МНОГОСТУПЕНЧАТЫЙ СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2004 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.

Кроме того, известен 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, схема контроля уровня содержит 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.

Наиболее близким к предлагаемому устройству, принятому нами за прототип, является 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 [5].

Предложенное устройство, как и прототип, 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.

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, в котором 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 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 содержит две схемы контроля и управления.

Недостатками прототипа являются не полностью погашенные переходные процессы, дискретное выполнение схемы контроля и управления, отсутствие ступенчатого управления.

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

Поставленная цель достигается тем, что устройство, содержащее 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 первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, отличается тем, что замыкающий контакт подключен одним выводом к точке соединения размыкающего контакта и первичной обмотки трансформатора, другим выводом - к нулевому проводу, устройство сравнения и управления выполнено в виде n схем контроля и управления, контролирующих 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 выходному напряжению подключено первое промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт коммутирующего реле, второе промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт первого промежуточного реле, n каскадов соединены ступенчато, а параллельно силовым коммутирующим контактам включены RC-цепи.

Кроме того, в устройстве, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, содержащий коммутирующие элементы, подключена к выводам для подключения входного напряжения, устройство сравнения и управления, 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, выводы которых соединены между собой, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, замыкающие контакты соединены между собой и вторыми выводами подключены к нулевому проводу, разноименные выводы обмоток соединены через размыкающие контакты, устройство сравнения и управления выполнено в виде 2n 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 выходному напряжению подключены первое промежуточное реле, в цепи которого находится последовательно соединенный замыкающий контакт второго коммутирующего реле, второе промежуточное реле, в цепи которого находится последовательно соединенные замыкающий контакт первого коммутирующего реле, п каскадов соединены ступенчато, параллельно силовым коммутирующим контактам включены RC-цепи.

На фиг.1-4 изображены схемы вариантов предложенного устройства. На фиг.1 и 2 - первый вариант, на фиг.3 и 4 - второй вариант. Первый представляет собой стабилизатор, ограничивающий напряжение "сверху" или "снизу", второй - "сверху" и "снизу". Понятие "сверху" означает, что напряжение сети повысилось и необходимо его уменьшить 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 13, подключен один из выводов замыкающего контакта 5, второй вывод которого подключен к нулевому проводу. На фиг.2 вторичная обмотка трансформатора 1 включена последовательно с нагрузкой, первичная обмотка подключена параллельно вторичной и через размыкающий контакт 2, образующий совместно с замыкающим контактом 3 коммутирующий блок, к первичной обмотке, зашунтированной конденсатором 13 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 13 с выводом размыкающего контакта 2, другой вывод подключен к нулевому проводу.

На фиг.1 и 2 первое и второе коммутирующее реле 6 (7) подключено соответственно к выходному 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 и второе 12 промежуточные реле подключены к выходному напряжению, последовательно с элементом 11 включен замыкающий контакт 14 второго коммутирующего реле 7, аналогично включен последовательно с элементом 12 замыкающий контакт 15 первого коммутирующего реле 6.

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

На фиг.3, 4 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, разноименные 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 13, и между разноименными выводами элементов 2 и 4 включена вторичная обмотка трансформатора 1, одноименные выводы коммутирующих элементов 3, 5 соединены между собой. Параллельно элементам 2-5 включены элементы 16, 17, соединенные последовательно. Соединение элементов 6-17 соответствует их соединениям на фиг.1, 2. На фиг.3, 4 первое коммутирующее реле 6 и второе коммутирующее реле 7 подключены соответственно к выходному 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 промежуточные реле 11, 12 подключены к выходному напряжению, последовательно с элементом 11 включен замыкающий контакт 14 второго коммутирующего реле 7, аналогично включен последовательно с элементом 12 замыкающий контакт 15 первого коммутирующего реле 6. Устройства, изображенные на фиг.1 и фиг.2, работают аналогично фиг.3, 4. 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.3, 4, работает следующим образом.

В исходном состоянии положение коммутирующих элементов 2-5 такое, как изображено на фиг.3, 4, 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 2 и 3).

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 будет включен элемент 11 (переключаются контакты 4, 5) 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 18 и 19 может выполнена, например, как в [5], что и показано на фиг.1-4, а может быть выполнена на микропроцессоре и микроконтроллере с использованием мультиплексирования на столько 2n уровней, сколько имеется каскадных соединений. 2n уровней необходимы, так как в каждом случае контролируется как повышение, так и понижение выходного напряжения.

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.

Возможен трехфазный вариант устройства с общим управлением или управлением по каждой фазе индивидуально.

RC-цепи 16, 17 способствуют улучшению работы устройства в переходных режимах и в процессе переключения контактов 2-5, так как в этих режимах цепь первичной обмотки не рвется, а подключается через соответствующую RC-цепь, например, при повышении напряжения (ограничение снизу - фиг.2), в переходном режиме размыкается контакт 2 и только затем замыкается контакт 3.

