Полупроводниковый регулятор напряжения для электрического генератора

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ГЕНЕРАТОРА

      Введение

 Изобретение  относится к электротехнике и  может быть использовано для  стабилизации и регулирования  напряжения электрических генераторов,  преимущественно для генераторных  установок автономных систем  энергоснабжения. В полупроводниковый регулятор напряжения для электрического генератора дополнительно введены первый и второй транзисторы того же типа проводимости, что и силовой транзистор, RC-цепь задержки, третий транзистор другой проводимости, коллектор которого через первый резистор подключен к базе первого транзистора, база-эмиттерный переход которого зашунтирован вторым резистором, а коллектор соединен с базой силового транзистора и эмиттером второго транзистора, коллектор которого через третий резистор подключен к общей шине питания, а через RC-цепь задержки - к базе третьего транзистора, эмиттер которого подключен к коллектору силового транзистора и через цепь положительной обратной связи соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к второму выходу генератора пилообразного напряжения, на котором формируется импульсное напряжение прямоугольной формы, а выход соединен с вторым входом элемента И, выход которого через промежуточный усилитель соединен с базой второго транзистора, при этом эмиттер силового транзистора и эмиттер первого транзистора соединены и подключены к шине питания, например к якорной цепи электрического генератора. В результате повышается надежность и улучшается качество электроэнергии генераторных установок автономных систем энергоснабжения.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ОПИСАНИЕ  ИЗОБРЕТЕНИЯ 

Изобретение относится к электротехнике и  может быть использовано для стабилизации и регулирования напряжения электрических  генераторов, преимущественно для  генераторных установок автономных систем энергоснабжения. 

 Известен  регулятор напряжения для электрического  генератора, содержащий измерительный  орган, коммутирующий транзистор  с сопротивлением в коллекторной  цепи. силовой транзистор, устройство защиты от короткого замыкания в цепи обмотки возбуждения, выполненное на транзисторе, резисторах и конденсаторе [1]. 

 К недостаткам упомянутого регулятора напряжения следует отнести слабую помехозащищенность устройства защиты от короткого замыкания в цепи обмотки возбуждения генератора, которая приводит к ложным запираниям силового транзистора, при этом для последующего отпирания силового транзистора необходимо полное развозбуждение электрического генератора, приводящее к отключению устройства защиты, а это увеличивает количество срабатываний контактора, включающего в сеть электрооборудования электрический генератор, что уменьшает срок его службы и приводит к дополнительному разряду аккумуляторной батареи. 

 Указанный  недостаток имеет место и при  перемежающем коротком замыкании  обмотки возбуждения генератора  на массу. 

 Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению является полупроводниковый регулятор напряжения для электрического генератора, содержащий входной резистивный делитель напряжения, крайние выводы которого предназначены для подключения к якорным цепям генератора, а средняя точка соединена с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход которого подключен к выходу источника эталонного напряжения, промежуточный усилитель, выход которого связан с входом силового транзисторного ключа (силового транзистора), выход которого предназначен для соединения с одним из выводов обмотки возбуждения электрического генератора и катодом диода, шунтирующего обмотку возбуждения электрического генератора, а анод которого соединен с общей шиной питания, генератор тактовых импульсов, цепь положительной обратной связи, элемент И и элемент ИЛИ, выход которого подключен к входу промежуточного усилителя, а первый и второй входы соответственно к выходу генератора тактовых импульсов и входу элемента И, первый вход которого соединен с выходом компаратора, а второй - через цепь положительной обратной связи - с выходом силового транзисторного ключа, генератор пилообразного напряжения и емкостной делитель, включенный между общей шиной питания и выходом генератора пилообразного напряжения, синхронизирующий вход которого подключен к выходу генератора тактовых импульсов, а выход емкостного делителя подключен к инвертирующему входу компаратора (входной резистивный делитель соединением средней точки с выходом емкостного делителя образует блок суммирования сигнала регулирования и напряжения пилообразной формы) [2]. 

 Такой  регулятор напряжения обеспечивает  защиту от короткого замыкания  в цепи обмотки возбуждения  генератора, при этом к недостаткам  следует отнести низкую надежность  защиты регулятора от перегрузки  в цепи обмотки возбуждения  генератора. 

 Короткое  замыкание в цепи обмотки возбуждения  характеризуется низким омическим  сопротивлением на выходе силового  транзисторного ключа, вследствие  чего он выходит из режима  насыщения в линейный режим,  при котором напряжение питания  практически полностью прикладывается  к нему, а выходное напряжение  силового транзисторного ключа  относительно общей шины близко  к нулю. В этом случае напряжение  положительной обратной связи  с выхода силового транзисторного  ключа, удерживающее его в открытом  и насыщенном состоянии, отсутствует,  что приводит к его запиранию. 

