СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2007 года по МПК H02M5/44 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в источниках питания.

Известен стабилизатор напряжения, построенный на базе вольтодобавочного трансформатора, описанный в книге "Стабилизаторы переменного напряжения с высокочастотным широтно-импульсным регулированием" / А.В.Кобзев, Ю.М.Лебедев, Г.Я.Михальченко и др. - М.: Энергоатомиздат, 1986 г., с.9 и содержащий четыре ключевых элемента. Вторичная обмотка трансформатора подключена последовательно между сетью и нагрузкой. Один вывод первичной обмотки трансформатора соединен с общей точкой первой пары ключей, включенных последовательно, другие выводы ключей подключены к клеммам сети. Второй вывод первичной обмотки трансформатора соединен с общей точкой второй пары ключей, включенных последовательно, другие выводы ключей подключены к клеммам сети. Управляющие выводы ключей соединены с выходом блока управления, который подает сигналы управления на управляющие входы ключей. Принцип действия основан на том, что первичная обмотка трансформатора посредством ключевых элементов подключается к сети, в результате чего на вторичной обмотке трансформатора появляется напряжение. Закон управления переключением ключей обеспечивает на вторичной обмотке трансформатора регулируемое синусоидальное напряжение, в результате чего достигается стабилизация напряжения нагрузки, т.к. напряжение нагрузки равно сумме напряжения сети и напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Однако такое устройство с одной стороны не обеспечивает фильтрацию высших гармоник напряжения сети и искажает форму выходного напряжения, что отрицательно сказывается на работе нагрузки, с другой стороны, оно не обеспечивает фильтрацию высших гармоник тока нагрузки, что негативно влияет на качестве электроэнергии. Также существует сложность технической реализации, поскольку необходимо использование полупроводниковых ключей, обладающих двухсторонней проводимостью.

Наиболее близкий по технической сущности к предлагаемому изобретению является стабилизатор напряжения, являющийся составной частью фильтра-стабилизатора переменного напряжения, описанного в патенте РФ на изобретение №2094935, МПК⁶ H02M 1/15, опубл. 27.10.1997 г. Стабилизатор напряжения содержит дроссель, один из силовых выводов которого подключен ко входу стабилизатора напряжения, а другой ко второму входу датчика тока параллельного активного фильтра, включающего в себя управляемый мостовой полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный, параллельно первому и второму входам которого включены накопительный конденсатор и первый и второй входы датчика напряжения, а на выходе управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный последовательно подключен LC-фильтр в виде дросселя и конденсатора, общая точка соединения которых присоединена к первому входу датчика тока параллельного активного фильтра, третий вход этого датчика тока подключен к первому входу датчика выходного напряжения, второй вход которого подключен к другой обкладке конденсатора LC-фильтра и к нулевому (заземленному) выводу стабилизатора напряжения, а третий вход этого датчика подключен к фазному выводу стабилизатора напряжения и к первому входу выходного датчика тока, второй и третий входы которого соответственно присоединены к третьему и второму входам датчика тока параллельного активного фильтра, а третий вход управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный соединен с выходом блока управления, вход которого подключен к третьему входу датчика напряжения, к первым входам датчика выходного напряжения и датчика входного напряжения.

Однако в таком стабилизаторе напряжения мощность во много раз превосходит мощность нагрузки, что приводит к высоким затратам при его реализации, а также он не обеспечивает фильтрацию высших гармоник напряжения сети.

Технической задачей, на решение которой направлено изобретение, является уменьшение мощности стабилизатора, а также обеспечение фильтрации высших гармоник напряжения сети с одновременной фильтрацией токов высших гармоник и компенсацией реактивной мощности поступающих в сеть.