В этом промежуточном состоянии первичная обмотка своим началом подключается к нулю сети через RC-цепь 16, 17, причем конденсатор 16 в первый момент в соответствии с законами коммутации представляет собой практически короткозамкнутую цепь. Т.е. ток в первичной обмотке в этот момент ограничивается резистором 17. Это одна функция RC-цепи. Вторая - упомянутая цепь выполняет функции классической искрогасящей схемы.

При этом параметры RC-цепи рассчитаны таким образом, что в переходном режиме не происходит насыщения трансформатора.

Авторами испытан макет мощностью до 50 кВА с расчетной суммарной нестабильностью напряжения ±2% и ±5%. Для электронного узла использовались операционные усилители 1401 УД2Б в качестве компараторов, тип ИМС-1561 ТЛЛ1 (или ЛА7), тип тиристорной оптопары ЗОУ103Г (или Б, В - два последовательно), тип тиристора КУ111А.

КПД стабилизатора в зависимости от ступеней регулирования составил 99-97%. Дискретность регулировочных ступеней 6-12 В.

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 нагрузке 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 №534742, G 05 F 1/30. Стабилизатор переменного напряжения. /М.Б. Лозин, В.В. Петров, О.3. Сейфуллин и др. Опубл. 1976, Бюл. №41.

4. Патент РФ №2100837, G 05 F 1/30, Н 02 М 5/12. Стабилизатор переменного напряжения. /Л.3. Фейгин, С.И. Михалев. Опубл. 1997, Бюл. №36.

5. Патент РФ №2158954, G 05 F 1/30, Н 02 М 5/12. Стабилизатор переменного напряжения (варианты). /Л.З. Фейгин, С.В. Левинзон, С.И. Михалев. Опубл. 1999, Бюл. №31.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания электротехнической аппаратуры, систем связи, автоматики и телемеханики, осветительных сетей. Технический результат заключается в улучшении качества выходного напряжения, упрощении силовой части устройства, улучшении характеристик его надежности. Для этого устройство содержит трансформатор, коммутирующий блок, содержащий коммутирующие элементы, первое и второе промежуточное реле, устройство сравнения и управления, вспомогательный источник, первое и второе коммутирующее реле, при этом коммутирующий блок выполнен в виде размыкающего и замыкающего контактов, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, замыкающий контакт подключен одним выводом к точке соединения размыкающего контакта и первичной обмотки трансформатора, другим выводом – к нулевому проводу, устройство сравнения и управления выполнено в виде n схем контроля и управления, контролирующих увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, n каскадов соединены ступенчато, а параллельно коммутирующим элементам включены RC-цепи. Аналогично предложено устройство с контролем уровня напряжения. При изменении входного напряжения происходит его компенсация в сторону понижения или повышения, а также при необходимости в обе стороны. Каскадное соединение способствует созданию стабилизирующих систем с высокой степенью стабилизации (1-5%) и высоким КПД (97-99%). 2 с.п. ф-лы, 4 ил.

1. Многоступенчатый 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, коммутирующий блок выполнен в виде размыкающего и замыкающего контактов, первичная обмотка трансформатора подключена параллельно вторичной непосредственно и через размыкающий контакт, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, отличающийся тем, что замыкающий контакт подключен одним выводом к точке соединения размыкающего контакта и первичной обмотки трансформатора, другим выводом – к нулевому проводу, устройство сравнения и управления выполнено в виде n схем контроля и управления, контролирующих увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, входы которых подключены к выходу вспомогательного источника, подключенного к входному и нулевому проводам, выходы упомянутых схем контроля и управления подключены к коммутирующим реле, управляющим упомянутыми выше размыкающими и замыкающими контактами коммутирующего блока, к выходному напряжению подключено первое промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт второго коммутирующего реле, второе промежуточное реле, в цепи которого находится замыкающий контакт первого коммутирующего реле, n каскадов соединены ступенчато, а параллельно коммутирующим элементам включены RС-цепи.2. Многоступенчатый 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, 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, выводы которых соединены между собой, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, отличающийся тем, что замыкающие контакты соединены между собой и вторыми выводами подключены к нулевому проводу, разноименные выводы обмоток соединены через размыкающие контакты, устройство сравнения и управления выполнено в виде 2n 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 входному и нулевому проводам, выходы упомянутых схем контроля и управления подключены к первому и второму коммутирующим реле, управляющим упомянутыми выше размыкающими и замыкающими элементами коммутирующего блока, к выходному напряжению подключены первое промежуточное реле, в цепи которого находится последовательно соединенный замыкающий контакт второго коммутирующего реле, и второе промежуточное реле, в цепи которого находится последовательно соединенный замыкающий контакт первого коммутирующего реле, n каскадов соединены ступенчато, а параллельно коммутирующим элементам включены RC-цепи.