 Перегрузка в цепи обмотки возбуждения генератора характеризуется снижением омического сопротивления на выходе силового транзисторного ключа, при котором увеличивается ток через силовой транзисторный ключ и он выходит из насыщения, при этом только часть напряжения питания падает на силовом транзисторном ключе, а другая часть является выходным напряжением, обеспечивающим положительную обратную связь для удержания силового транзисторного ключа (силового транзистора) в открытом состоянии. В таком режиме на силовом транзисторном ключе выделяется значительная электрическая мощность, резко снижается надежность работы полупроводниковых элементов, применяемых в силовом транзисторном ключе. 

 В эксплуатации  регулятора напряжения перегрузка  наиболее часто возможна при  коротком замыкании, приводящем  к образованию искрового (дугообразного)  выделения электрической энергии,  а также при межвитковом перемежающем  коротком замыкании в обмотке  возбуждения или при коротком  замыкании в цепи обмотки возбуждения,  когда последняя подключена к  выходу силового транзисторного  ключа длинными проводами относительно  малого сечения. 

 Другим недостатком такого регулятора напряжения является снижение качества регулирования напряжения электрического генератора за счет уменьшения измерительного сигнала входным резистивным делителем напряжения, а также за счет отпирания силового транзисторного ключа импульсами с генератора тактовых импульсов при наличии сигнала с выхода компаратора на закрывание силового транзисторного ключа, что приводит к увеличению переходных процессов при сбросах нагрузки электрического генератора, последнее особенно сказывается при управлении вентильными генераторами с двухконтурным возбуждением, выполненными на базе синхронных электрических машин. 

 Технический  результат изобретения заключается  в повышении надежности и улучшении  качества электроэнергии. 

 Технический  результат достигается тем, что  в регулятор напряжения для  электрического генератора, содержащий  источник эталонного напряжения, элемент И, компаратор, неинвертирующий вход которого подключен к выходу источника эталонного напряжения, а выход соединен с первым входом элемента И, генератор пилообразного напряжения, блок суммирования, первый вход которого подключен к якорной цепи генератора, а второй соединен с первым выходом генератора пилообразного напряжения, на котором формируется импульсное напряжение пилообразной формы, цепь положительной обратной связи, силовой транзистор, коллектор которого соединен с одним из выводов обмотки возбуждения электрического генератора и катодом диода, шунтирующего обмотку возбуждения электрического генератора, анод которого соединен с общей шиной питания, элемент ИЛИ, промежуточный усилитель, введены первый и второй транзисторы того же типа проводимости, что и силовой транзистор, RC-цепь, третий транзистор другой проводимости, коллектор которого через первый резистор подключен к базе первого транзистора, база-эмиттерный переход которого зашунтирован вторым резистором, а коллектор соединен с базой силового транзистора и эмиттером второго транзистора, коллектор которого через третий резистор подключен к общей шине питания, а через RC-цепь - к базе третьего транзистора, эмиттер которого подключен к коллектору силового транзистора и через цепь положительной обратной связи соединен с первым входом элемента ИЛИ, второй вход которого подключен к второму входу генератора пилообразного напряжения, на котором формируется импульсное напряжение прямоугольной формы, а выход соединен с вторым входом элемента И, выход которого через промежуточный усилитель соединен с базой второго транзистора, при этом эмиттер силового транзистора и эмиттер первого транзистора соединены и подключены к шине питания, например к якорной цепи электрического генератора. 

 В устройство  дополнительно введен источник  питания для компаратора и  источника эталонного напряжения, при этом общие шины источника  питания и компаратора подключены  к якорной цепи электрического  генератора. 

 На фиг.1 представлена блок-схема регулятора напряжения; на фиг.2 - эпюры напряжений, поясняющие работу регулятора напряжения; на фиг.3 - структурная схема, близкая к практической реализации.

