RU2665030C1

RU2665030C1 - Система электропитания

Info

Publication number: RU2665030C1
Application number: RU2017138277A
Authority: RU
Inventors: Андрей Вячеславович Берилов; Кирилл Александрович Воронцов; Геннадий Сергеевич Мыцык; Михаил Юрьевич Румянцев
Priority date: 2017-11-02
Filing date: 2017-11-02
Publication date: 2018-08-27

Abstract

Изобретение относится к области электротехники, а именно силовой преобразовательной техники. Технический результат заключается в повышении точности стабилизации напряжения на выходных выводах преобразователя системы питания и достигается за счет того, что система электропитания содержит блок питания 1 со свойствами источника тока, линию 2 электропередачи (ЛЭП), представленную в виде двух отрезков 2.1-2.2 и 2.3-2.4. Один конец 2.1 ЛЭП 2 подключен к выводу 1.1 источника тока 1, второй вывод которого 1.2 подсоединен к заземленному выводу 3.1 заземлителя 3, а к выводу 3.2 последнего своим концом 2.4 подключена ЛЭП 2. Выводы 3.1, 3.2 с заземлителем 3 образуют «обратный провод», точнее обратную проводящую среду. Преобразователь выполнен на элементах 4÷11. Его силовой вход образован выводами 4.1 и 4.2 его транзистора 4, а выход - выводами 12, 13. К ним подключают потребитель 14. Транзисторы преобразователя 4, 8 получают управление от блоков управления (БУ) 15, 16, электропитание которых обеспечивает блок питания внутренних нужд (БПВН) - 17, который, в свою очередь, получает питание от накопительного конденсатора 6. БУ 15 представляет собой контур отрицательной обратной связи по напряжению (КООС) и осуществляет стабилизацию постоянной составляющей напряжения Uна конденсаторе 6. БУ 15 реализован на компараторе с гистерезисом 15.1. Сопрягающий узел (СУ) 15.2 обеспечивает функцию нормирования напряжения, поступающего от конденсатора (и при необходимости гальваническую его развязку). Блоком задания 15.3 задается уровень постоянной составляющей - Uна конденсаторе 6. Инвертор (на элементах 7, 8) БУ 16 содержит задатчик управляющих импульсов (ЗУИ) 16.1 с соответствующей скважностью и драйвер 16.2. Транзистор 4 своими силовыми выводами включен в рассечку ЛЭП между ее выводами 2.2 и 2.3. Между этими же выводами подключена цепочка из последовательно соединенных диода 5.1, накопительного конденсатора 6 и диода 5.2. 1 ил.

Description

Изобретение относится к области силовой преобразовательной техники (силовой электроники) и может быть использовано при создании множества гальванически развязанных источников напряжения для группы N потребителей при электропитании их от протяженной линии со свойствами источника тока.

Такой принцип построения системы электропитания группы распределенных однотипных потребителей используется, например, в светосигнальных системах аэродромных взлетно-посадочных полос. По своим функциональным свойствам такая система относятся к системам «Преобразователь напряжения переменного тока в стабилизированный по уровню переменный ток другого уровня» или более коротко - к системам «Преобразователь напряжения в ток».

Наиболее близким по технической сущности является система электропитания, описанная в статье журнала «Вестник МЭИ», 2010, №5, с. 62 в. Она содержит преобразователь сетевого напряжения (промышленной частоты) в стабилизированный по уровню переменный ток в протяженной линии электропередачи (ЛЭП), от которой через N двухобмоточных трансформаторов тока, включенных в рассечку этой линии, питается группа однородного типа N число потребителей (ламп) неизменной мощности. Такая система электропитания используется при относительно коротких протяженностях линии электропередачи порядка 1 км. Использование такого способа построения ЛЭП при большой ее протяженности (в десятки и сотни километров), например, в системах мониторинга морей, океанов и при использовании в ней нерационально по двум причинам: во-первых, из-за больших значений индуктивности токопроводящей жилы кабеля, приводящих к неоправданно большим затратам ее меди; во-вторых, при питании от такой системы не возможна работа потребителей с изменяющейся в процессе работы мощностью (из-за изменения на ней напряжения). Объясняется это тем, что подавляющее число потребителей проектируется не на стабилизированный ток (и изменяющееся при изменениях тока напряжение), а на стабильное номинальное напряжение при изменяющемся токе.

Недостаток заключается в чрезмерно завышенной массе токопроводящего кабеля при протяженной ЛЭП, а также в том, что она не позволяет получить стабилизированное напряжение у потребителя при изменяющемся в нем токе.

