ВЫСОКОТОЧНЫЙ ЭЛЕКТРОННЫЙ РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2009 года по МПК G05F1/30 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к регуляторам (стабилизаторам) напряжения переменного тока, и предназначается для использования в системах электроснабжения для стабилизации однофазного источника напряжения электроэнергии переменного тока и в устройствах, где возникает необходимость точной регулировки напряжения.

Известен стабилизатор напряжения переменного тока, содержащий автоматический выключатель, а также трансформатор, тиристорные ключи как коммутатор для бесконтактного переключения ответвлений трансформатора и устройство управления стабилизатором, которое содержит блок питания, нуль-орган и формирователь импульсов (см. Розанов Ю. К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 с., рис.59, с.238). Недостатками стабилизатора являются низкие надежность и КПД, что препятствует получению технического результата, который обеспечивается предлагаемым изобретением.

Известен стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор с основной, дополнительными и измерительной обмотками. Начало основной обмотки является входным и выходным зажимами стабилизатора. Стабилизатор также содержит источники питания и эталонного напряжения, двухполупериодный выпрямитель с RC-фильтром на выходе, компараторы напряжения, инвертирующие входы которых через резисторы соединены с источником эталонного напряжения, а неинвертирующие входы также через резисторы подключены к выходу RC-фильтра.

Стабилизатор также содержит транзисторные усилители, электромагнитные реле с переключающими контактами (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2187834, 7 кл. G05F 1/20, 2001). Недостатками стабилизатора являются низкие надежность и КПД, что препятствует получению технического результата, который обеспечивается предлагаемым изобретением.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению является стабилизатор напряжения переменного тока, содержащий трансформатор, коммутатор, выполненный в виде ключей для переключения ответвлений трансформатора, и устройство управления стабилизатором, которое содержит блок питания, нуль-орган и формирователи импульсов, в качестве трансформатора использован автотрансформатор, а в качестве ключей соответственно оптосимисторы, причем к входу и общему выводу автотрансформатора подключен источник питания, а его первый и второй выводы через первый и второй оптосимисторы подключены к первому выходу стабилизатора, вторым выходом которого является общий вывод автотрансформатора. Устройство управления стабилизатором дополнительно содержит генератор пилообразного напряжения, компаратор, где первый и второй входы блока питания подключены к входу и общему выводу автотрансформатора соответственно, первый выход блока питания соединен с входом нуль-органа, выход которого соединен с входом генератора пилообразного напряжения и входом первого формирователя импульсов управления, второй выход блока питания соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, выход компаратора соединен с входом второго формирователя импульсов управления, при этом выходы первого и второго формирователей управления соединены с управляющими входами первого и второго оптосимисторов. Стабилизатор содержит клеммы (входные зажимы 6 и 7, выходные зажимы 10 и 11), автоматический выключатель и контакт защитного заземления (см. патент российской Федерации на изобретение RU 2216032, кл. 7 G05F 1/20, 2002).

Недостатками стабилизатора являются небольшой диапазон регулирования и импульсно-фазовое управление оптосимисторами, приводящее к неизбежным искажениям напряжения сети, что неприемлемо.

Наиболее близким устройством того же назначения к заявляемому изобретению, взятым в качестве прототипа (см. патент Российской Федерации на изобретение RU 2188496 С1 7, кл. Н02М 5/12, G05F 1/30, 2002), является устройство для ступенчатого регулирования переменного напряжения. Данное устройство содержит входной и выходной выводы, первый трансформатор, имеющий основную обмотку, подключенную к входному выходу устройства, и секционированную обмотку понижения и/или повышения напряжения, отпайки которой подключены к соответствующим выводам управляющих коммутаторов первой группы коммутаторов, управляемые коммутаторы второй группы коммутаторов, входы которых подключены к соответствующим отпайкам секционированной обмотки первого трансформатора, суммирующий делитель, первый и второй входы которого подключены через первый и второй ключи соответственно к выводам управляющих коммутаторов первой и второй групп коммутаторов соответственно, и второй трансформатор, одна из обмоток которого включена между входным и выходным выводами устройства, а другая обмотка подключена к выходу суммирующего делителя.

