СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2000 года по МПК G05F1/30 H02M5/12 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания электротехнической аппаратуры, систем связи, автоматики и телемеханики, осветительных сетей.

Известны стабилизаторы переменного напряжения с нелинейными элементами, в качестве которых служит параллельный или последовательный резонансный контур, содержащий насыщенный дроссель и конденсатор, известны также тиристорные стабилизаторы напряжения, содержащие ключи, схему сравнения и управления [1].

Однако выходное напряжение таких стабилизаторов имеет искаженную форму, содержит высшие гармоники. Кроме того, такие стабилизаторы имеют низкие массообъемные характеристики.

Известны также стабилизаторы со ступенчатой формой выходного напряжения, содержащие сетевой трансформатор, коммутирующие устройства, схему сравнения и управления [2] . В них основная часть мощности передается в нагрузку как нерегулируемая, а часть подвергается регулировке с помощью тиристоров. По сути, такой стабилизатор близок к ограничителю напряжения. Однако и он искажает форму выходного напряжения за счет фазового регулирования в течение каждого полупериода сетевого напряжения.

Известен также стабилизатор переменного напряжения, содержащий силовые трансформаторы, включенные вторичными обмотками в одну из силовых шин, первичными, через коммутирующие элементы, - к входному напряжению, устройство сравнения и управления, мостовые устройства [3]. Основными недостатками такого устройства являются наличие нескольких трансформаторов, неоптимальность управления ими, значительные массогабаритные характеристики.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является стабилизатор переменного напряжения [4], содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок подключена к выводам для подключения входного напряжения, а вторичная обмотка подключена между выводами для подключения нагрузки, четыре мостовые схемы, трансформатор управления, силовой ключ, ключ управления и разделительный конденсатор, коммутирующий блок содержит две пары коммутирующих элементов, каждая из размыкающего и замыкающего коммутирующего элемента, устройство сравнения и управления, содержащее схему сравнения и усиления, стабилизатор схемы контроля уровня и схему контроля уровня, первичная обмотка трансформатора подключена к общим выводам пар коммутирующих элементов, схему контроля уровня, содержащую два делителя напряжения, два компаратора, прямой и инверсный входы которых подключены через ограничительный резистор к средним точкам упомянутых делителей напряжения, вторые входы компараторов соответственно подключены через другие ограничительные резисторы к общему проводу источника питания схемы контроля уровня, выходы компараторов через третью пару ограничительных резисторов подключены ко входам ключей контроля уровня, в выходные цепи которых включены последовательно светодиоды и обмотки соответствующих коммутирующих элементов.

Основными недостатками такого стабилизатора являются наличие мощного коммутирующего ключа, дополнительного трансформатора управления, значительные коммутационные токи в процессе работы, что отрицательно сказывается как на надежность коммутирующих элементов, так и на электромагнитную совместимость всего устройства в целом, наличие линейно-ключевого режима.

Целью предлагаемого изобретения является упрощение силовой части устройства, улучшение характеристик его надежности, электромагнитной совместимости.

Предложенное устройство содержит следующие варианты построения: 1-й вариант - ограничение напряжения "сверху", т.е. при его повышении, или "снизу", т. е. при его понижении; 2-й вариант - ограничение величины напряжения "сверху" и "снизу", т.е. как при повышении, так и при понижении.

Поставленная цель достигается тем, что в стабилизаторе переменного напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, содержащий коммутирующие элементы, подключена к выводам для подключения входного напряжения, а вторичная обмотка включена в цепь нагрузки, устройство сравнения и управления, коммутирующий блок выполнен в виде размыкающего и замыкающего контактов, первичная обмотка трансформатора подключена параллельно вторичной непосредственно и через размыкающий контакт, параллельно ограничительному резистору, включенному между нулевым проводом и замыкающим контактом, включен замыкающий контакт третьего промежуточного реле, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, устройство сравнения и управления выполнено в виде схемы контроля и управления, контролирующей увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, вход которой подключен к выходу вспомогательного источника, подключенного к фазному и нулевому проводам, выход упомянутой схемы контроля и управления подключен к коммутирующему реле, управляющему упомянутыми выше размыкающими и замыкающими контактами коммутирующего блока, к фазному и нулевому проводам подключено первое промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт коммутирующего реле, второе промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт первого промежуточного реле.