Это достигается тем, что известный стабилизатор напряжения, содержащий параллельный активный фильтр, включающий в себя управляемый мостовой полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный, параллельно первому и второму входам которого включены накопительный конденсатор и первый и второй входы датчика напряжения, а на выходе управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный последовательно подключен LC-фильтр в виде дросселя и конденсатора, общая точка соединения которых присоединена к первому входу датчика тока параллельного активного фильтра, третий вход этого датчика тока подключен к первому входу датчика выходного напряжения, второй вход которого подключен к другой обкладке конденсатора LC-фильтра и к нулевому выводу стабилизатора напряжения, а третий вход этого датчика подключен к первому входу выходного датчика тока, второй вход которого присоединен к третьему входу датчика тока параллельного активного фильтра, а третий вход управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный соединен с первым выходом блока управления, вход которого подключен к третьему входу датчика напряжения, к первым входам датчика выходного напряжения и датчика входного напряжения, снабжен дросселем, дополнительным конденсатором, трансформатором, дополнительным преобразователем, выполненным аналогично управляемому мостовому полупроводниковому преобразователю постоянного тока в переменный, при этом первый и второй входы дополнительного преобразователя подключены параллельно накопительному конденсатору активного фильтра, а третий вход подсоединен ко второму выходу блока управления, а первый выход дополнительного преобразователя соединен с одним из выводов дросселя, другой вывод которого подключен к общей точке соединения одной обкладки дополнительного конденсатора с одним из выводов первичной обмотки трансформатора, точка соединения другого вывода первичной обмотки подключена ко второму выходу дополнительного преобразователя, первым контактором, силовые выводы которого подключены ко вторичной обмотке трансформатора, вторым контактором, один силовой вывод которого соединен с точкой соединения вторичной обмотки трансформатора с одним из силовых выводов первого контактора, другой силовой вывод второго контактора подключен к третьему входу датчика входного напряжения, датчиком тока сети, первый вход которого присоединен к точке соединения силового вывода первого контактора и другого вывода вторичной обмотки трансформатора, второй и третий входы датчика тока сети подключены соответственно к третьему и второму входам выходного датчика тока, третьим контактором, один из силовых выводов которого присоединен к точке соединения первого входа выходного датчика тока и третьего входа датчика выходного напряжения, другой силовой вывод подключен к фазному выводу стабилизатора напряжения, четвертым контактором и зарядным резистором, включенным параллельно силовым выводам четвертого контактора, один из выводов зарядного резистора подключен ко второму входу датчика тока параллельного активного фильтра, а другой вывод зарядного резистора присоединен к третьему входу выходного датчика тока, при этом управляющие выводы всех контакторов объединены и соединены с третьим выходом блока управления.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана блок схема стабилизатора напряжения.

Стабилизатор напряжения содержит параллельный активный фильтр 1, состоящий из управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный 2, на стороне постоянного тока которого параллельно первому и второму входам включены накопительный конденсатор 3 и первый и второй входы датчика напряжения 4. К выходу управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный 2 последовательно подключен LC-фильтр в виде дросселя 5 и конденсатора 6, к общей точке соединения которых присоединен первый вход датчика тока 7 параллельного активного фильтра 1. Первый выход дополнительного преобразователя 8 соединен с одним из выводов дросселя 9, другой вывод которого подключен к одному из выводов первичной обмотки трансформатора 10, другой вывод которой соединен со вторым выходом дополнительного преобразователя 8. Дополнительный конденсатор 11 включен параллельно первичной обмотке трансформатора 10, при этом одна его обкладка соединена со вторым выходом дополнительного преобразователя 8, а другая с общей точкой соединения дросселя 9 и вторичной обмотки трансформатора 10. Дополнительный преобразователь 8 выполнен аналогично управляемому мостовому полупроводниковому преобразователю постоянного тока в переменный 2, и их первые и вторые входы соответственно соединены между собой. Один из силовых выводов первого контактора 12 подключен к точке соединения одного из выводов вторичной обмотки трансформатора 10 и первого входа датчика тока сети 13, а другой силовой вывод первого контактора 12 подключен к точке соединения другого вывода вторичной обмотки трансформатора 10 и одного из силовых выводов второго контактора 14, другой вывод которого подсоединен к третьему входу датчика входного напряжения 15, подключенного параллельно входу стабилизатора напряжения. Один из силовых выводов третьего контактора 16 подключен к фазному выводу стабилизатора напряжения, а другой присоединен к точке соединения первого входа выходного датчика тока 17 и третьего входа датчика выходного напряжения 18, второй вход которого, объединенный со вторым выходом управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный 2, подсоединен к нулевому (заземленному) выводу стабилизатора напряжения. Один из силовых выводов четвертого контактора 19 подключен к точке соединения одного из выводов зарядного резистора 20 и второго входа датчика тока 7 параллельного активного фильтра 1, а другой силовой вывод четвертого контактора 19 подключен к точке соединения другого вывода зарядного резистора 20, второго выхода датчика тока сети 13 и третьего выхода выходного датчика тока 17. Первые входы датчиков входного 15 и выходного 18 напряжения, второй вход выходного датчика тока 17, третий вход датчика тока 7 параллельного активного фильтра 1, датчика тока сети 13 и датчика напряжения 4 объединены и подключены ко входу блока управления 21. Управляющие выводы всех четырех контакторов объединены и соединены с третьим выходом блока управления 21, первый и второй выходы которого соединены с третьими входами преобразователей 2 и 8 соответственно.

