СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ СЕТИ Российский патент 2011 года по МПК G05F1/14 H02M5/00 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного питания, и предназначено для использования в системах электроснабжения для стабилизации сетевого однофазного напряжения источника электроэнергии переменного тока промышленной частоты.

Известно аналогичное устройство - однофазный стабилизатор напряжения [1], состоящий из однофазного трансформатора, двух оптосимисторов и системы управления стабилизатором напряжения, включающей в себя блок питания, нуль-орган, генератор пилообразного напряжения, компаратор и два формирователя импульсов. В данном аналоге для повышения качества выходной электроэнергии осуществляется гальваническая развязка между источником и нагрузкой. Недостатком аналога является то, что при его работе возможны искажения формы кривой напряжения.

Известен стабилизатор переменного напряжения [2], включающий повышающий трансформатор, две катушки, намотанные на один замкнутый сердечник, переменный резистор и блок управления сопротивлением резистора. Недостатком данного стабилизатора является то, что он эффективен для стабилизации напряжения на нагрузке, потребляющей большую мощность (от нескольких киловатт и выше).

Известно устройство, реализующее способ защиты нагрузки от аномальных напряжений в сети [3]. Данное устройство, предназначенное для регулирования напряжения в цепях переменного и постоянного тока, состоит из регулируемого элемента, порогового элемента нижнего допустимого значения, устройства контроля верхнего допустимого значения, детектора допустимых значений, схемы выделения переднего фронта, таймера, логического элемента "Сложение по модулю 2", инвертора, усилителя и выходного коммутирующего реле. Недостатком устройства могут являться коммутационные помехи при срабатывании реле.

Известен способ управления электромагнитными реле стабилизатора переменного напряжения и стабилизатор переменного напряжения для его осуществления [4]. Известный стабилизатор состоит из средства контроля входного напряжения, средства контроля потребляемого тока, регулировочного трансформатора, реле со средством коммутации цепей питания обмоток этого реле и микропроцессорного устройства управления средствами коммутации цепей питания обмоток реле. В свою очередь микропроцессорное устройство включает аналого-цифровой преобразователь для преобразования сигналов, пропорциональных току и напряжению, схему выборки и хранения текущих значений тока и входного напряжения, схему определения действующего значения тока и устройство определения моментов перехода через ноль входного напряжения и потребляемого тока. В данном стабилизаторе сводится к минимуму искрообразование между контактами реле при коммутациях, возникающее при изменениях нагрузки и отклонениях частоты сетевого напряжения. Однако в аналоге из-за применения реле искрообразование полностью не устраняется, а значит, не устраняются и коммутационные помехи. Кроме того, износостойкость контактов электромагнитных реле вообще невысока, особенно при больших мощностях. К тому же время нахождения обмоток реле под током ограничено соответствующими техническими условиями.

Наиболее близким по технической реализации к предлагаемому изобретению является стабилизатор переменного напряжения для сети 220 вольт [5]. В прототипе используется автотрансформатор, а вместо реле для коммутации его обмоток применяются бесконтактные симисторы, что полностью исключает искрообразование. Более того, симисторы имеют высокое быстродействие по сравнению с реле, что позволяет коммутировать обмотки автотрансформатора в моменты времени, когда напряжение сети достаточно близко к нулевому уровню.

Однако:

- симисторные коммутаторы вызывают искажения формы кривой напряжения;

- переключение симисторов запаздывает на несколько миллисекунд, что вызывает значительные броски тока в обмотках автотрансформатора при коммутациях;

- при скачкообразном (релейном) срабатывании симисторов могут возникать коммутационные помехи, что в некоторых случаях недопустимо.

Целью изобретения является уменьшение искажений формы кривой синусоидального напряжения, уменьшение бросков тока в обмотках в моменты их коммутации, а также уменьшение коммутационных помех в сети.

Поставленная цель достигается тем, что обмотки автотрансформатора переключаются мощными полевыми транзисторами, управляемыми оптоэлектронными ключами, моменты переключения которых определяются передним фронтом выходных сигналов Д-триггеров, на которые поступают сигналы с дешифратора сигналов компараторов, а на синхронизирующие входы которых поступает сигнал с детектора нуля напряжения сети.

Принцип работы стабилизатора переменного напряжения сети поясняется чертежом, на котором представлена его электрическая функциональная схема.

Стабилизатор содержит входные 1 и выходные клеммы 2, первичный выпрямитель 3, автотрансформатор 4, три вторичных выпрямителя 5₁, 5₂, 5₃, три оптоэлектронных ключа, условно состоящих из двух частей, 6₁₁-6₁₂, 6₂₁-6₂₂, 6₃₁-6₃₂, источник пороговых напряжений 7, два компаратора 8₁ и 8₂, детектор нуля входного напряжения сети 9, дешифратор 10, три Д-триггера 11₁, 11₂, 11₃ и три диодных мостовых схемы 12₁, 12₂, 12₃, в одну диагональ которых включены мощные полевые транзисторы 13₁, 13₂, 13₃.