Устройство также отличается тем, что устройство сравнения и управления выполнено в виде двух схем контроля и управления, каждая из которых содержит два делителя напряжения, состоящих из двух последовательно соединенных резисторов, подключенных к аноду общего стабилитрона, катод которого подключен к потенциальному выводу упомянутого вспомогательного источника питания, средняя точка первого делителя напряжения через первый ограничительный резистор подключена к прямому входу первого компаратора, инверсный вход которого подключен к средней точке первого делителя уровня, подключенного к выходу вспомогательного источника питания, средняя точка второго делителя напряжения подключена через второй ограничительный резистор к инверсному входу второго компаратора, прямой вход которого подключен к средней точке второго делителя уровня, между выходом каждого из компараторов и его прямым входом включены последовательно соединенные резистор и диод, определяющие ширину гистерезиса соответствующего компаратора, к выходу каждого из упомянутых первого и второго компараторов подключен узел задержки включения и отключения, содержащий последовательно соединенные ограничительный резистор и конденсатор, параллельно ограничительному резистору включена цепь из последовательно соединенных резистора и диода, причем анод диода подключен к одному выводу упомянутого конденсатора, другой вывод которого подключен к общей точке, прямые входы третьего и четвертого компараторов соединены между собой и подключены к средней точке третьего делителя напряжения, подключенного к выходу вспомогательного источника питания, инверсные входы третьего и четвертого компараторов подключены к точке соединения анодов диодов и конденсаторов соответствующих узлов задержки включения и отключения, выходы третьего и четвертого компараторов подключены ко входам триггера на втором и третьем элементах 2И-НЕ, включенных перекрестно по схеме RS-триггера, инверсный выход третьего элемента 2И-НЕ подключен к четвертому элементу 2И-НЕ, к выходу четвертого компаратора между потенциальным выводом вспомогательного источника питания подключен узел начальной установки, содержащий RC-цепь, к средней точке которой подключен вход первого элемента 2И-НЕ, выход которого подключен к катоду первого диода, анод которого подключен к точке соединения второго входа триггера и первого резистора, подключенного другим выводом к выходу четвертого компаратора, к выходу четвертого элемента 2И-НЕ подключен резистивный делитель, средняя точка которого подключена ко входу транзисторного ключа, эмиттер которого подключен к общей точке, в цепи коллектора включены последовательно соединенные второй резистор и светоизлучатель оптопары, фотоприемник которой включен в цепь управления, последовательно с третьим и четвертым ограничительными резисторами, управляющего тиристора, анод и катод которого подключены к выходу второй мостовой схемы, во входной цепи которой включено коммутирующее реле, подключенное в цепь однофазного переменного тока, точка соединения фотоприемника и четвертого ограничительного резистора подключена к управляющему электроду упомянутого тиристора.

Второй вариант представляет стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, содержащий коммутирующие элементы, подключена к выводам для подключения входного напряжения, устройство сравнения и управления, отличающийся тем, что коммутирующий блок выполнен в виде двух замыкающих и двух размыкающих контактов, первичная обмотка трансформатора подключена параллельно вторичной через размыкающие контакты, последовательно с которыми включены замыкающие контакты, одноименные выводы которых соединены между собой, параллельно ограничительному резистору, включенному между нулевым проводом и замыкающими контактами, включен замыкающий контакт третьего промежуточного реле, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, устройство сравнения и управления выполнено в виде двух одинаковых схем контроля и управления, контролирующих увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, входы которых подключены к выходу вспомогательного источника питания, вход которого подключен к фазному и нулевому проводам, выходы упомянутых схем контроля и управления подключены к первому и второму коммутирующим реле, управляющими упомянутыми выше размыкающими и замыкающими элементами коммутирующего блока, к фазному и нулевому проводам подключены первое промежуточное реле, в цепи которого находятся последовательно соединенные замыкающий и размыкающий контакты первого и второго коммутирующего реле, второе промежуточное реле, в цепи которого находятся последовательно соединенные замыкающий и размыкающий контакт второго и первого коммутирующего реле, третье промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт второго промежуточного реле и параллельно включенный ему контакт первого промежуточного реле.

Как и в первом варианте, устройство сравнения и управления выполнено в виде двух схем контроля и управления, каждая из которых содержит два делителя напряжения, состоящих из двух последовательно соединенных резисторов, подключенных к аноду общего стабилитрона, катод которого подключен к потенциальному выводу упомянутого вспомогательного источника питания, средняя точка первого делителя напряжения через первый ограничительный резистор подключена к прямому входу первого компаратора, инверсный вход которого подключен к средней точке первого делителя уровня, подключенного к выходу вспомогательного источника питания, средняя точка второго делителя напряжения подключена через второй ограничительный резистор к инверсному входу второго компаратора, прямой вход которого подключен к средней точке второго делителя уровня, между выходом каждого из компараторов и его прямым входом включены последовательно соединенные резистор и диод, определяющие ширину гистерезиса соответствующего компаратора, к выходу каждого из упомянутых первого и второго компараторов подключен узел задержки включения и отключения, содержащий последовательно соединенные ограничительный резистор и конденсатор, параллельно ограничительному резистору включена цепь из последовательно соединенных резистора и диода, причем анод диода подключен к одному выводу упомянутого конденсатора, другой вывод которого подключен к общей точке, прямые входы третьего и четвертого компараторов соединены между собой и подключены к средней точке третьего делителя напряжения, подключенного к выходу вспомогательного источника питания, инверсные входы третьего и четвертого компараторов подключены к точке соединения анодов диодов и конденсаторов соответствующих узлов задержки включения и отключения, выходы третьего и четвертого компараторов подключены ко входам триггера на втором и третьем элементе 2И-НЕ, включенных перекрестно по схеме RS-триггера, инверсный выход третьего элемента 2И-НЕ подключен к четвертому элементу 2И-НЕ, к выходу четвертого компаратора между потенциальным выводом вспомогательного источника питания подключен узел начальной установки, содержащий RC-цепь, к средней точке которой подключен вход первого элемента 2И-НЕ, выход которого подключен к катоду первого диода, анод которого подключен к точке соединения второго входа триггера и первого резистора, подключенного другим выводом к выходу четвертого компаратора, к выходу четвертого элемента 2И-НЕ подключен резистивный делитель, средняя точка которого подключена ко входу транзисторного ключа, эмиттер которого подключен к общей точке, в цепи коллектора включены последовательно соединенные второй резистор и светоизлучатель оптопары, фотоприемник которой включен в цепь управления, последовательно с третьим и четвертым ограничительными резисторами, управляющего тиристора, анод и катод которого подключены к выходу второй мостовой схемы, во входной цепи которой включено коммутирующее реле, подключенное в цепь однофазного переменного тока, точка соединения фотоприемника и четвертого ограничительного резистора подключена к управляющему электроду упомянутого тиристора.