Блок управления 21 может быть выполнен согласно схеме, описанной в патенте РФ на изобретение №2094935, МПК⁶ H02M 1/15, опубл. 27.10.1997 г.

Стабилизатор напряжения работает следующим образом.

В начальный момент времени блок управления 21 подает сигнал на управляющий вход первого 12 и второго 14 контактора, в результате чего происходит их замыкание (третий 16 и четвертый 19 контакторы разомкнуты), при этом течет ток из сети через второй 14, первый 12 контакторы, зарядный резистор 20, дроссель 5, управляемый мостовой полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный 2 и накопительный конденсатор 3. Происходит заряд накопительного конденсатора 3 до напряжения, значение которого равно амплитуде напряжения сети. Напряжение на накопительном конденсаторе 3 измеряется датчиком напряжения 4, третий вход которого подключен к входу блока управления 21. После заряда конденсатора блок управления 21 подает сигнал на замыкание четвертого контактора 19 и размыкание первого контактора 12, в результате чего происходит шунтирование зарядного резистора 20 и дешунтирование вторичной обмотки трансформатора 10. Блок управления 21, получая сигналы с датчика входного напряжения 15, управляет дополнительным преобразователем 8, в результате чего на его выходе формируется напряжение методом широтно-импульсной модуляции, равное разнице текущего значения напряжения сети и номинального, умноженное на коэффициент трансформации. Если сетевое напряжение меньше номинального, то напряжение на выходе дополнительного преобразователя 8 совпадает по фазе с напряжением сети, а если превышает, то сдвинуто на 180°. Напряжение на выходе дополнительного преобразователя 8 сглаживается фильтром, состоящим из дросселя 9 и дополнительного конденсатора 11, и подается на первичную обмотку трансформатора 10. В результате, на вторичной обмотке трансформатора 10 создается напряжение, необходимое для поддержания напряжения на выходе стабилизатора на номинальном уровне. Одновременно с этим блок управления 21 отслеживает напряжение на накопительном конденсаторе 3 с помощью датчика напряжения 4 и управляет преобразователем постоянного тока в переменный 2, который создает ток методом релейной модуляции, протекающий через дроссель 5, четвертый контактор 19, и трансформатор 10, второй контактор 14, необходимый для поддержания напряжения накопительного конденсатора 3 на номинальном уровне, превышающем напряжение сети. Датчик тока 7 параллельного активного фильтра 1 предназначен для отслеживания текущего значения тока преобразователя постоянного тока в переменный 2 для реализации релейной модуляции. После приведения напряжения на накопительном конденсаторе 3 к номинальному значению и стабилизации напряжения нагрузки, о чем свидетельствуют показания датчика напряжения 4 и датчика выходного напряжения 18 соответственно, блок управления 21 подает сигнал на замыкание третьего контактора 16, в результате чего осуществляется подключение нагрузки к выходу стабилизатора напряжения. Значение тока нагрузки измеряется выходным датчиком тока 17 и подается на вход блока управления 21, в котором происходит выделение реактивного тока и тока высших гармоник нагрузки, а затем, используя метод релейной модуляции тока (сравнивается текущее значение тока с сигналом задания), выдается сигнал управления преобразователем постоянного тока в переменный 2. Датчик тока 7 параллельного активного фильтра 1 служит для обратной связи по току. В результате ток преобразователя постоянного тока в переменный 2 равен по модулю неактивному току нагрузки (сумма реактивного тока и тока высших гармоник), но противоположен ему по знаку, тем самым осуществляется компенсация реактивного тока и высших гармоник. Из сети потребляется только активная составляющая тока нагрузки. В процессе работы дополнительный преобразователь 8 отдает или потребляет активную мощность в зависимости от величины отклонения напряжения сети от номинального значения, поэтому необходима компенсация активной мощности. Блок управления 21, используя показания датчика напряжения 4, добавляет или вычитает из тока задания преобразователя постоянного тока в переменный 2 активную составляющую тока. В результате чего в дросселе 5 протекает активный ток, необходимый для подзарядки (при пониженном напряжении сети) или разряда (при повышенном напряжении сети) накопительного конденсатора 3 до номинального напряжения. Вследствие чего в установившемся режиме ток сети, протекающий через вторичную обмотку трансформатора 10, равен сумме активных токов преобразователя постоянного тока в переменный 2 и нагрузки. Контроль качества компенсации реактивной мощности и фильтрации высших гармоник тока нагрузки осуществляет блок управления 21, используя показания датчика тока сети 13, а качества стабилизации напряжения нагрузки - показания датчика выходного напряжения 18. При возникновении короткого замыкания со стороны сети (спад напряжения сети до нуля) или недопустимо высокого уровня напряжения сети, что определяется по показанию датчика входного напряжения 15, блок управления 21 выдает сигнал на размыкание второго контактора 14, прекращает подачу сигнала управления дополнительным преобразователем 8 и осуществляет управление преобразователем постоянного тока в переменный 2 методом релейной модуляции с током задания, равным полному току нагрузки. Вследствие этого питание в нагрузку продолжает поступать после отключения сети. Длительность питания нагрузки определяется уровнем энергии запасенной в накопительном конденсаторе 3. После разряда конденсатора, если напряжение сети не восстановилось в допустимых для работы стабилизатора напряжения пределах, блок управления 21 подает сигнал на отключение третьего 16 и четвертого контактора 19, и система переходит в первоначальное состояние. При возникновении перегрузки или короткого замыкания нагрузки, что определяется показанием выходного датчика тока 17, блок управления 21 подает сигнал на отключение второго 14, третьего 16 и четвертого 19 контакторов.

