой ступени регулирования формируется напряжение, которое может меняться в пределах от минимального значения 200 В до максимального 1200 В при колебаниях входного от 200 до 4200 В.As a result, a voltage is generated at the output of the first control stage, which can vary from a minimum value of 200 V to a maximum of 1200 V with input fluctuations from 200 to 4200 V.

Это напряжение заряжает конденсатор 5 через отключаемый источник тока 16, который в момент подачи входного напряжения работает в режиме стабилизации тока, так как сигнал на его выводе управления отсутствует. Суммарный ток потребления блока обратной связи 7, блока широтно-импульсной модуляции 8 и драйвера полумостового инвертора 9 в выключенном состоянии очень незначительный и не препятствует заряду конденсатора 5. Диод 6 отсекает возможный разряд конденсатора 5 через нагрузку, подключаемую к преобразователю. Поэтому величина тока отключаемого источника тока 16 может иметь незначительную величину для уменьшения рассеиваемой мощности на нем в процессе включения и не зависеть о величины подаваемого на него напряжения 200-1200 В. При достижении напряжения на конденсаторе 5 порога срабатывания схемы широтно-импульсной модуляции 8, происходит ее включение и формирование последовательности импульсов, подаваемых на входы драйвера полумостового инвертора 9, который управляет полумостовым инвертором 10. Конденсатор 5 начинает разряжаться током, потребляемым блоками 7, 8 и 9. Но на первичной обмотке 11 трансформатора 12, начинает формироваться переменное прямоугольное напряжение, которое трансформируется во вторичную обмотку 13, выпрямляется выпрямителем 14 и преобразуется фильтром 15 в постоянное выходное напряжение, которое через диод 6 подается на конденсатор 5 и поддерживает на нем напряжение, необходимое для работы блоков 7, 8 и 9. Конденсатор 5 должен иметь достаточную емкость, чтобы не разрядиться до момента его подзаряда через диод 6. С другой стороны, выходное напряжение поступает на вход блока обратной связи 7, которая управляет блоком широтно-импульсной модуляции 8 для стабилизации выходного напряжения. При этом фильтр 15 должен быть индуктивно-емкостным для обеспечения поддержания постоянного выходного напряжения на заданном уровне при помощи широтно-импульсной модуляции при больших колебаниях напряжения с истока транзистора 3. Кроме этого, выходное напряжение поступает на вывод управления отключаемого источника тока и выключает его, предотвращая бесполезную потерю энергии на нем. Таким образом, блоки 7, 8, 9, 10, 12, 14 и 15 образуют вторую ступень регулирования.This voltage charges the capacitor 5 through a switched-off current source 16, which at the time of supplying the input voltage operates in the current stabilization mode, since there is no signal at its control terminal. The total current consumption of the feedback unit 7, the pulse width modulation unit 8 and the half-bridge inverter driver 9 in the off state is very insignificant and does not prevent the charge of the capacitor 5. The diode 6 cuts off a possible discharge of the capacitor 5 through the load connected to the converter. Therefore, the current value of the switched-off current source 16 can be insignificant to reduce the dissipated power on it during the switching process and not depend on the magnitude of the voltage supplied to it 200-1200 V. When the voltage across the capacitor 5 reaches the threshold of the pulse-width modulation circuit 8, its inclusion and the formation of a sequence of pulses supplied to the driver inputs of the half-bridge inverter 9, which controls the half-bridge inverter 10. The capacitor 5 starts to discharge current, consuming by blocks 7, 8 and 9. But on the primary winding 11 of the transformer 12, an alternating rectangular voltage begins to form, which is transformed into the secondary winding 13, rectified by the rectifier 14 and converted by the filter 15 into a constant output voltage, which is supplied through the diode 6 to the capacitor 5 and it supports the voltage necessary for the operation of blocks 7, 8 and 9. The capacitor 5 must have sufficient capacity so as not to discharge until it is charged through diode 6. On the other hand, the output voltage is supplied to input b feedback box 7, which controls the pulse width modulation unit 8 to stabilize the output voltage. In this case, the filter 15 must be inductive-capacitive in order to maintain a constant output voltage at a given level using pulse-width modulation with large voltage fluctuations from the source of the transistor 3. In addition, the output voltage is supplied to the control terminal of the disconnected current source and turns it off, preventing useless loss of energy on it. Thus, blocks 7, 8, 9, 10, 12, 14 and 15 form the second stage of regulation.

Технический результат.The technical result.

1. Высокий диапазон напряжения питания 200-4200 В без потери работоспособности (даже временной).1. High range of supply voltage 200-4200 V without loss of performance (even temporary).

2. Высокий коэффициент полезного действия.2. High efficiency.

Claims

An electric energy converter with a high input voltage range, comprising a first resistor block, the first terminal of which is connected to the drain of a field-effect transistor with an insulated gate, forming a positive input of the converter, and the second terminal is connected to the cathode of the zener diode block and the transistor gate, the source of which is connected to the high-voltage power terminal half-bridge inverter and the input of the disconnected current source, the output of which is connected to the first output of the capacitor, the cathode of the diode and the findings are positive power supply of the feedback unit, the pulse width modulation unit and the half-bridge inverter driver, the output of the feedback block is connected to the input of the pulse-width modulation unit with a push-pull output, the outputs of which are connected to the inputs of the driver of the half-bridge inverter, the outputs of which are connected to the inputs of the half-bridge inverter, to the outputs of which the primary winding of the transformer is connected, the secondary winding is connected to the inputs of the rectifier, the outputs of which are connected to the inputs of the inductive-capacitive filter, positive the output of the filter is connected to the anode of the diode, the control output of the switched-off current source and the input of the feedback block, forming a positive output of the converter, while the negative power leads of the feedback block, pulse-width modulation block, half-bridge inverter driver, half-bridge inverter, filter, second output the capacitor and the anode of the zener diode block are combined, forming a negative input and output of the converter.