Кроме того, в устройство дополнительно введены подключенные к двум другим фазам сети два трансформатора и два коммутирующих блока, соединенных аналогично первой фазе к фазному напряжению, т.е. между любой из фаз и нулевым проводом подключены четвертое, пятое, шестое и седьмое промежуточные реле, в цепь четвертого промежуточного реле включен замыкающий контакт второго промежуточного реле, замыкающий контакт четвертого промежуточного реле включен в цепь пятого промежуточного реле, замыкающий контакт пятого промежуточного реле включен в цепь третьего промежуточного реле, замыкающий контакт первого промежуточного реле включен в цепь шестого промежуточного реле, замыкающий контакт которого включен в цепь седьмого промежуточного реле, замыкающий контакт которого включен параллельно контакту пятого промежуточного реле.

На фиг. 1-6 изображены схемы вариантов предложенного устройства. На фиг. 1-4, 6 - первый вариант, на фиг. 3, 4-6 - второй вариант. Первый вариант представляет собой стабилизатор, ограничивающий напряжение "сверху" или "снизу", второй - "сверху" и "снизу". Понятие "сверху" означает, что напряжение сети повысилось и необходимо его уменьшение на нагрузке, понятие "снизу" - напряжение понизилось и необходимо его увеличение на нагрузке; "снизу" и "сверху" - работа происходит в заданном диапазоне выходных напряжений.

В случае ограничения напряжения только "сверху" или только "снизу" используются устройства, структурные схемы которых представлены на фиг. 1 и фиг. 2. На фиг. 1 вторичная обмотка трансформатора 1 включена последовательно с нагрузкой, коммутирующий блок содержит размыкающий контакт 4 и замыкающий контакт 5, одноименные выводы первичной и вторичной обмоток трансформатора 1 соединены между собой и подключены к фазному проводу, вторые выводы упомянутых обмоток соединены между собой через размыкающий контакт 4, к точке соединения размыкающего контакта 4 и первичной обмотки трансформатора 1, зашунтированной конденсатором 1', подключен один из выводов замыкающего контакта 5, второй вывод которого подключен к точке соединения ограничительного резистора 19 и замыкающего контакта 20 второго промежуточного реле 13, вторые выводы которых соединены между собой и подключены к нулевому проводу.

На фиг. 2 вторичная обмотка трансформатора 1, включенная последовательно с нагрузкой, подключена одноименными выводами через размыкающий контакт 2, образующий совместно с размыкающим контактом 3 коммутирующий блок, к первичной обмотке, зашунтированной конденсатором 1', трансформатора 1, вторые выводы первичной и вторичной обмоток упомянутого трансформатора 1 соединены между собой, один вывод замыкающего контакта 3 подключен к точке соединения первичной обмотки и конденсатора 1' с выводом размыкающего контакта 2, другой - к точке соединения ограничительного резистора 19 и замыкающего контакта 20 второго промежуточного реле 13, вторые выводы которых соединены между собой и подключены к нулевому проводу.

На фиг. 1, 2 первое коммутирующее реле 6 (7) подключено соответственно к фазному напряжению последовательно с выходами схемы контроля и управления 8 (9), входы схемы контроля и управления 8 (9) подключены к выходу вспомогательного источника питания 10, входы которого подключены к фазному напряжению сети, первое (11, 12) и второе промежуточные реле подключены к фазному напряжению сети, последовательно с элементом 11 включен размыкающий контакт 14 коммутирующего реле 6 и замыкающий контакт 15 коммутирующего реле 7, аналогично включены последовательно с элементом 12 размыкающий контакт 16 коммутирующего реле 6 и замыкающий контакт 17 коммутирующего реле 7, последовательно в цепь второго промежуточного реле 13 включены параллельно замыкающие контакты 18 и 18' элементов 11 и 12.

На фиг. 3 представлена схема контроля и управления, определяющая величину уменьшения или увеличения напряжения и его контроль, в результате которого происходит включение или отключение коммутирующих элементов (контактов). В зависимости от варианта исполнения устройство сравнения и управления может быть выполнено в виде одной или двух схем контроля и управления для однофазных стабилизаторов и трех устройств сравнения и управления для трехфазных стабилизаторов. Стабилитрон 24, подключенный катодом к потенциальному выводу вспомогательного источника питания 10, совместно с резисторами 25, 26, 27, 28, включенными последовательно (25 и 26) и (27 и 28) в две параллельные ветви, образуют два делителя напряжения: первый из элементов 24, 25, 26, второй - из элементов 24, 27, 28, причем первый делитель является задатчиком верхнего уровня, второй - нижнего. Делители из резисторов 29, 30 и 31, 32 являются первым и вторым делителями уровня, т.е. делителями опорного напряжения, резисторы 30 и 31 подключены одним выводом к потенциальной шине внутреннего стабилизированного источника, вторыми выводами к резисторам 29 и 32, другие выводы которых подключены к общей точке.

