СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ РЕЛЕ СТАБИЛИЗАТОРА ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ И СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2005 года по МПК G05F1/14 

1. Способ управления электромагнитными реле стабилизатора переменного напряжения

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для реализации управления электромагнитными реле в стабилизаторах переменного напряжения с коммутируемыми выводами обмоток трансформатора. Область применения - стабилизация с заданной точностью переменного напряжения сети переменного тока 220 В, 50-60 Гц посредством дискретного регулирования выходного напряжения.

При этом напряжение электрической сети на входе стабилизатора переменного напряжения сравнивают с заданной опорной величиной номинального напряжения. По результатам этого сравнения вырабатывают сигналы управления электромагнитными реле, контакты которых коммутируют выводы обмоток трансформатора с целью получения на выходе требуемого стабилизированного напряжения.

Известны способы дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора тиристорами. Такой способ использован, например, в регуляторе переменного напряжения дискретного действия, который содержит трансформатор с секционированной обмоткой, секции которой соединены последовательно между собой и с входными выводами через прямые и шунтирующие полупроводниковые ключи с устройством их управления, обеспечивающим коммутацию выводов в моменты перехода напряжения сети через нулевой уровень [1].

Недостатком такого способа является большое падение напряжения на коммутирующих элементах.

Этими же недостатками обладают и другие способы тиристорного регулирования [2, 3].

Известны способы и устройства дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора контактами электромагнитных реле [4, 5]. Недостатком такого способа является возможность искрообразования между контактами при коммутациях, возникающее при изменениях нагрузки и отклонениях частоты сетевого напряжения, при которых возможно нарушение режима переключений контактов в нулевом уровне тока и напряжения. Это объясняется тем, что они выполнены без применения специальных схемотехнических решений для переключении контактов как в моменты перехода тока через нуль при больших токах, так и в моменты перехода напряжения через нуль при небольших токах, но при больших значениях амплитуды напряжения.

Известны также способы дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора посредством электромагнитных реле с применением тиристоров, подсоединенных параллельно контактам реле для предотвращения возникновения электрической дуги при коммутации и обеспечения коммутации в моменты перехода напряжения сети через ноль. Недостатком такого способа является сложность конструкции.

Наиболее близким аналогом является способ, реализованный в стабилизаторе переменного напряжения [6].

В трансформаторно-ключевом регулирующем органе, ключи которого выполнены в виде механических контактов реле, определяют моменты перехода тока через ноль и результаты используют для управления электромагнитными реле.

Недостатком такого способа является возможность искрообразования между контактами при коммутациях, возникающее при изменениях нагрузки и отклонениях частоты сетевого напряжения, при которых возможно нарушение режима переключении контактов в нулевом уровне тока и напряжения. Это происходит вследствие нарушения синхронности коммутации контактов и моментов перехода через ноль напряжения или тока из-за изменений частоты сетевого напряжения.

При этом способе не обеспечивается переключение контактов как в моменты перехода тока через нуль при больших токах, так и в моменты перехода напряжения через нуль при небольших токах, но при больших значениях амплитуды напряжения.

Задачей изобретения является устранение этих недостатков.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков и в реализации такого способа управления коммутацией питания обмоток электромагнитных реле, при котором исключалось бы дугообразование и обгорание контактов реле при коммутациях выводов обмоток трансформатора как при больших, так и при малых токах нагрузки, в том числе и в случае изменений частоты.

Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении надежности оборудования за счет предотвращения быстрого износа и выхода из строя контактов реле в процессе коммутации, а также в уменьшении сложности систем стабилизации переменного напряжения.

Для этого согласно изобретению применены следующие решения.

Так же, как и в известном способе, для стабилизации выходного напряжения стабилизатора переменного напряжения с коммутируемыми выводами обмоток трансформатора входное напряжение сравнивают с заданным опорным напряжением, величина которого соответствует требуемому номинальному напряжению на выходе стабилизатора.

