RU181859U1

RU181859U1 - DC voltage limiter

Info

Publication number: RU181859U1
Application number: RU2017145206U
Authority: RU
Inventors: Константин Олегович Хохлов; Алексей Владимирович Ищенко; Анна Александровна Баранова
Priority date: 2017-12-21
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2018-07-26

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 ограничитель имеет широкое применение и может быть использован для питания электронных схем погружного блока в системах телеметрии нефтяных скважинных насосов.Ограничитель постоянного напряжения содержит цепь из последовательно соединенных резисторов, вход которой подключен к положительному входу устройства, а выход - к катоду блока стабилитронов. Такого же количества транзисторов, включенных последовательно сток - исток, причем сток первого транзистора подключен к положительному входу устройства, а исток последнего транзистора является положительным выходом. Затворы транзисторов подключены к соответствующим узлам резистивного делителя таким образом, что падение напряжения на электродах сток - исток транзисторов практически идентично. Анод блока стабилитронов образует отрицательный вход и выход устройства. К каждому транзистору подключены стабилитроны, катоды которых подключены к затворам, а аноды - к истокам.Технический результат заключается в получении высокого диапазона напряжения питания 200-4200В без потери работоспособности и защите транзисторов от перенапряжения на затворе.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 limiter is widely used and can be used to power electronic circuits of a submersible block in telemetry systems of oil well pumps. A DC voltage limiter contains a circuit of series-connected resistors, the input of which is connected to the positive input of the device, and the output to the cathode of the zener diode block. The same number of transistors connected in series is the drain - source, and the drain of the first transistor is connected to the positive input of the device, and the source of the last transistor is a positive output. The gates of the transistors are connected to the corresponding nodes of the resistive divider in such a way that the voltage drop across the drain-source electrodes is almost identical. The anode of the zener diode block forms a negative input and output of the device. Zener diodes are connected to each transistor, the cathodes of which are connected to the gates, and the anodes to the sources. The technical result is to obtain a high voltage range of 200-4200V without loss of operability and protect the transistors from overvoltage at the gate.

Description

Полезная модель относится к технике преобразования электрической энергии, в частности, к ограничителям 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 limiters that convert high input voltage to low voltage to power electronic circuits for various purposes.

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…15В, которое преобразуется в погружном блоке из постоянного напряжения 200В, подаваемого с поверхности. Трехфазное напряжение питания электромотора имеет величину действующего напряжения 3000В 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 200В подается на нейтральную точку соединения обмоток трансформатора, и, при условии симметричной трехфазной системы, это же напряжение 200В будет формироваться на нейтральной точке обмоток электродвигателя относительно заземленной металлической брони, на которую подключен отрицательный вывод источника напряжения 200В. Однако при «перекосе» фаз потенциал нулевой точки будет сильно колебаться в пределах напряжения 200-1200В, а кратковременные всплески напряжения могут достигать амплитудного значения величины фазы - 4200В (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 with 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 200 V submersible block is supplied to the neutral point of connection of the transformer windings, and, subject to a symmetrical three-phase system, the same 200 V voltage will be formed at the neutral point of the motor windings relative to a grounded metal armor, which is connected to the negative output of a 200V voltage source. However, when the phases are “skewed”, the potential of the zero point will fluctuate strongly within the voltage range of 200-1200V, and short-term surges can reach the amplitude value of the phase value - 4200V (established experimentally).

Таким образом, для систем погружной телеметрии необходим преобразователь со стабилизированным низковольтным выходным напряжением, который питается входным напряжением в пределах 200-1200В и выдерживает кратковременные перегрузки по входному напряжению до 4200В без потери (даже временной) работоспособности в течение длительного времени (не менее двух-трех лет).Thus, for immersion telemetry systems, a converter with a stabilized low-voltage output voltage is required, which is powered by an input voltage in the range of 200-1200V and can withstand short-term overloads of the input voltage up to 4200V without loss (even temporary) of operability for a long time (at least two to three years).