Использование предлагаемого изобретения обеспечивает повышение точности стабилизации выходного напряжения в статических и динамических режимах, увеличение коэффициента мощности нагрузки.

Стабилизатор напряжения относится к электротехнике и позволяет получить технический результат - уменьшить мощность стабилизатора, обеспечить фильтрацию высших гармоник напряжения сети, с одновременной фильтрацией токов высших гармоник и компенсацией реактивной мощности поступающих в сеть. Стабилизатор содержит параллельный активный фильтр (1) из управляемого мостового преобразователя постоянного тока в переменный (2), на стороне постоянного тока которого параллельно первому и второму входам включены накопительный конденсатор (3) и первый и второй входы датчика напряжения (4). К выходу преобразователя (2) последовательно подключен LC-фильтр в виде дросселя (5) и конденсатора (6), к общей точке соединения которых присоединен первый вход датчика тока (7) фильтра (1). Первый выход дополнительного преобразователя (8) соединен с одним из выводов дросселя (9), другой вывод которого подключен к одному из выводов первичной обмотки трансформатора (10), другой вывод которой соединен со вторым выходом преобразователя (8). Дополнительный конденсатор (11) включен параллельно первичной обмотке трансформатора (10), при этом одна его обкладка соединена со вторым выходом преобразователя (8), а другая - с общей точкой соединения дросселя (9) и вторичной обмотки трансформатора (10). Преобразователь (8) выполнен аналогично преобразователю (2), и их первые и вторые входы соответственно соединены между собой. Один из силовых выводов первого контактора (12) подключен к точке соединения одного из выводов вторичной обмотки трансформатора (10) и первого входа датчика тока сети (13), а другой силовой вывод контактора (12) подключен к точке соединения другого вывода вторичной обмотки трансформатора (10) и одного из силовых выводов второго контактора (14), другой вывод которого подсоединен к третьему входу датчика входного напряжения (15), подключенного параллельно входным клеммам стабилизатора напряжения. Один из силовых выводов третьего контактора (16) подключен к фазному выводу стабилизатора напряжения, а другой присоединен к точке соединения первого входа выходного датчика тока (17) и третьего входа датчика выходного напряжения (18), второй вход которого, объединенный со вторым выходом преобразователя (2), подсоединен к нулевому выводу стабилизатора. Один из силовых выводов четвертого контактора (19) подключен к точке соединения одного из выводов зарядного резистора (20) и второго входа датчика тока (7) фильтра (1), а другой силовой вывод четвертого контактора (19) подключен к точке соединения другого вывода зарядного резистора (20), второго выхода датчика (13) и третьего выхода датчика (17). Первые входы датчиков (15) и (18), второй вход выходного датчика (17), третьи входы датчиков (7) фильтра (1), датчиков (13) и (4) объединены и подключены ко входу блока (21). Управляющие выводы всех четырех контакторов объединены и соединены с третьим выходом блока (21), первый и второй выходы которого соединены с третьими входами преобразователей (2) и (8) соответственно. В начальный момент времени блок (21) подает сигнал на управляющий вход первого (12) и второго (14) контактора, в результате чего происходит их замыкание (третий (16) и четвертый (19) контакторы разомкнуты), при этом течет ток из сети через второй (14), первый (12) контакторы, резистор (20), дроссель (5), преобразователь (2) и конденсатор (3). Происходит заряд конденсатора (3) до напряжения, значение которого равно амплитуде напряжения сети. 1 ил.