По результатам этого сравнения вырабатывают сигналы управления цепями коммутации питания обмоток электромагнитных реле, контактами которых коммутируют выводы обмоток регулировочного трансформатора с целью получения на выходе стабилизатора требуемого стабилизированного с заданной точностью напряжения за счет дискретного изменения коэффициента трансформации регулировочного трансформатора.

При этом напряжение на выходе стабилизатора корректируется дискретно, сохраняя с заданной точностью требуемую величину.

Отличается предложенный способ от известного следующим.

Управление коммутацией цепей питания обмоток реле осуществляют путем выбора в качестве управляющего сигнала одного из двух текущего значения потребляемого тока и текущего значения входного напряжения.

Выбор необходимого одного из двух упомянутых сигналов осуществляется следующим образом.

В средстве управления коммутацией цепей питания обмоток реле устанавливают заранее определенную постоянную величину порогового тока I_O, величину которого задают заведомо меньше тока, при котором во время коммутации контактов может происходить образование электрической дуги, приводящее к разрушению контактов реле.

Вычисляют величину действующего значения потребляемого тока I_RMS.

Сравнивают величину действующего значения потребляемого тока I_RMS с величиной установленного порогового тока I₀.

При I_RMS≤_{I0 для управления коммутацией цепей питания обмоток реле в средстве управления коммутацией питания обмоток реле выбирают текущее значение потребляемого тока IL.}

Затем определяют моменты t₀ ожидаемого перехода этого тока I_L через ноль. Коммутацию питания обмоток реле осуществляют с опережением, равным времени задержки предстоящей коммутации контактами реле соответствующих цепей выводов обмоток регулировочного трансформатора после момента коммутации цепей питания реле.

При этом ожидаемый момент t₀ перехода потребляемого тока I_L через ноль учитывают таким образом, чтобы выводы обмоток регулировочного трансформатора коммутировались контактами реле практически в моменты t₀ перехода через ноль потребляемого тока I_L.

При I_RMS≤_{I0 для управления коммутацией цепей питания обмоток реле выбирают текущее значение входного напряжения Uin.}

Затем определяют моменты t₀ ожидаемого перехода входного напряжения U_in через ноль.

Коммутацию питания обмоток реле осуществляют с опережением, равным времени задержки предстоящей коммутации контактами реле соответствующих цепей выводов обмоток регулировочного трансформатора после момента коммутации цепей питания реле.

При этом ожидаемый момент t₀ перехода входного напряжения U_in через ноль таким образом, чтобы выводы обмоток регулировочного трансформатора коммутировались контактами реле практически в моменты t₀ перехода через ноль входного напряжения.

Так как при I_RMS≥_{I0 выводы обмоток трансформатора коммутируются контактами реле практически в моменты перехода через ноль потребляемого тока IL, то благодаря этому предотвращается горение дуги на контактах реле.}

Так как при I_RMS<I₀ выводы обмоток трансформатора коммутируются контактами реле практически в моменты ожидаемого перехода через ноль входного напряжения U_in, то благодаря этому предотвращается искрообразование на контактах реле, поскольку исключается риск осуществления коммутации контактов реле при больших амплитудных значениях напряжения сети.

В результате этого стабилизированное с заданной точностью напряжение на выходе стабилизатора имеет малый уровень коммутационных помех при коммутациях выводов обмоток трансформатора. Кроме того, существенно снижаются износ контактов, риск обгорания и сваривания контактов. Повышается надежность устройств, выполненных с использованием этого способа.

Стабилизатор переменного напряжения по предложенному способу описан ниже.

2. Стабилизатор переменного напряжения с дискретным регулированием по способу п.1

Стабилизатор согласно изобретению относится к области электротехники и предназначен для реализации управления электромагнитными реле в стабилизаторах переменного напряжения с коммутируемыми выводами обмоток трансформатора. Область применения - стабилизация с заданной точностью переменного напряжения сети переменного тока 220 В, 50-60 Гц.

Известны устройства дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора тиристорами. В частности, регулятор переменного напряжения дискретного действия, который содержит трансформатор с секционированной обмоткой, секции которой соединены последовательно между собой и с входными выводами через прямые и шунтирующие полупроводниковые ключи с устройством их управления, обеспечивающим коммутацию выводов в моменты перехода напряжения сети через нулевой уровень [1].