Средние точки первого и второго делителей напряжения подключены соответственно через ограничительные резисторы 33 и 34 к прямому входу первого компаратора 35 и инверсному входу второго компаратора 36, инверсный вход первого компаратора подключен к средней точке первого делителя уровня, прямой вход второго компаратора - к средней точке второго делителя уровня, между выходами первого и второго компараторов и их прямыми входами подключены соответственно две цепи из последовательно соединенных резистора и диода, причем аноды диодов подключены к выходам компараторов, первая цепь содержит резистор 37 и диод 38, вторая - резистор 39 и диод 40. Эти цепи определяют ширину гистерезиса компараторов 35, 36, к выходу каждого из упомянутых компараторов подключены схемы задержки включения и отключения последующих двух компараторов, первая схема задержки содержит последовательно включенную RC-цепь из резистора 41 и конденсатора 42, параллельно резистору 41 включена цепь из последовательно соединенных резистора 43 и диода 44.

Причем анод диода подключен к точке соединения резистора 41 и конденсатора 42, другой вывод которого подключен к общей точке. Аналогично соединены элементы второй схемы задержки, содержащей резистор 45, конденсатор 46, резистор 47 и диод 48, точка соединения элементов 42 и 44 подключена к инверсному входу третьего компаратора 49, точка соединения элементов 46 и 48 - к инверсному входу четвертого компаратора 50, прямые входы этих компараторов соединены между собой и подключены к средней точке третьего делителя уровня, содержащего последовательно соединенные резисторы 51 и 52, свободные выводы которых подключены соответственно к потенциальной шине внутреннего стабилизированного источника и общей точке, внутренний стабилизированный источник, например, содержит параметрический стабилизатор на стабилитроне 53 с гасящим резистором 54 и емкостными фильтрами 55 (низкочастотный) и 56 (высокочастотный).

К выходу четвертого компаратора 50 подключен узел начальной установки, содержащий конденсатор 57, резистор 58, образующие RC-цепь, точка соединения упомянутых конденсатора и резистора подключена к первой схеме 2И-НЕ 59 (на основе триггера Шмидта), выход которой подключен к катоду диода 60, анод которого подключен к одному выводу резистора 61, другой вывод которого подключен к выходу четвертого компаратора, выход третьего компаратора 49 и точка соединения элементов 60 и 61 подключены ко входам триггера, например, на двух элементах 2И-НЕ - второй и третьей схемам 62 и 63 - соединенных по схеме RS-триггера, т.е. с перекрестными обратными связями, выход третьей схемы 2И-НЕ подключен к четвертой 64 (инвертору), выход которой подключен к резистивному делителю на резисторах 65 и 66, средняя точка которого подключена ко входу транзисторного ключа 67, а свободный вывод резистора 66 - к общей точке, эмиттер упомянутого ключа подключен к общей точке, а коллектор через последовательно соединенные светоизлучатель тиристорной оптопары 68 и коллекторный резистор 69 - к потенциальному выводу внутреннего стабилизированного источника - катоду стабилитрона 53.

Фотоприемник тиристорной оптопары последовательно с резисторами 70 и 71 подключен к силовым выводам исполнительного элемента управления - тиристора 72, причем свободным выводом резистора 70 - к аноду, свободным выводом резистора 71 - к катоду тиристора 72, точка соединения резистора 71 и фотоприемника тиристорной оптопары 68 подключена к управляющему электроду элемента 72, анод и катод каждого подключен к выходу второй мостовой схемы 73, вход которой включен в цепь переменного напряжения сети с коммутирующим реле 6 (7). Вместо элементов 2И-НЕ RS-триггер и инверторы могут быть построены и на других элементах, однако в этом случае усложняется устройство, так как увеличивается количество корпусов ИМС.

Вспомогательный источник питания 10 содержит, например, трансформатор 21, мостовой выпрямитель 22 и сглаживающий фильтр 23. Узел 10 может быть выполнен без трансформатора 21 (фиг. 4), используя вместо него гасящий (конденсатор) резистор, или непосредственным выпрямлением сети с RC-сглаживающим фильтром. Такое выполнение возможно из-за незначительного тока потребления схемами контроля и управления 8, 9 (фиг. 3).

На фиг. 5 изображена схема устройства, ограничивающего "сверху" и "снизу". Оно содержит трансформатор 1, вторичная обмотка которого включена последовательно с нагрузкой, коммутирующий блок, содержащий силовые коммутирующие элементы 2, 3, 4, 5, из них 2, 4 - размыкающие (нормально замкнутые) и 3, 5 - замыкающие (нормально разомкнутые), первичная обмотка трансформатора 1 подключена параллельно вторичной через размыкающие коммутирующие элементы 2 и 4, последовательно с размыкающими элементами (с каждым из них) включены замыкающие коммутирующие элементы 3 и 5, одноименные выводы которых соединены между собой, т.е. элементы 2-5 образуют схему, в которой между точками соединения элементов 2, 3 и элементов 4, 5 включена первичная обмотка трансформатора 1, параллельно которой включен конденсатор 1', и между одноименными выводами элементов 2 и 4 включена вторичная обмотка трансформатора 1, одноименные выводы коммутирующих элементов 3, 5 соединены между собой. Соединение элементов 6-18 полностью соответствует их соединениям, описанным в фиг. 1, 2.