Известен «Преобразователь электрической энергии с высоким диапазоном входного напряжения» (Khokhlov K.О., 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.), в котором в качестве первой ступени регулирования используется ограничитель постоянного напряжения, выполненный на транзисторных каскадах, называемый «бобовый стебель» (Фигура 1). Данный ограничитель предназначен для ограничения входного напряжения на уровне не более 1200В, при колебаниях входного постоянного напряжения до 4200В. Ограничитель состоит из резисторов 1, 2 и 3, которые образуют токозадающую цепь для блока стабилитронов 4, а также создают делитель напряжения для затворов полевых транзисторов с изолированным затвором 5, 6 и 7, которые также включены последовательно электродами сток - исток. На фигуре 1 представлена схема из трех резисторно-транзисторных каскадов, хотя их количество может быть и больше. В результате такого включения, при условии, что сопротивление резисторов 1, 2 и 3 имеют одинаковое значение, распределение напряжения на электродах транзисторов 5, 6 и 7 является практически одинаковым и позволяет применить транзисторы с меньшим рабочим напряжением для ограничения высокого входного напряжения. Вследствие того, что сопротивление резисторов 1, 2 и 3 является высоким (что определяется требованием низкого энергопотребления всего устройства), резистивная цепь подвержена влиянию помех и наводок, что может привести к появлению на затворах транзисторов напряжения, превышающего максимально допустимое значение затвор-исток и необратимый пробой транзисторов.The well-known "Converter of electric energy with a high input voltage range" (Khokhlov K.O., 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.), In which a DC voltage limiter made on transistor cascades, called a "bean stalk" (Figure 1), is used as the first stage of regulation. This limiter is designed to limit the input voltage to a level of not more than 1200V, with fluctuations in the input DC voltage to 4200V. The limiter consists of resistors 1, 2 and 3, which form a current-supply circuit for the Zener block 4, and also create a voltage divider for the gates of field-effect transistors with an insulated gate 5, 6, and 7, which are also connected in series with the drain-source electrodes. The figure 1 presents a diagram of three resistor-transistor cascades, although their number may be more. As a result of this inclusion, provided that the resistors 1, 2, and 3 have the same value, the voltage distribution on the electrodes of transistors 5, 6, and 7 is almost the same and allows the use of transistors with a lower operating voltage to limit the high input voltage. Due to the fact that the resistance of resistors 1, 2, and 3 is high (which is determined by the low power consumption of the entire device), the resistive circuit is susceptible to interference and interference, which can lead to voltage on the transistor gates that exceeds the maximum allowable gate-source value and is irreversible breakdown of transistors.

Задача полезной модели - предложить цепь защиты транзисторов в схеме ограничителя постоянного напряжения (Фигура 2).The objective of the utility model is to propose a transistor protection circuit in a DC voltage limiter circuit (Figure 2).

Ограничитель постоянного напряжения содержит цепь из последовательно соединенных резисторов 1, 2 и 3, верхний вывод которой подключен к положительному входу, нижний вывод к катоду блока стабилитронов 4, транзисторы 5, 6 и 7, сток транзистора 5 подключен к положительному входу, сток транзистора 6 подключен к истоку транзистора 5, сток транзистора 7 подключен к истоку транзистора 6, исток транзистора 7 является положительным выходом, затвор транзистора 5 подключен к точке соединения резисторов 1 и 2, затвор транзистора 6 подключен к точке соединения резисторов 2 и 3, затвор транзистора 7 подключен к точке соединения резистора 3 и катода блока стабилитронов 4, анод блока стабилитронов 4 образует отрицательный вход и выход, отличающийся тем, что добавлены стабилитроны 8, 9 и 10, катоды которых подключены к затворам, а аноды к истокам транзисторов 5, 6 и 7 соответственно.The DC voltage limiter contains a chain of series-connected resistors 1, 2, and 3, the upper terminal of which is connected to the positive input, the lower terminal to the cathode of the Zener block 4, transistors 5, 6, and 7, the drain of transistor 5 is connected to the positive input, and the drain of transistor 6 is connected to the source of transistor 5, the drain of transistor 7 is connected to the source of transistor 6, the source of transistor 7 is a positive output, the gate of transistor 5 is connected to the connection point of resistors 1 and 2, the gate of transistor 6 is connected to the connection point resistors 2 and 3, the gate of the transistor 7 is connected to the junction point of the resistor 3 and the cathode of the zener diode block 4, the anode of the zener diode block 4 forms a negative input and output, characterized in that zener diodes 8, 9 and 10 are added, the cathodes of which are connected to the gates, and the anodes to the sources of transistors 5, 6 and 7, respectively.