Недостатком такого устройства является большое падение напряжения на коммутирующих элементах.

Этими же недостатками обладают и другие устройства тиристорного регулирования [2, 3].

Известны устройства дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора контактами электромагнитных реле [4, 5]. Недостатком таких устройств является риск искрообразования между контактами при их коммутациях вследствие изменений нагрузки и отклонениях частоты сетевого напряжения, при которых возможно нарушение режима переключении контактов в нулевом уровне тока и напряжения. Это объясняется тем, что они выполнены без применения специальных схемотехнических решений для переключении контактов в моменты перехода тока через нуль при больших токах, но в моменты перехода напряжения через нуль при небольших токах и при больших значениях амплитуды сетевого напряжения.

Известны также устройства дискретного регулирования переменного напряжения посредством коммутации выводов обмоток трансформатора посредством электромагнитных реле с применением тиристоров, подсоединенных параллельно контактам реле для предотвращения возникновения электрической дуги при коммутации и обеспечения коммутации в моменты перехода напряжения сети через ноль. Недостатком такого устройства является сложность конструкции.

Наиболее близким аналогом является стабилизатор переменного напряжения [6].

В трансформаторно-ключевом регулирующем органе, ключи которого выполнены в виде механических контактов реле, определяют моменты переход тока через ноль и результаты используют для управления электромагнитными реле.

Недостатком такого устройства является искрообразование между контактами при коммутациях, возникающее при изменениях нагрузки и отклонениях частоты сетевого напряжения, при которых возможно нарушение режима переключении контактов в нулевом уровне тока и напряжения. Это происходит вследствие нарушения синхронности коммутации контактов и моментов перехода через ноль напряжения или тока из-за изменений частоты сетевого напряжения.

При этом не обеспечивается переключение контактов в моменты перехода тока через нуль при больших токах или в моменты перехода напряжения через нуль при небольших токах, но при больших значениях амплитуды напряжения.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в устранении указанных недостатков и в реализации такого управления коммутацией питания обмоток электромагнитных реле, при котором исключалось бы дугообразование и обгорание контактов реле при коммутациях выводов обмоток трансформатора как при больших, так и при малых токах нагрузки, в том числе и в случае изменений частоты.

Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении надежности оборудования за счет предотвращения быстрого износа и выхода из строя контактов реле в процессе коммутации, а также в уменьшении сложности систем стабилизации переменного напряжения.

Для этого согласно изобретению применены следующие решения.

Стабилизатор переменного напряжения по изложенному в п.1 способу выполнен с дискретным регулированием выходного напряжения посредством коммутации выводов обмоток регулировочного трансформатора.

Стабилизатор содержит следующие основные элементы и функциональные узлы:

Входные выводы для подсоединения к источнику нестабилизированного напряжения.

Выходные выводы стабилизированного напряжения для подсоединения нагрузки.

Регулировочный трансформатор с дискретно изменяемым коэффициентом трансформации путем коммутации обмоток, которые имеют выводы для их коммутации.

Электромагнитные реле, предназначенные для электромеханической коммутации выводов упомянутых обмоток трансформатора.

Управляемые средства коммутации цепей питания обмоток этих реле, к выходам которых подсоединены обмотки реле.

Средство контроля входного напряжения U_in.

Средство контроля потребляемого тока I_L.

Микропроцессорное средство управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле, соединенное входами с выходами упомянутых средств контроля напряжения U_in и тока I_L, а выходами соединенное с входами упомянутых средств коммутации цепей питания обмоток этих реле.

Микропроцессорное средство управления коммутацией питания обмоток реле содержит схемы:

аналого-цифровых преобразователей для преобразования сигналов, пропорциональных току I_L и напряжению U_in;

выборки и хранения текущих значений тока I_L и входного напряжения U_in;

определения действующего значения тока I_RMS;

определения моментов перехода через ноль входного напряжения U_in и потребляемого тока I_L;

расчета ожидаемых моментов перехода входного напряжения U_in и тока I_L через ноль.