На фиг. 5 первое коммутирующее реле 6 и второе коммутирующее реле 7 подключены соответственно к фазному напряжению последовательно с выходами первой и второй схем контроля и управления 8 и 9, входы схем контроля и управления 8 и 9 подключены к выходу вспомогательного источника питания 10, входы которого подключены к фазному напряжению сети.

Первое, второе и третье промежуточные реле 11, 12, 13 подключены к фазному напряжению сети, последовательно с элементом 11 включен размыкающий контакт 14 первого коммутирующего реле 6 и замыкающий контакт 15 второго коммутирующего реле 7, аналогично включены последовательно с элементом 12 размыкающий контакт 16 второго коммутирующего реле и замыкающий контакт 17 первого коммутирующего реле, последовательно в цепь третьего промежуточного реле 13 включены параллельно замыкающие контакты 18 и 18' элементов 11 и 12.

Параллельно ограничительному резистору 19, включенному между нулевым проводом и точкой соединения элементов 3 и 5, включен замыкающий контакт 20 третьего промежуточного реле 13, вторые выводы которых соединены между собой и подключены к нулевому проводу.

Схема трехфазного стабилизатора переменного напряжения представлена на фиг. 6. В скобках, рядом с обозначениями коммутирующих элементов для фазы A проставлены обозначения для фаз B и C. Преимущество такого трехфазного стабилизатора заключается в том, что, как и в однофазном варианте, используются только две схемы контроля и управления 8, 9. Элементы 11-17 подключены аналогично однофазным схемам фиг.4 и фиг. 5. Дополнительно в однофазную цепь подключено четвертое промежуточное реле 74, в цепь которого включен замыкающий контакт 75 второго промежуточного реле, замыкающий контакт 76 четвертого промежуточного реле включен в цепь пятого промежуточного реле 77, замыкающий контакт 78 пятого промежуточного реле 77 включен в цепь третьего промежуточного реле 13.

Замыкающий контакт 79 первого промежуточного реле 12 включен в цепь шестого промежуточного реле 80, замыкающий контакт 81 которого включен в цепь седьмого промежуточного реле 82, замыкающий контакт 83 которого включен параллельно контакту 78, все промежуточные реле (74, 77, 80, 82) включены в упомянутую выше однофазную цепь A, B или C. Силовой узел для фаз B и C аналогичен фазе A (элементы 1, 1', 2, 3, 4, 5, 19, 20). В скобках на фиг. 6 проставлены коммутирующие элементы, замыкающие и размыкающие, соответственно для фаз B и C: 2 (84, 85), 3 (86, 87), 4 (88, 89), 5 (90, 91), 20 (92, 93), что означает следующее: в фазе B вместо коммутирующего элемента 2 установлен коммутирующий элемент 84, а в фазе C - 85 и т.д.

При этом коммутирующий элемент 84 управляется шестым промежуточным реле 80, коммутирующий элемент 85 управляется седьмым коммутирующим элементом 82, коммутирующий элемент 86 управляется шестым промежуточным реле 80, коммутирующий элемент 87 - седьмым промежуточным реле 82, коммутирующие элементы 88 и 90 управляются четвертым промежуточным реле 74, коммутирующие элементы 89 и 91 - пятым промежуточным элементом 77, а 92, 93 - третьим промежуточным реле.

Устройства, изображенные на фиг.1 и фиг.2, работают аналогично фиг. 5. При этом переключение контактов 4 и 5, т.е. при ограничении "сверху", приводит к наличию отрицательной (вычитающей) ЭДС, а переключение контактов 2 и 3, т. е. при ограничении "снизу", - к наличию положительной (суммирующей) ЭДС. В остальном принцип работы устройства полностью идентичен. Устройство, изображенное на фиг.5, работает следующим образом.

В исходном состоянии положение коммутирующих элементов 2-5 таково, как изображено на фиг. 5, т.е. коммутирующие элементы 2 и 4 замкнуты, а 3 и 5 разомкнуты. Первичная и вторичная обмотки трансформатора 1 подключены параллельно, их индуктивное сопротивление весьма мало, и напряжение сети и нагрузки практически одинаково. Узел 9 контролирует уменьшение напряжения на нагрузке, осуществляет работу на понижение, узел 8 контролирует повышение напряжения на нагрузке (осуществляет работу на повышение).

Если напряжение в сети меньше установленного уровня для коммутирующего элемента 7, то он отключен от однофазной сети, его контакт в цепи второго промежуточного реле 12 разомкнут. В этом случае справедливо практическое равенство напряжения сети и нагрузки.

При увеличении напряжения сети более установленного уровня узла 9 через узел 7 коммутирующее реле 7 срабатывает, при этом работают элементы 12 (т.е. переключаются контакты 4 и 5), 13 (т.е. включается элемент 13, замыкая контакт 20).

Напряжение на нагрузке будет равно разности напряжения сети и ЭДС, индуцированной в обмотке трансформатора 1. Если напряжение сети уменьшилось, схема возвращается в исходное состояние, если напряжение сети станет меньше уровня, установленного узлом 8 для элемента 6, то будут включены элементы 11 и 13 (переключаются контакты 2, 3) и напряжение на нагрузке будет равно сетевому плюс ЭДС, индуцированной во вторичной обмотке трансформатора 1. При повышении напряжения сети схема вернется в исходное состояние. Уровни срабатывания и отпускания элементов 6 и 7 определяются суммарной нестабильностью стабилизатора. Схема контроля и управления 8 (9) (фиг.3) работает следующим образом.