Стабилизатор напряжения, содержащий параллельный активный фильтр, включающий в себя управляемый мостовой полупроводниковый преобразователь постоянного тока в переменный, параллельно первому и второму входам которого включены накопительный конденсатор и первый и второй входы датчика напряжения, а на выходе управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный последовательно подключен LC-фильтр в виде дросселя и конденсатора, общая точка соединения которых присоединена к первому входу датчика тока параллельного активного фильтра, третий вход этого датчика тока подключен к первому входу датчика выходного напряжения, второй вход которого подключен к другой обкладке конденсатора LC-фильтра и к нулевому выводу стабилизатора напряжения, а третий вход этого датчика подключен к первому входу выходного датчика тока, второй вход которого присоединен к третьему входу датчика тока параллельного активного фильтра, а третий вход управляемого мостового полупроводникового преобразователя постоянного тока в переменный соединен с первым выходом блока управления, вход которого подключен к третьему входу датчика напряжения, к первым входам датчика выходного напряжения и датчика входного напряжения, отличающийся тем, что снабжен дросселем, дополнительным конденсатором, трансформатором, дополнительным преобразователем, выполненным аналогично управляемому мостовому полупроводниковому преобразователю постоянного тока в переменный, при этом первый и второй входы дополнительного преобразователя подключены параллельно накопительному конденсатору активного фильтра, а третий вход подсоединен ко второму выходу блока управления, а первый выход дополнительного преобразователя соединен с одним из выводов дросселя, другой вывод которого подключен к общей точке соединения одной обкладки дополнительного конденсатора с одним из выводов первичной обмотки трансформатора, точка соединения другого вывода первичной обмотки подключена ко второму выходу дополнительного преобразователя, первым контактором, силовые выводы которого подключены ко вторичной обмотке трансформатора, вторым контактором, один силовой вывод которого соединен с точкой соединения вторичной обмотки трансформатора с одним из силовых выводов первого контактора, другой силовой вывод второго контактора подключен к третьему входу датчика входного напряжения, датчиком тока сети, первый вход которого присоединен к точке соединения силового вывода первого контактора и другого вывода вторичной обмотки трансформатора, второй и третий входы датчика тока сети подключены соответственно к третьему и второму входам выходного датчика тока, третьим контактором, один из силовых выводов которого присоединен к точке соединения первого входа выходного датчика тока и третьего входа датчика выходного напряжения, другой силовой вывод подключен к фазному выводу стабилизатора напряжения, четвертым контактором и зарядным резистором, включенным параллельно силовым выводам четвертого контактора, один из выводов зарядного резистора подключен ко второму входу датчика тока параллельного активного фильтра, а другой вывод зарядного резистора присоединен к третьему входу выходного датчика тока, при этом управляющие выводы всех контакторов объединены и соединены с третьим выходом блока управления.