Недостатками данного устройства являются:

1) невозможность точной регулировки,

2) большое количество отводов у секционированной обмотки первичного трансформатора для получения более точной регулировки выходного напряжения нагрузки на выходе второго трансформатора,

3) невозможность реверсирования, устройство может быть только повышающим напряжение или только понижающим.

Цель изобретения - повышение точности показаний (регулировки) высокоточного регулятора напряжения переменного тока (далее регулятора), упрощение конструкции прибора, повышение надежности и долговечности, увеличение диапазона регулирования, а также упрощение регулировки и уменьшение стоимости прибора.

Поставленная цель достигается тем, что в уже известном регуляторе напряжения переменного тока, включающем суммирующий и автотрансформаторы, коммутатор, устройство управления стабилизатором с микроконтроллером и датчиками синхроимпульсов, входного и выходного напряжения, датчик синхроимпульсов тока, датчик тока нагрузки, устройство отображения информации о состоянии регулятора, устройство подключения нагрузки с усилителем и магнитным пускателем, расположенными в корпусе, а также клеммы для подключения к сети и нагрузке, автотрансформатор и контакты заземления, содержит две группы отводов, группу отводов грубой регулировки с количеством отводов = m и группу отводов точной регулировки с количеством отводов = k, причем вольтдобавка между соседними отводами грубой регулировки значительно превышает вольтдобавку между соседними отводами точной регулировки, сочетание подключения двух отводов одного из группы точной регулировки и одного из группы грубой регулировки позволяет получить ряд напряжений с малой дискретностью и с количеством ступеней регулировки, равным

,

где m - количество отводов грубой регулировки;

k - количество отводов точной регулировки.

Число отводов точной группы m и вольтдобавка - изменение напряжения при переходе подключения на соседние отводы точной группы, определяет точность регулятора напряжения, а число отводов грубой группы k и разность напряжения между крайними отводами грубой группы, определяет диапазон регулирования.

Если отводы точной регулировки расположены с одной стороны от отводов грубой регулировки, то при этом сохраняется полярность при подключении в любом сочетании двух отводов, одного из точной группы и одного из грубой группы, а если отводы точной группы регулировки расположены между двумя соседними отводами грубой регулировки, то при этом меняется полярность при подключении двух отводов, одного из точной группы и одного из грубой группы, когда берется отвод грубой группы, расположенный с одной или с другой стороны от группы отводов точной регулировки. Два отвода автотрансформатора подключаются к суммирующему трансформатору, один отвод из группы точной регулировки подключается через группу токоограничительных резисторов точной регулировки и коммутатор точной регулировки и один отвод из группы грубой регулировки, через группу токоограничительных резисторов грубой регулировки и коммутатор грубой регулировки.

На чертеже изображена функциональная схема высокоточного электронного регулятора напряжения.

Регулятор 1 содержит регулировочный блок 2, в который входит автотрансформатор 13, с двумя группами отводов: - грубой регулировки В1---Вm - и точной регулировки -А1---Аk, которые подключены через соответствующие группы токоограничительных резисторов грубой регулировки - 19 и группу токоограничительных резисторов точной регулировки - 16 через группы плавких предохранителей грубой - 18 и точной - 15 регулировки к соответствующим коммутаторам точной регулировки - 14 и грубой регулировки - 17 и к вольтдобавочной обмотке суммирующего трансформатора 12, а основная обмотка суммирующего трансформатора подключена к входу сети и выходу на нагрузку. Устройство управления регулятором 2 содержит микроконтроллер 3, входы которого соединены с датчиком входного напряжения 4, датчиком синхроимпульсов напряжения 5, датчиком выходного напряжения 6, датчиком тока нагрузки 20, датчиком синхроимпульсов тока 10, а выходы микроконтроллера 3 соединены с управляющими входами коммутатора грубой регулировки напряжения 17 и управляющими входами коммутатора точной регулировки напряжения 14, устройством отображения информации о состоянии стабилизатора 11, и устройство подключения нагрузки 21, состоящее из усилителя 22 и магнитного пускателя 23, а также и контакты заземления 24. Коммутаторы (ключи) выполнены как электронно-тиристорные блоки (возможно исполнение коммутаторов других типов: например, на основе транзисторов или симисторов), состоящие из пар встречно параллельно включенных тиристоров, соединенных через группы плавких предохранителей и группы токоограничительных резисторов с отводами автотрансформатора.