Техническая задача изобретения направлена на создание стабилизированного напряжения у потребителя при изменяющемся в нем токе за счет перехода со стабилизированного в ЛЭП переменного тока на стабилизированный постоянный ток и последующего его преобразования в стабилизированное напряжение.

Техническим результатом изобретения является повышение точности стабилизации напряжения на выходных выводах преобразователя системы питания.

Это достигается тем, что известная система электропитания, содержащая, источник электропитания со стабилизированным в линии электропередачи током и N преобразователей, каждый из которых своими силовыми входными выводами последовательно включен в эту линию электропередачи, а также двухобмоточный трансформатор с вторичной обмоткой, связанной с одним из N потребителей, в ней источник электропитания выполнен с выходом постоянного тока, кроме того, каждый из N преобразователей снабжен полностью управляемым ключом, который своими силовыми выводами образует входные силовые выводы преобразователя, цепочкой из последовательно соединенных диодов и накопительного конденсатора, подключенной между этими выводами, инвертором напряжения, который своим силовым входом подключен к обкладкам этого конденсатора, а выходом - к первичной обмотке двухобмоточного трансформатора, и выпрямителем с выходным Г-образным LC фильтром, причем выпрямитель своим входом подключен к вторичной обмотке двухобмоточного трансформатора, а конденсатор С фильтра образует выходные выводы преобразователя, а также снабжен 1 -м блоком для управления указанным ключом и 2-м блоком для управления ключами инвертора, причем 1-й блок обеспечивает стабилизацию постоянной составляющей напряжения на накопительном конденсаторе, а 2-й - управление инвертором, обеспечивающим преобразование постоянной составляющей напряжения конденсатора в переменное напряжение.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена схема системы электропитания, в которой для упрощения изложения показан лишь один из N преобразователей системы, при этом все преобразователи через определенные отрезки ЛЭП включаются последовательно в рассечку ЛЭП аналогичным образом.

Система электропитания содержит блок питания 1 со свойствами источника тока, линию 2 электропередачи (ЛЭП), представленную в виде двух отрезков 2.1-2.2 и 2.3-2.4. Один конец 2.1 ЛЭП 2 подключен к выводу 1.1 источника тока 1, второй вывод которого 1.2 подсоединен к заземленному выводу 3.1 заземлителя 3, а к выводу 3.2 последнего своим концом 2.4 подключена ЛЭП 2. Выводы 3.1, 3.2 с заземлителем 3 образуют «обратный провод», точнее обратную проводящую среду. Преобразователь выполнен на элементах 4÷11. Его силовой вход образован выводами 4.1 и 4.2 его транзистора 4, а выход - выводами 12, 13. К ним подключают потребитель 14. Транзисторы преобразователя 4, 8 получают управление от блоков управления (БУ) 15, 16, электропитание которых обеспечивает блок питания внутренних нужд (БПВН) - 17, который в свою очередь получает питание от накопительного конденсатора 6.

БУ 15 представляет собой контур отрицательной обратной связи по напряжению (КООС) и осуществляет стабилизацию постоянной составляющей напряжения U_C0 на конденсаторе 6. БУ 15 может быть реализован на компараторе с гистерезисом 15.1. Сопрягающий узел (СУ) 15.2 обеспечивает функцию нормирования напряжения, поступающего от конденсатора (и при необходимости гальваническую его развязку). Блоком задания 15.3 задается уровень постоянной составляющей - U_C0 на конденсаторе 6. Драйвер 15.4 реализует все традиционно возлагаемые на него функции (усиления, гальванической развязки и защиты). При требовании повышенной точности стабилизации напряжения на выходных выводах 12, 13 преобразователя стабилизация напряжения должна осуществляться не на конденсаторе 6, а на конденсаторе 11.

Инвертор (на элементах 7, 8) БУ 16 может включать в себя задатчик управляющих импульсов (ЗУИ) 16.1 с соответствующей скважностью и драйвер 16.2.

Первый транзистор 4 своими силовыми выводами включен в рассечку ЛЭП между ее выводами 2.2 и 2.3. Между этими же выводами подключена цепочка из последовательно соединенных диода 5.1, накопительного конденсатора 6 и диода 5.2. В принципе (с целью упрощения) может использоваться лишь один из этих двух диодов. Параллельно обкладкам 6.1, 6.2 конденсатора 6 подключена цепочка из последовательно соединенных первичной обмотки 7.1 трансформатора напряжения 7 и второго транзистора 8. Переменное напряжение на вторичной обмотке 7.2 трансформатора 7 выпрямляется с помощью диода 9 и фильтруется Г-образным LC фильтром, состоящим из сглаживающего дросселя 10 и конденсатора 11. К выходным выводам 12, 13, образованным обкладками накопительного конденсатора преобразователя подключают потребитель 14.