Ограничитель постоянного напряжения работает следующим образом. Входное напряжение подается на цепь из последовательно соединенных резисторов 1, 2 и 3 и сток полевого транзистора с изолированным затвором 5. Пока входное напряжение меньше напряжения пробоя блока стабилитронов ток через резисторы 1, 2 и 3 не протекает, затворы транзисторов 5, 6 и 7 имеют одинаковый потенциал и падение напряжения на электродах сток - исток близко к нулю. Входное напряжение менее 1200В на выход передается практически без изменения. Когда входное напряжение превышает величину напряжения пробоя блок стабилитронов 4 (1200В), через него начинает протекать ток и напряжение на нем не поднимается выше напряжения пробоя. Ток через резисторы 1, 2 и 3 начинает протекать и на них появляется напряжение, распределенное равномерно. Транзисторы 5, 6 и 7 в этом случае работают в режиме истокового повторителя, и поддерживают напряжение на выходе на уровне напряжения пробоя блока стабилитронов 4, которое не меняется при значительном увеличении входного напряжения. Распределение напряжения на электродах сток - исток транзисторов 5, 6 и 7 является равномерным. При появлении помех или наводок, которые могут создать ситуацию, при которой напряжение затвора транзисторов будет превышать допустимое значение, в работу вступают стабилитроны 8, 9 и 10, которые ограничивают напряжение на затворе относительно истока на уровне, не превышающем допустимого значения (положительного, когда стабилитрон в режиме обратного пробоя и отрицательного, когда стабилитрон в прямом смещении).The DC voltage limiter operates as follows. The input voltage is supplied to the circuit from series-connected resistors 1, 2, and 3 and the drain of the field-effect transistor with an isolated gate 5. As long as the input voltage is less than the breakdown voltage of the zener diode block, no current flows through the resistors 1, 2, and 3, the gates of transistors 5, 6, and 7 have the same potential and voltage drop across the drain-source electrodes are close to zero. Input voltage less than 1200V is transmitted to the output almost unchanged. When the input voltage exceeds the breakdown voltage of the Zener diode block 4 (1200V), current flows through it and the voltage on it does not rise above the breakdown voltage. The current through the resistors 1, 2 and 3 begins to flow and a voltage appears evenly distributed on them. Transistors 5, 6 and 7 in this case operate in the source follower mode, and maintain the output voltage at the breakdown voltage of the Zener diode unit 4, which does not change with a significant increase in the input voltage. The voltage distribution at the drain-source electrodes of transistors 5, 6, and 7 is uniform. When interference or interference occurs that can create a situation in which the gate voltage of the transistors exceeds the permissible value, zener diodes 8, 9 and 10 come into operation, which limit the gate voltage relative to the source at a level not exceeding the permissible value (positive when the zener diode in reverse breakdown mode and negative when the zener diode is in forward bias).

Технический результат.The technical result.

1. Высокий диапазон напряжения питания 200-4200В.1. High power supply range 200-4200V.

2. Высокая надежность.2. High reliability.

Claims

The DC voltage limiter contains a circuit of series-connected first, second and third resistors, the input of which is connected to the positive input of the device, and the output is to the cathode of the Zener block, the first, second and third transistors, the drain of the first transistor is connected to the positive input, the drain of the second transistor is connected to the source of the first transistor, the drain of the third transistor is connected to the source of the second transistor, and the source of the third transistor is a positive output of the device, the gate of the first trans the source is connected to the connection point of the first and second resistors, the gate of the second transistor is connected to the connection point of the second and third resistors, the gate of the third transistor is connected to the connection point of the third resistor and the cathode of the zener diode block, the anode of the zener diode block forms a negative input and output of the device, characterized in that the first, second and third zener diodes are added, the cathodes of which are connected to the gates, and the anodes to the sources of the first, second and third transistors, respectively.