Регулятор работает следующим образом: входное напряжение с клемм 7 после включения автоматического выключателя 8 поступает на основную обмотку суммирующего трансформатора 12. Микроконтроллер 3 с помощью датчика входного напряжения 4 производит измерение величины входного напряжения и определяет, какие два отвода необходимо подключить к вольтодобавочной обмотке силового трансформатора, причем один отвод берется из группы отводов В1---Вm грубой регулировки и второй отвод берется из группы отводов A1---Аk точной регулировки автотрансформатора 13 и подает команды на управляющие входы коммутаторов точной - 14 и грубой - 17 регулировки так, чтобы после включения магнитного пускателя 23 в устройстве подключения нагрузки 21 напряжение на нагрузке соответствовало установочной величине выходного напряжения, так производится первоначальное включение регулятора.

Дальнейшая работа регулятора происходит следующим образом: при изменении входного напряжения с помощью датчика входного напряжения 4 в номинальном диапазоне напряжения сети устройство управления регулятором 2 подает команды на управляющие входы коммутаторов точной - 14 и грубой - 17 регулировки, которые через группы плавких предохранителей точной - 15 и грубой - 18 регулировки и группы токоограничительных резисторов точной - 16 и грубой - 19 регулировки переключают отводы - В1---Вm и - А1---Аk автотрансформатора 13 таким образом, чтобы обеспечить на вольтодобавочной обмотке суммирующего трансформатора 12 напряжение такой величины, которое после включения магнитного пускателя 23 в устройстве подключения нагрузки 21 и с учетом коэффициента трансформации обеспечивает на выходе суммирующего трансформатора напряжение, равное установочной величине выходного напряжения. Подключение отводов автотрансформатора осуществляет устройство управления регулятором посредством микроконтроллера и управляющей программы, записанной в нем. В зависимости от показаний датчиков входного напряжения выбирается для подключения два отвода автотрансформатора: один - из отводов точной группы и один - из отводов грубой группы регулировки.

При небольших изменениях (колебаниях) напряжения в сети регулирование напряжения осуществляется за счет переключения одного из отводов в пределах точной группы регулировки, а когда отклонения входного напряжения превышают пределы их регулирования за счет переключения отводов в пределах точной группы, то происходит переключение следующего ближайшего отвода в пределах грубой группы регулировки.

Использование автотрансформатора для управления суммирующим трансформатором позволяет значительно уменьшить токи, протекающие через обмотки автотрансформатора, тиристорные ключи коммутаторов, токоограничительные резисторы и плавкие предохранители, за счет использования суммирующего трансформатора с коэффициентом трансформации, значительно большим 1.

Точность стабилизации достигается за счет того, что автотрансформатор содержит две группы отводов, группу отводов грубой регулировки В1---Вm - с количеством отводов = m и группу отводов точной регулировки -А1---Аk - с количеством отводов = k, причем вольтдобавка между соседними отводами грубой регулировки значительно превышает вольтдобавку между соседними отводами точной регулировки, а сочетание подключения двух отводов одного из группы точной регулировки и одного из группы грубой регулировки позволяет получить ряд напряжений с малой дискретностью и с количеством значений, равным

,

где m - количество отводов грубой регулировки;

k - количество отводов точной регулировки.