В данном примере для преобразования напряжения постоянного тока на конденсаторе 6 в напряжение переменного тока использован простейший однотактный прямоходовой инвертор напряжения (на элементах 7, 8), а на его выходе однополупериодный выпрямитель с фильтром (элементы 9, 10, 11). Такое решение целесообразно при малых мощностях потребителей. При мощностях, больше сотен и единиц кВт целесообразно использовать двухтактные инверторы и двухполупериодные выпрямители. Для нейтрализации перенапряжений на транзисторе 8, обусловленных индуктивностью рассеяния первичной обмотки 7.1 трансформатора 7 используются известные средства, например, RCD цепочка, подключаемая параллельно этой обмотке.

Преобразователь системы электроэнергии работает следующим образом.

Источник тока 1 обеспечивает в системе электропитания (включающих в себя ЛЭП 2 и последовательно включенные в нее N преобразователей с N потребителями) протекание неизменного по значению тока I_d0. Функция каждого преобразователя заключается в том, чтобы взять из ЛЭП 2 требуемую для потребителя мощность, при этом он должен обладать свойством источника напряжения, когда при изменении тока нагрузки напряжение на ней остается неизменным (с заданной точностью). Для этого в исходном состоянии напряжение на выходе преобразователя (на его выводах 12, 13) равно нулю. Этот (транзитный) режим обеспечивается включенным состоянием транзистора 4 (состояние компаратора 15.1 «1»). При этом ток ЛЭП 2 I_d0 протекает через него, минуя конденсатор 6. Для отбора от ЛЭП 2 мощности транзистор 4 выключают (состояние компаратора 15.1 «0»), и через диоды 5.1, 5.2 током I_d0 начинает заряжаться конденсатор 6. Нарастающее напряжение u_C(t) на конденсатор 6 через сопрягающий узел (СУ) 15.2 поступает на один вход компаратора 15.1, на другой вход которого подается опорное напряжение U_C0. При достижении равенства сигналов u_C(t) и U_C0 компаратор 15.1 срабатывает (перебрасывается из одного состояния «0» в другое «1») и выдает сигнал на отпирание транзистора 4. Ток I_d0 изменяет свой путь, переходя с конденсатора 6 на транзистор 4, конденсатор 6 перестает заряжаться и при включенном состоянии транзистора 8 инвертора начинает разряжаться через первичную обмотку 7.1 трансформатора 7 на нагрузку (потребитель) 14. После снижения напряжения u_C(t) на конденсаторе 6 до определенного уровня, определяемого гистерезисом компаратора 15.1, он перебрасывается из состояния «1» в состояние «0», транзистор 4 запирается, и начинается под-заряд конденсатора 6. Далее процессы повторяются.

БУ 15 реализует релейный принцип слежения за мгновенным значением напряжения u_C(t) на конденсаторе 6, то есть с приемлемыми (допустимыми) пульсациями он воспроизводит заданное напряжение U_C0. Такой принцип организации отрицательной обратной связи характеризуется изменяющейся частотой переключения транзистора 4. Например, при увеличении тока в нагрузке 14 конденсатор 6 будет разряжаться быстрее, и частота переключения ключа 4 будет возрастать. Для снижения значения этой частоты нужно увеличивать емкость конденсатора.

Использование изобретения обеспечивает повышение точности стабилизации напряжения на выходных выводах преобразователя системы питания.

Claims

Система электропитания, содержащая источник электропитания со стабилизированным в линии электропередачи током и N преобразователей, каждый из которых своими силовыми входными выводами последовательно включен в эту линию электропередачи и содержит двухобмоточный трансформатор с вторичной обмоткой, связанной с одним из N потребителей, отличающаяся тем, что выполнена в виде преобразователя переменного напряжения в постоянный стабилизированный ток, каждый из N преобразователей выполнен с полностью управляемым ключом, который своими силовыми выводами образует входные силовые выводы преобразователя, с цепочкой из последовательно соединенных диодов и накопительного конденсатора, подключенной между силовыми входными выводами, с инвертором напряжения, с блоком управления, который силовым входом подключен к обкладкам конденсатора, а выходом - к первичной обмотке двухобмоточного трансформатора с блоком управления, и с выпрямителем с выходным Г-образным LC фильтром, причем выпрямитель входом подключен к вторичной обмотке двухобмоточного трансформатора, а конденсатор С фильтра образует выходные выводы преобразователя, каждый из N преобразователей снабжен блоком управления указанным ключом и блоком для управления инвертора, причем блок управления ключом выполнен с контуром отрицательной обратной связи по напряжению на конденсаторе.