Кроме того, упомянутое микропроцессорное средство включает в себя также схемы, осуществляющие выбор для управления коммутацией питания обмоток реле одного из двух входных сигналов согласно следующему.

При токе нагрузки I_RMS большем, чем пороговый ток I₀, т.е. при I_RMS≥_{I0, микропроцессорное средство осуществляет выбор для управления коммутацией питания обмоток реле в качестве входного сигнала сигнал от средства контроля потребляемого тока.}

При токе нагрузки I_RMS меньшем, чем пороговый ток I₀, т.е. при I_RMS<I₀, микропроцессорное средство осуществляет выбор для управления коммутацией питания обмоток реле в качестве входного сигнала сигнал от средства контроля входного напряжения.

Кроме того, упомянутая микропроцессорное средство управления содержит схемы расчета момента начала коммутации цепей питания обмотки соответствующего реле с определенным опережением, заданным в соответствии с временем задержки коммутации коммутирующими контактами реле после коммутации цепей питания обмотки реле с целью обеспечения коммутации выводов обмоток регулировочного трансформатора контактами реле в моменты ожидаемого времени перехода через ноль выбранного сигнала.

При I_RMS≥_{I0 рассчитываются моменты ожидаемого времени перехода через ноль тока IL.}

При I_RMS<I₀ рассчитываются моменты ожидаемого времени перехода через ноль напряжения U_in.

Так как в качестве элементов коммутации выводов обмоток трансформатора применены электромагнитные реле, то обеспечено малое падение напряжения на контактах реле даже при коммутации значительных токов.

При номинальной нагрузке переключение контактов реле осуществляется в окрестностях точек перехода тока нагрузки через ноль, что исключает дугообразование и обгорание или сваривание контактов.

При отсутствии нагрузки или при токе нагрузки значительно ниже номинального переключение контактов реле осуществляется в окрестностях точек перехода напряжения через ноль, что исключает искрообразование между коммутируемыми контактами.

Это достигнуто благодаря применению микропроцессорной системы управления включения и выключения питания обмоток реле с учетом фазового сдвига коммутируемого тока при реактивной нагрузке.

Причем управление реле осуществляется либо по результатам обработки сигналов с датчика тока, либо по результатам обработки сигналов с датчика напряжения.

При обычных режимах нагрузки - сигналами с датчика тока, а при пониженных нагрузках, в режимах, близких к холостому ходу, когда сигналы с датчика тока малы, - сигналами с датчика входного напряжения.

На чертеже показана упрощенная схема стабилизатора с одной ступенью регулирования:

1, 2 - выводы входного напряжения сети;

3, 4 - выводы выходного напряжения стабилизатора;

5 - средство средство контроля входного напряжения U_in;

6 - средство контроля потребляемого тока I_L;

7 - реле со средством коммутации цепей питания обмотки этого реле;

8 - микропроцессорное устройство управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле;

9 - регулировочный трансформатор;

10 - обмотка выходного напряжения стабилизатора;

11 - коммутируемая регулировочная обмотка.

Стабилизатор работает следующим образом.

При повышении напряжения сети относительно номинального по аналоговым сигналам со средства контроля входного напряжения 5 и средства контроля потребляемого тока 6 в микропроцессорном устройстве управления определяется, сигнал какого из датчиков следует использовать для расчета ожидаемого времени перехода через ноль. Аналого-цифровые преобразователи преобразуют сигналы, пропорциональные току I_L и напряжению U_in в цифровую форму.

Осуществляется определение действующего значения тока I_RMS.

Определяются моменты перехода через ноль входного напряжения U_in и потребляемого тока I_L.

Рассчитываются ожидаемые моменты перехода входного напряжения U_in и тока I_L через ноль.

Осуществляется выбор одного из двух входных сигналов от средств 6 или 5.