Причем число отводов точной группы m и вольтдобавка - (изменение напряжения при переходе подключения на соседние отводы точной группы автотрансформатора), подбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить необходимую точность регулятора напряжения, а число отводов грубой группы k и вольтдобавка (изменение напряжения при переходе подключения на соседние отводы грубой группы автотрансформатора) и разность напряжения между крайними отводами грубой группы с одной стороны от отводов точной группы и с другой стороны от отводов точной группы подбираются из условия обеспечения необходимого диапазона регулирования как в сторону увеличения напряжения, так и в сторону его увеличения. Примерная зависимость между вольтдобавками и следующая:

Изменение напряжения на выходе силового трансформатора определяется с учетом коэффициента трансформации С как:

Если отводы точной группы регулировки расположены между двумя соседними отводами грубой регулировки, то при этом меняется полярность при подключении двух отводов, одного из точной группы и одного из грубой группы, когда берется отвод грубой группы, расположенный с одной или с другой стороны от группы отводов точной регулировки. Возможен также вариант, когда отводы точной регулировки расположены с одной стороны от отводов грубой регулировки, при этом сохраняется полярность при подключении в любом сочетании двух отводов, одного из точной группы и одного из грубой группы.

При небольших изменениях величины напряжения в сети регулировка напряжения осуществляется за счет переключения отводов точной группы регулировки автотрансформатора, а при больших изменениях величины напряжения в сети, когда регулировку невозможно осуществить только за счет переключения отводов в пределах точной группы, происходит переключение необходимого отвода грубой группы регулировки.

Высокая скорость регулировки напряжения достигается путем высокой скорости измерения параметров дискретизации измерения входного напряжения, выходного напряжения, тока нагрузки за один период сетевого напряжения, и переключение автотрансформатора на другие отводы коммутаторными ключами при переходе фазы тока нагрузки через ноль, что исключает искажения напряжения сети.

Результаты измерений входного и выходного напряжений, мощности, потребляемой нагрузки и других вспомогательных параметров микроконтроллер выводит на устройство 14 отображения информации о состоянии регулятора. При изменении входного напряжения в номинальном диапазоне устройство управления регулятора 2 подает команды на управляющие входы коммутатора, который подключает один из грубых и один из точных отводов автотрансформатора таким образом, чтобы обеспечить на вольтодобавочной обмотке суммирующего трансформатора 12 напряжение такой величины, которое с учетом коэффициента трансформации обеспечивает на нагрузке напряжение, соответствующее установочному значению выходного напряжения в пределах допустимой погрешности.

Переключение производится после того, как микроконтроллер определит с помощью датчика синхроимпульсов тока 5 момент перехода тока нагрузки через ноль. Точность стабилизации определяется величиной напряжения между соседними отводами точной регулировки автотрансформатора, так при 6 грубых и 6 точных отводах автотрансформатора номинальный диапазон входного напряжения составляет от 130 В до 260 В при точности стабилизации ±1,5%, а переключение при нуле тока нагрузки исключает искажения напряжения сети.

В случае выхода величины входного напряжения за пределы рабочего диапазона, который несколько превышает номинальный диапазон, устройство управления регулятором отключает нагрузку путем включения магнитного пускателя 23 в устройстве подключения нагрузки 21, затем коммутатор отключает все отводы автотрансформатора, участвующие в регулировании, подача выходного напряжения на клеммы прекращается. После нормализации входного напряжения, то есть при входе величины входного напряжения в рабочий диапазон, устройство управления возобновляет работу по стабилизации выходного напряжения. Кроме того, устройство управления регулятором отслеживает ряд аварийных ситуаций, при наступлении которых прекращается подача выходного напряжения на клеммы подключения нагрузки. Информацию об аварийных ситуациях микроконтроллер выводит на устройство отображения информации о состоянии регулятора.