При включении стабилизатора происходит заряд конденсатора 57, на входе элемента 59 и резисторе 58 уровень лог. "1", на выходе элемента 59 уровень лог. "0". Триггер на элементах 62 и 63 устанавливается в такое состояние, когда на выходе элемента 63 уровень лог. "1", а на выходе элемента 64 - лог. "0", в данном режиме ключ на транзисторе 67 закрыт. Через время, определяемое элементами 57, 58, закрывается диод 60. Переменными резисторами 25 и 27 устанавливается заданный уровень включения и отключения (переменные резисторы 37 и 39) коммутирующего блока. При увеличении входного напряжения выше опорного на выходе компаратора 35 появится сигнал лог. "1", через резистор 41 происходит заряд конденсатора 42. Цепь из элементов 43 и 44 служит для быстрого разряда конденсатора 42.

При заряде конденсатора 42 выше уровня, определяемого делителем 50, 52, происходит включение компаратора 49, на его выходе появляется уровень лог. "0", который переводит триггер на элементах 62, 63 в такое состояние, что на выходе схемы 64 появляется уровень лог. "1", включающий ключ на транзисторе 67, протекает ток через светоизлучатель тиристорной оптопары 68, включается ее фототиристор (фотоприемник), включается тиристор 72 и, затем, элемент 6 (или 7), воздействующий на силовые коммутирующие элементы 2-5.

При этом понятия "промежуточный элемент" и "промежуточное реле", "коммутирующий элемент" и "коммутирующее реле" соответственно идентичны и эквивалентны. Реле, например, могут быть электромеханическими, электронными, как и их контакты.

При снижении напряжения сети компаратор 35 возвращается в исходное состояние, через элементы 43 и 44 разряжается конденсатор 42, что приводит в исходное состояние и компаратор 49. При еще большем снижении напряжения сети срабатывают компараторы 36 и 50 аналогично описанному выше, триггер на элементах 62 и 63 переключается, закрывается ключ на транзисторе 67, элемент 6 (7) отключается, переключая коммутирующий блок.

Трехфазный стабилизатор напряжения (фиг. 6) работает следующим образом. При условии, что узел 8 контролирует уменьшение напряжения на нагрузке, а узел 9 контролирует увеличение его, если напряжение в сети меньше уровня, установленного в узле 8, элемент 6 отключен, его замыкающий контакт 15 в цепи первого промежуточного элемента 11 разомкнут, положение коммутирующих элементов 2-5 соответствует изображенному на фиг. 1 (а также положению замыкающего контакта 20), напряжения сети и нагрузки примерно одинаковы. При увеличении напряжения сети более установленного для включения элемента 7 через этот элемент срабатывает сначала первое промежуточное реле 11, затем четвертое промежуточное реле 74, пятое промежуточное реле 77, замыкающий контакт 20 шунтирует ограничительный резистор 19, аналогично переключаются в двух других фазах контакты, управление четвертым промежуточным реле 80, пятым промежуточным реле 77, замыкаются контакты 92 и 93.

Напряжение на нагрузке будет равно разности напряжения сети и ЭДС, индуцированной в обмотках низкого напряжения (НН), т.е. вторичных обмотках трансформаторов 1, включенных в каждую фазу. Если напряжение сети уменьшилось, то схема вернется в исходное состояние, т.е. напряжение сети и нагрузки станет примерно равным.

Если напряжение сети станет меньше уровня, установленного для элемента 6, то он срабатывает и будут включены второе промежуточное реле 14, шестое промежуточное реле 80, седьмое промежуточное реле 82 и третье промежуточное реле 13, соответствующие контакты, управляемые упомянутыми элементами, переключаются и на нагрузке напряжение будет равно сетевому плюс ЭДС, индуктированной во вторичных обмотках (НН) трансформаторов 1 каждой фазы.

При повышении напряжения сети схема вернется в исходное состояние. В зависимости от уровня срабатывания и гистерезиса в каждом уровне рассчитывается тот или иной коэффициент стабилизации стабилизатора.

Ограничительный резистор 19 совместно с элементом 20 значительно улучшает режим работы коммутирующих элементов 2-5, увеличивает их долговечность, улучшает режим работы упомянутых элементов как по напряжению, так и по току. Для "смягчения" переходного процесса служит и конденсатор 1'. Кроме того, при отсутствии упомянутых конденсатора и ограничительного резистора ЭДС обмотки высокого напряжения (ВН), т.е. первичной обмотки в режиме насыщения трансформатора, носит резко выраженный пикообразный характер и может превышать действующее значение в несколько раз (при сети 220/380 В может достигать 1 - 1,2 кВ).

Авторами испытан макет 1 кВт, 10 кВт и 50 кВт с расчетной суммарной нестабильностью выходного напряжения ±5% и ±10%. Для электронного узла фиг.3 использовались операционные усилители 1401 УД2Б в качестве компараторов, тип ИМС-1561 ТЛЛ1 (или ЛА7), тип тиристорной оптопары ЗОУ103-Г (или Б, В - два последовательно), тип тиристора КУ111А. Для варианта трансформатора 1 НН - 12В, ВН - 220В, т.е. К= 18,33, где К - коэффициент трансформации и η_тp = 0,9, можно показать, что где η_т - КПД стабилизатора. В макете η_cт составило 99,45%. При использовании предлагаемого устройства экономия электроэнергии составляет 10-20%.