При токе нагрузки I_RMS большем, чем пороговый ток I₀, т.е. при I_RMS≥_{I0, для управления коммутацией обмотки реле используются сигналы от средства контроля потребляемого тока 6.}

При токе нагрузки I_RMS меньшем, чем пороговый ток I₀, т.е. при I_RMS<I₀, для управления коммутацией обмотки реле используются сигналы от средства контроля входного напряжения 5.

Далее реле со средством коммутации цепей питания обмотки этого реле 7 переключает контакты. В результате этого напряжение на выходных выводах 3, 4, соединенных с обмоткой 10, трансформатора 9 снижается на одну ступень регулирования, образованную обмоткой 11.

При восстановлении номинального напряжения сети процесс повторяется и завершается обратным переключением контактов в реле со средством коммутации цепей питания обмотки этого реле 7.

Количество коммутируемых ступеней регулирования и, соответственно, регулировочных обмоток трансформатора и реле со средствами коммутации цепей питания обмоток этих реле может быть любым.

Особенностью данного решения является отсутствие в цепях регулирования обратной связи с использованием контроля отклонения выходного напряжения от опорного для управления процессом стабилизации. Поэтому полностью исключена возможность самовозбуждения такого параметрического стабилизатора при любых условиях.

Технический результат, достигаемый при этом, заключается в повышении надежности стабилизатора переменного напряжения с дискретным регулированием посредством коммутации выводов обмоток трансформатора за счет снижения потерь энергии на элементах коммутации, повышения коэффициента полезного действия, а также в уменьшении сложности систем. Исключены дугообразование и искрообразование на контактах и существенно снижены коммутационные помехи.

Изобретение может быть использовано в аппаратуре связи, компьютерной технике, для бытовых и промышленных установок.

Источники информации

1. Гельман М.В., Лохов С.П. Тиристорные регуляторы переменного напряжения, с.97, рис.39.

2. Патент РФ №2119229, МПК6 Н 02 М 5/12, G 05 F 1/253. Способ регулирования напряжения под нагрузкой и устройство для его осуществления.

3. Патент РФ №2133977, МПК6 G 05 F 1/20. Способ переключения ответвлений обмотки трансформатора и устройство для его осуществления.

4. Полезная модель №18810, МПК7 Н 02 М 2/22, 5/12. Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения.

5. Патент РФ №2188496, МПК7 Н 02 М 5/12, G 05 F 1/30. Устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения.

6. Полезная модель №8847, МПК6 Н 02 М, 5/22. Стабилизатор переменного напряжения.