Таким образом, предлагаемый регулятор позволяет повысить надежность за счет уменьшения тока в цепи электронных коммутаторов, повысить быстродействие регулятора, получить высокую точность регулировки при минимальном количестве ключей в коммутаторах и отводов в автотрансформаторе, при этом снижается стоимость регулятора напряжения переменного тока, что является техническим результатом.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к регуляторам (стабилизаторам) напряжения переменного тока, и предназначается для использования в системах электроснабжения для стабилизации однофазного источника напряжения электроэнергии переменного тока и в устройствах, где возникает необходимость точной регулировки напряжения. Технический результат достигается тем, что в уже известном регуляторе напряжения переменного тока, включающем суммирующий и автотрансформаторы, коммутатор, устройство управления стабилизатором с микроконтроллером и датчиками синхроимпульсов, входного и выходного напряжения, датчик синхроимпульсов тока, датчик тока нагрузки, устройство отображения информации о состоянии регулятора, расположенными в корпусе, а также клеммы для подключения к сети и нагрузке, автотрансформатор содержит две группы отводов, группу отводов грубой регулировки с количеством отводов = m и группу отводов точной регулировки с количеством отводов = k, причем вольтдобавка между соседними отводами грубой регулировки значительно превышает вольтдобавку между соседними отводами точной регулировки, сочетание подключения двух отводов одного из группы точной регулировки и одного из группы грубой регулировки позволяет получить ряд напряжений с малой дискретностью и с количеством ступеней регулировки, равным N=m·k, где m - количество отводов грубой регулировки; k - количество отводов точной регулировки. Таким образом, предлагаемый регулятор позволяет повысить надежность за счет уменьшения тока в цепи электронных коммутаторов, повысить быстродействие регулятора, получить высокую точность регулировки при минимальном количестве ключей в коммутаторах и отводов в автотрансформаторе, что является техническим результатом. А использование устройства управления регулятором, содержащего микроконтроллер, позволяет повысить надежность работы за счет значительного уменьшения количества дискретных электронных элементов и обработки значительного числа аварийных ситуаций, также повышается точность измерений и объем отображаемой информации, при этом снижается стоимость регулятора напряжения переменного тока. 6 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электронный регулятор напряжения, содержащий регулировочный блок с суммирующим трансформатором, автотрансформатором и коммутаторами, устройство управления с микроконтроллером, датчиком синхроимпульсов, датчиком входного напряжения и датчиком выходного напряжения, кроме того, датчик синхроимпульсов тока, датчик тока нагрузки, устройство отображения информации о состоянии электронного регулятора напряжения, устройство подключения нагрузки с усилителем и магнитным пускателем, расположенными в корпусе, а также клеммы для подключения к сети и нагрузке и контакты заземления, отличающийся тем, что автотрансформатор содержит группу отводов для грубой регулировки с количеством отводов m и группу отводов для точной регулировки с количеством отводов k, причем величина напряжения между соседними отводами для грубой регулировки превышает величину напряжения между соседними отводами для точной регулировки, к суммирующему трансформатору подключаются один отвод из группы точной регулировки и один отвод из группы грубой регулировки.

2. Электронный регулятор по п.1, отличающийся тем, что сочетание подключения двух отводов автотрансформатора одного из группы для точной регулировки и одного из группы для грубой регулировки позволяет получить ряд напряжений с малой дискретностью и с количеством уровней N=m·k.

3. Электронный регулятор по п.1, отличающийся тем, что число отводов k группы для точной регулировки и изменение напряжения при переходе подключения на соседние отводы группы для точной регулировки подбирается с таким расчетом, чтобы обеспечить необходимую точность электронного регулятора напряжения.

4. Электронный регулятор по п.1, отличающийся тем, что число отводов m группы для грубой регулировки и разность напряжения между крайними отводами группы для грубой регулировки подбирается из условия обеспечения необходимого диапазона регулирования.

5. Электронный регулятор по п.1, отличающийся тем, что отводы группы для точной регулировки расположены с одной стороны от отводов группы для грубой регулировки, при этом сохраняется полярность при подключении в любом сочетании двух отводов, одного из группы для точной регулировки и одного из группы для грубой регулировки.

6. Электронный регулятор по п.1, отличающийся тем, что отводы группы для точной регулировки расположены между двумя соседними отводами группы для грубой регулировки, при этом меняется полярность при подключении двух отводов, одного из группы для точной регулировки и одного из группы для грубой регулировки, когда берется отвод из группы для грубой регулировки, расположенный с одной или с другой стороны от отводов группы для точной регулировки.

7. Электронный регулятор по п.1, отличающийся тем, что подключаются два отвода автотрансформатора к суммирующему трансформатору, один отвод из группы для точной регулировки подключается через группу токоограничительных резисторов точной регулировки и коммутатор точной регулировки и один отвод из группы для грубой регулировки через группу токоограничительных резисторов грубой регулировки и коммутатор грубой регулировки.