Таким образом, предложены два варианта стабилизатора переменного напряжения, ограничивающие его величину "сверху" и "сверху" и "снизу"; "снизу" и "сверху" и "снизу". Предложенные варианты устройств обладают рядом преимуществ по сравнению с известными стабилизаторами переменного напряжения. Приведенные сведения подтверждают возможность осуществления предлагаемого изобретения. При этом, предлагаемые варианты стабилизаторов переменного напряжения работают на любой род нагрузки без искажения формы кривой напряжения. Коммутация происходит без прерывания тока и при токах в К раз меньше тока нагрузки.

Источники информации
1. Источники электропитания РЭА. Справочник. Под ред. Г.С.Найвельта. М.: Радио и связь, 1986, с.254, рис. 7.4.

2. Источники электропитания РЭА. Справочник. Под ред. Г.С. Найвельта. М. : Радио и связь, 1986, с.264, рис.7.9.

3. Авт. свид. СССР N 534742, G 05 F 1/30. Стабилизатор переменного напряжения. / М.Б. Лозин, В. В. Петров, О.З. Сейфуллин и др. Опубл. 1976, Бюл. N 41.

4. Патент РФ N 2100837, G 05 F 1/30, M 02 M 5/12. Стабилизатор переменного напряжения. / Л.З. Фейгин, С.И.Михалев. Опубл. 1997, Бюл. N 36.

Изобретение может быть использовано для электропитания электротехнической аппаратуры, систем связи, автоматики и телемеханики, осветительных сетей. Технический результат заключается в упрощении силовой части устройства, улучшении характеристик по надежности, электромагнитной совместимости. Сущность изобретения заключается в том, что в стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор и коммутирующий блок, введен ограничительный резистор и, параллельно ему, замыкающий контакт промежуточного элемента, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, устройство сравнения и управления выполнено в виде двух одинаковых схем контроля и управления, выходы которых подключены к вспомогательному источнику питания, вход которого подключен к фазному и нулевому проводам, приведена схема контроля и управления. Дан трехфазный вариант выполнения стабилизатора переменного напряжения с использованием дополнительных промежуточных элементов и схем контроля и управления, примененных в однофазном варианте, а также варианты "одностороннего" ограничения. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 6 ил.

1. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, содержащий коммутирующие элементы, подключена к выводам для подключения входного напряжения, а вторичная обмотка включена в цепь нагрузки, устройство сравнения и управления, отличающийся тем, что коммутирующий блок выполнен в виде размыкающего и замыкающего контактов, первичная обмотка трансформатора подключена параллельно вторичной непосредственно и через размыкающий контакт, параллельно ограничительному резистору, включенному между нулевым проводом и замыкающим контактом, включен замыкающий контакт третьего промежуточного реле, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, устройство сравнения и управления выполнено в виде схемы контроля и управления, контролирующей увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, вход которой подключен к выходу вспомогательного источника, подключенного к фазному и нулевому проводу, выход упомянутой схемы контроля и управления подключен к коммутирующему реле, управляющему упомянутыми выше размыкающими и замыкающими контактами коммутирующего блока, к фазному и нулевому проводу подключено первое промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт коммутирующего реле, второе промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт первого промежуточного реле. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что устройство сравнения и управления выполнено в виде двух схем контроля и управления, каждая из которых содержит два делителя напряжения, состоящих из двух последовательно соединенных резисторов, подключенных в аноду общего стабилитрона, катод которого подключен к потенциальному выводу вспомогательного источника питания, средняя точка первого делителя напряжения через первый ограничительный резистор подключена к прямому входу первого компаратора, инверсный вход которого подключен к средней точке первого делителя уровня, подключенного к выходу вспомогательного источника питания, средняя точка второго делителя напряжения подключена через второй ограничительный резистор к инверсному входу второго компаратора, прямой вход которого подключен к средней точке второго делителя уровня, между выходом каждого из компараторов и его прямым входом включены последовательно соединенные резистор и диод, определяющие ширину гистерезиса соответствующего компаратора, к выходу каждого из упомянутых первого и второго компараторов подключен узел задержки включения и отключения, содержащий последовательно соединенные ограничительный резистор и конденсатор, параллельно ограничительному резистору включена цепь из последовательно соединенных резистора и диода, причем анод диода подключен к одному выводу упомянутого конденсатора, другой вывод которого подключен к общей точке, прямые входы третьего и четвертого компараторов соединены между собой и подключены к средней точке третьего делителя напряжения, подключенного к выходу вспомогательного источника питания, инверсные входы третьего и четвертого компараторов подключены к точке соединения анодов диодов и конденсаторов соответствующих узлов задержки включения и отключения, выходы третьего и четвертого компараторов подключены ко входам триггера на втором и третьем элементах 2И - НЕ, включенных перекрестно по схеме RS-триггера, инверсный выход третьего элемента 2И - НЕ подключен к четвертому элементу 2И - НЕ, к выходу четвертого компаратора между потенциальным выводом вспомогательного источника питания подключен узел начальной установки, содержащий RC-цепь, к средней точке которой подключен вход первого элемента 2И - НЕ, выход которого подключен к катоду первого диода, анод которого подключен к точке соединения второго входа триггера и первого резистора, подключенного другим выводом к выходу четвертого компаратора, к выходу четвертого элемента 2И - НЕ подключен резистивный делитель, средняя точка которого подключена ко входу транзисторного ключа, эмиттер которого подключен к общей точке, в цепи коллектора включены последовательно соединенные второй резистор и светоизлучатель оптопары, фотоприемник которой последовательно с третьим и четвертым ограничительными резисторами подключен к силовым выводам управляющего тиристора, анод и катод которого подключены к выходу второй мостовой схемы, во входной цепи которой включено коммутирующее реле, подключенное в цепь однофазного переменного тока, точка соединения фотоприемника и четвертого ограничительного резистора подключена к управляющему электроду упомянутого тиристора. 3. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, содержащий коммутирующие элементы, подключена к выводам для подключения входного напряжения, устройство сравнения и управления, отличающийся тем, что коммутирующий блок выполнен в виде двух замыкающих и двух размыкающих контактов, первичная обмотка трансформатора подключена параллельно вторичной через размыкающие контакты, последовательно с которыми включены замыкающие контакты, одноименные выводы которых соединены между собой, параллельно ограничительному резистору, включенному между нулевым проводом и замыкающими контактами, включен замыкающий контакт третьего промежуточного реле, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, устройство сравнения и управления выполнено в виде двух одинаковых схем контроля и управления, контролирующих увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, входы которых подключены к выходу вспомогательного источника питания, вход которого подключен к фазному и нулевому проводу, выходы упомянутых схем контроля и управления подключены к первому и второму коммутирующим реле, управляющими упомянутыми выше размыкающими и замыкающими элементами коммутирующего блока, к фазному и нулевому проводу подключены первое промежуточное реле, в цепи которого находятся последовательно соединенные замыкающий и размыкающий контакты первого и второго коммутирующих реле, второе промежуточное реле, в цепи которого находятся последовательно соединенные замыкающий и размыкающий контакты второго и первого коммутирующих реле, третье промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт второго промежуточного реле и параллельно включенный ему контакт первого промежуточного реле. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что устройство сравнения и управления содержит две схемы контроля и управления, каждая из которых содержит два делителя напряжения, состоящих из двух последовательно соединенных резисторов, подключенных к аноду общего стабилитрона, катод которого подключен к потенциальному выводу упомянутого вспомогательного источника питания, средняя точка первого делителя напряжения через первый ограничительный резистор подключена к прямому входу первого компаратора, инверсный вход которого подключен к средней точке первого делителя уровня, подключенного к выходу вспомогательного источника питания, средняя точка второго делителя напряжения подключена через второй ограничительный резистор к инверсному входу второго компаратора, прямой вход которого подключен к средней точке второго делителя уровня, между выходом каждого из компараторов и его прямым входом включены последовательно соединенные резистор и диод, определяющие ширину гистерезиса соответствующего компаратора, к выходу каждого из упомянутых первого и второго компараторов подключен узел задержки включения и отключения, содержащий последовательно соединенные ограничительный резистор и конденсатор, параллельно ограничительному резистору включена цепь из последовательно соединенных резистора и диода, причем анод диода подключен к одному выводу упомянутого конденсатора, другой вывод которого подключен к общей точке, неинвертирующие входы третьего и четвертого компараторов соединены между собой и подключены к средней точке третьего делителя напряжения, подключенного к выходу вспомогательного источника питания, инверсные входы третьего и четвертого компараторов подключены к точке соединения анодов диодов и конденсаторов соответствующих узлов задержки включения и отключения, выходы третьего и четвертого компараторов подключены ко входам триггера на втором и третьем элементах 2И - НЕ, включенных перекрестно по схеме RS-триггера, инверсный выход третьего элемента 2И - НЕ подключен к четвертому элементу 2И - НЕ, к выходу четвертого компаратора между потенциальным выводом вспомогательного источника питания подключен узел начальной установки, содержащий RC-цепь, к средней точке которой подключен вход первого элемента 2И - НЕ, выход которого подключен к катоду первого диода, анод которого подключен к точке соединения второго входа триггера и первого резистора, подключенного другим выводом к выходу четвертого компаратора, к выходу четвертого элемента 2И - НЕ подключен резистивный делитель, средняя точка которого подключена ко входу транзисторного ключа, эмиттер которого подключен к общей точке, в цепи коллектора включены последовательно соединенные второй резистор и светоизлучатель оптопары, фотоприемник которой последовательно с третьим и четвертым ограничительными резисторами подключен к силовым выводам управляющего тиристора, анод и катод которого подключены к выходу второй мостовой схемы, во входной цепи которой включено коммутирующее реле, подключенное в цепь однофазного переменного тока, точка соединения фотоприемника и четвертого ограничительного резистора подключена к управляющему электроду упомянутого тиристора. 5. Устройство по любому из пп.3 - 4, отличающееся тем, что дополнительно введены подключенные к двум другим фазам сети два трансформатора и два коммутирующих блока, соединенных аналогично первой фазе к фазному напряжению, т.е. между любой из фаз и нулевым проводом подключены четвертое, пятое, шестое и седьмое промежуточные реле, в цепь четвертого промежуточного реле включен замыкающий контакт второго промежуточного реле, замыкающий контакт четвертого промежуточного реле включен в цепь пятого промежуточного реле, замыкающий контакт пятого промежуточного реле включен в цепь третьего промежуточного реле, замыкающий контакт первого промежуточного реле включен в цепь шестого промежуточного реле, замыкающий контакт которого включен в цепь седьмого промежуточного реле, замыкающий контакт которого включен параллельно контакту пятого промежуточного реле.