Изобретение может быть использовано в дискретно регулируемых стабилизаторах и регуляторах переменного напряжения частотой 50-60 Гц. При отклонениях напряжения сети от нормы питание обмоток реле коммутируют с опережением таким образом, чтобы коммутация выводов обмоток трансформатора контактами реле происходила в области перехода через ноль коммутируемого тока, если действующее значение его выше порогового уровня, а если ниже порога - то при переходе через ноль входного напряжения. Управление осуществляют микропроцессорным средством. При этом коммутация контактов происходит вблизи точки перехода тока через нуль без дугообразования на коммутируемых контактах либо вблизи точки перехода через нуль входного напряжения без искрообразования на коммутируемых контактах. Технический результат: повышена надежность, снижены помехи при коммутациях. 2 с.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ управления электромагнитными реле стабилизатора переменного напряжения с коммутируемыми выводами обмоток регулировочного трансформатора, регулирующего выходное напряжение стабилизатора, при котором входное напряжение сравнивают с заданным опорным напряжением, величина которого соответствует требуемому номинальному напряжению на выходе стабилизатора, и по результатам сравнения вырабатывают сигналы управления цепями коммутации питания обмоток электромагнитных реле, контактами которых коммутируют выводы обмоток регулировочного трансформатора с целью получения на выходе стабилизатора требуемого стабилизированного с заданной точностью напряжения за счет дискретного изменения коэффициента трансформации регулировочного трансформатора, отличающийся тем, что управление коммутацией цепей питания обмоток реле осуществляют путем выбора в качестве управляющего сигнала одного из двух - текущего значения потребляемого тока и текущего значения входного напряжения следующим образом: в средстве управления коммутацией цепей питания обмоток реле устанавливают определенную величину порогового тока I₀, величину которого задают заведомо меньше тока, при котором во время коммутации контактов может происходить образование электрической дуги, приводящее к разрушению контактов реле; вычисляют величину действующего значения потребляемого тока I_RMS; сравнивают I_RMS с величиной установленного порогового тока I₀; при I_RMS≥_{I0 для управления коммутацией цепей питания обмоток реле в средстве управления коммутацией питания обмоток реле выбирают текущее значение потребляемого тока IL, затем определяют моменты t0 ожидаемого перехода этого тока IL через ноль и коммутацию питания обмоток реле осуществляют с опережением, равным времени задержки предстоящей коммутации контактами реле соответствующих цепей выводов обмоток регулировочного трансформатора после момента коммутации цепей питания реле, с учетом ожидаемого момента t0 перехода потребляемого тока IL через ноль таким образом, чтобы выводы обмоток регулировочного трансформатора коммутировались контактами реле практически в моменты t0 перехода через ноль потребляемого тока IL; а при IRMS<I0 для управления коммутацией цепей питания обмоток реле выбирают текущее значение входного напряжения Uin, определяют моменты t0 ожидаемого перехода входного напряжения Uin через ноль и коммутацию питания обмоток реле осуществляют с опережением, равным времени задержки предстоящей коммутации контактами реле соответствующих цепей выводов обмоток регулировочного трансформатора после момента коммутации цепей питания реле, с учетом ожидаемого момента t0 перехода входного напряжения Uin через ноль таким образом, чтобы выводы обмоток регулировочного трансформатора коммутировались контактами реле практически в моменты t0 перехода через ноль входного напряжения.}2. Стабилизатор переменного напряжения по изложенному в п.1 способу с дискретным регулированием выходного напряжения посредством коммутации выводов обмоток регулировочного трансформатора, содержащий входные выводы для подсоединения к источнику нестабилизированного напряжения; выходные выводы стабилизированного напряжения для подсоединения нагрузки; регулировочный трансформатор с дискретно изменяемым коэффициентом трансформации путем коммутации обмоток, которые имеют выводы для их коммутации; электромагнитные реле, предназначенные для электромеханической коммутации выводов упомянутых обмоток трансформатора, и управляемые средства коммутации цепей питания обмоток этих реле, к выходам которых подсоединены обмотки реле; средство контроля входного напряжения U_in; средство контроля потребляемого тока I_L; микропроцессорное средство управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле, соединенное входами с выходами упомянутых средств контроля напряжения U_in и тока I_L, а выходами соединенное со входами упомянутых средств коммутации цепей питания обмоток этих реле, отличающийся тем, что микропроцессорное средство управления коммутацией питания обмоток реле содержит схемы: аналого-цифровых преобразователей для преобразования сигналов, пропорциональных току I_L и напряжению U_in; выборки и хранения текущих значений тока I_L и входного напряжения U_in; определения действующего значения тока I_RMS; определения моментов перехода через ноль входного напряжения U_in и потребляемого тока I_L; расчета ожидаемых моментов перехода входного напряжения U_in и тока I_L через ноль; и, кроме того, включает в себя также схемы, осуществляющие выбор для управления коммутацией питания обмоток реле одного из двух входных сигналов: от средства контроля потребляемого тока - при токе нагрузки I_RMS большем, чем пороговый ток I₀, т.е. при I_RMS≥_{I0; от средства контроля входного напряжения - при токе нагрузки IRMS меньшем, чем пороговый ток I0, т.е. при IRMS<I0; и, кроме того, упомянутое микропроцессорное средство управления содержит схемы расчета момента начала коммутации цепей питания обмотки соответствующего реле с определенным опережением, заданным в соответствии с временем задержки коммутации коммутирующими контактами реле после коммутации цепей питания обмотки реле, с целью обеспечения коммутации выводов обмоток регулировочного трансформатора контактами реле в моменты ожидаемого времени перехода через ноль выбранного сигнала: при IRMS≥I0 - тока IL, а при IRMS<I0 - напряжения Uin.}