Регулятор напряжения содержит источник эталонного напряжения 1, элемент И 2, компаратор 3, неинвертирующий вход которого подключен к выходу 4 источника эталонного напряжения 1, а выход 5 соединен с первым входом элемента И 2, генератор пилообразного напряжения 6, блок суммирования 7, первый 8 и второй 9 входы которого подключены, соответственно, к якорной цепи 10 электрического генератора и к первому выходу 11 генератора пилообразного направления 6, на котором формируется импульсное напряжение пилообразной формы, выход 12 соединен с инвертирующим входом компаратора 3, цепь положительной обратной связи 13, силовой транзистор 14, коллектор которого соединен с одним выводом обмотки возбуждения 15 и катодом диода 16, шунтирующего обмотку возбуждения 15, анод которого соединен с общей шиной питания 17, элемент ИЛИ 18, промежуточный усилитель 19, первый транзистор 20 и второй транзистор 21 того же типа проводимости, что и силовой транзистор 14, RC-цепь 22, третий транзистор 23 другой проводимости, коллектор которого через первый резистор 24 подключен к базе первого транзистора 20, база-эмиттерный переход которого зашунтирован вторым резистором 25, а коллектор соединен с базой силового транзистора 14 и эмиттером второго транзистора 21, коллектор которого через третий резистор 26 подключен к общей шине питания 17, а через RC-цепь 22 - к базе третьего транзистора 23, эмиттер которого подключен к коллектору силового транзистора 14 и через цепь положительной обратной связи 13 соединен с первым входом элемента ИЛИ 18. второй вход которого подключен к второму выходу 29 генератора пилообразного напряжения 6, на котором формируется импульсное напряжение прямоугольной формы, а выход соединен с вторым входом элемента И 2, выход которого через промежуточный усилитель 19 соединен с базой второго транзистора 21 источник питания 28. Эмиттер силового транзистора 14 и эмиттер первого транзистора 20 соединены и подключены к шине питания, например, к якорной цепи 10 электрического генератора. 

 Источник  питания 28 для компаратора 3 и  источника эталонного напряжения 1 имеет общую шину 30, подключенную  к якорной цепи 10 электрического  генератора. 

 Регулятор  напряжения работает следующим  образом. На выходе 11 генератора  пилообразного напряжения 6 формируется  импульсное напряжение пилообразной  формы U11, а на выходе 29 - импульсное  напряжение прямоугольной формы  U29 (см. фиг.2а). Фронты импульсного напряжения прямоугольной формы совпадают по времени с вершинами импульсного напряжения пилообразной формы. 

 На входе  8 блока суммирования 7 устанавливается  полное регулируемое напряжение U8= U10 с якорной цепи 10, а на входе  9 - напряжение пилообразной формы  U9= U11 с выхода 11 генератора пилообразного  напряжения 6, амплитуда которого  выбирается из условий стабильного  регулирования при работе регулятора  напряжения в режиме ШИМ. 

 Суммарное  напряжение U12 с выхода 12 блока суммирования 7 поступает на инвертирующий  вход компаратора 3. На неинвертирующий вход компаратора 3 поступает напряжение U4 с выхода 4 источника эталонного напряжения 1, величина которого равна напряжению регулирования электрического генератора. Когда эталонное напряжение U4 больше максимального значения суммарного напряжения U12 (см. фиг.26), на выходе 5 компаратора 3, а следовательно, на первом входе элемента И 2 имеем напряжение U5, разрешающее прохождение сигнала на открывание силового транзистора 14. 

 С появлением  на выходе 29 генератора пилообразного  напряжения 6 первого импульса напряжения U29 он проходит через элемент  ИЛИ 18, а затем и через элемент И 2. Таким образом, на выходе элемента И 2 устанавливается сигнал на открывание силового транзистора, который затем усиливается промежуточным усилителем 19 и приводит к открыванию и насыщению второго транзистора 21 и силового транзистора 14. 

 При нормальной  работе регулятора напряжения, когда  в цепи обмотки возбуждения  отсутствует короткое замыкание  или перегрузка, напряжение на  коллекторе второго транзистора  21 относительно общей шины 17 всегда  ниже, чем напряжение на коллекторе  силового транзистора 14 относительно  общей шины питания 17. Такое  соотношение напряжений на коллекторах  насыщенных второго транзистора  21 и силового транзистора 14 удерживает  база-эмиттерный переход третьего транзистора 23 в закрытом состоянии, поэтому третий транзистор 23 и первый транзистор 20 закрыты и не влияют на управление силовым транзистором 14. Открывание и насыщение силового транзистора 14 приводит к появлению напряжения на первом входе элемента " ИЛИ" 18 через цепь положительной обратной связи 13. Когда в течение периода закончится действие импульсного напряжения U29 с выхода 29 генератора пилообразного напряжения 6, удержание силового транзистора 14 в открытом состоянии обеспечивается напряжением цепи положительной обратной связи 13 на первом входе элемента ИЛИ 18.