Первичная обмотка автотрансформатора предлагаемого стабилизатора имеет три точки коммутации. От количества этих точек зависит величина скачка напряжения для регулирования выходного напряжения стабилизатора. Теоретически количество точек коммутации может быть любым: чем больше точек коммутации, тем точнее осуществляется стабилизация напряжения. С другой стороны, чем больше точек коммутации, тем сложнее техническое решение стабилизатора, а значит ниже его надежность. Для практических задач оптимальным количеством точек коммутации считается три.

Сетевое однофазное напряжение прикладывается к клеммам 1 и через соответствующие части первичной обмотки автотрансформатора 4 и мостовые схемы 12₁, 12₂, 12₃ поступает на выходные клеммы 2. Кроме того, входное напряжение прикладывается к детектору нуля 9 для выделения момента перехода синусоидального напряжения через ноль и к первичному выпрямителю 3. Один выход этого выпрямителя связан с первыми входами компараторов 8₁ и 8₂, а второй выход выпрямителя подключен ко входу источника пороговых напряжений (ИПН) 7. Выходы компараторов соединены с соответствующими входами дешифратора 10, имеющего три выхода, которые подключаются к информационным входам Д-триггеров 11₁, 11₂, 11₃, к синхронизирующим входам которых подключается выход детектора нуля 9. Три вторичные обмотки (по числу точек коммутации) автотрансформатора 4 связаны с соответствующими вторичными выпрямителями 5₁, 5₂, 5₃, первые выходы которых соединены со входами первых половин оптоключей 6₁₁, 6₂₁, 6₃₁, а вторые выходы соединены с соответствующими диагоналями мостовых схем 12₁, 12₂, 12₃, в которые включены полевые транзисторы 13₁, 13₂, 13_з. Выход каждого Д-триггера подключен ко входу соответствующей второй половины оптоключей 6₁₂, 6₂₂, 6₃₂.

Стабилизатор работает следующим образом.

Входное напряжение сети поступает на вход 1 стабилизатора и прикладывается к первичному выпрямителю 3, который формирует два постоянных напряжения: u_С, поступающее на первые входы компараторов 8₁ и 8₂, а также напряжение, питающее источник пороговых напряжений 7, представляющий собой стабилизатор напряжений. Значение выпрямленного напряжения u_С пропорционально текущему значению входного переменного напряжения сети. В свою очередь ИПН 7 также формирует два стабильных пороговых уровня напряжения u_П1 и u_П2, причем значение u_П1 пропорционально минимально допустимому значению, а значение u_П2 - максимально допустимому значению входного переменного напряжения.

Это означает, что если входное сетевое напряжение номинальное, то значение u_С находится между значениями u_П1 и u_П2. Если входное напряжение ниже нормы, то напряжение u_С сместится ниже u_П1, а если входное напряжение выше нормы, то напряжение u_С станет больше u_П2,. В первом случае оба компаратора не срабатывают, на входе дешифратора 10 будет логическая комбинация «00», а выходной сигнал дешифратора при этом появится на втором выходе и приложится он к первому входу Д-триггера 11₂. Если входное напряжение становится ниже нормы, то сработает компаратор 8₁, на входе дешифратора будет комбинация «10», выходной сигнал дешифратора появится на первом выходе и приложится он к первому входу Д-триггера 11₁. Если сетевое напряжение станет больше нормы, то аналогично сработает компаратор 8₂, на входе дешифратора будет комбинация «01», выходной сигнал появится на третьем выходе и приложится он к первому входу Д-триггера 11₃.

На вторые (синхронизирующие) входы всех Д-триггеров подается сигнал с детектора нуля входного напряжения сети 9 в моменты времени, близкие к моментам перехода через ноль синусоидального напряжения сети.

Выпрямители 5₁, 5₂, 5₃ предназначены для подачи через оптоэлектронные ключи 6 управляющего напряжения на промежутки затвор-исток соответствующих полевых транзисторов 13₁, 13₂, 13₃. Питаются полевые транзисторы выпрямленным напряжением мостовых схем 12₁, 12₂, 12₃.

При выходе напряжения сети за допустимые пределы в момент перехода его через ноль детектор 9 выдаст сигнал на синхронизирующие входы Д-триггеров, один из которых (11₁ или 11₃) изменит свое состояние и подаст сигнал на переключение подсоединенного к нему соответствующего оптоключа. Оптоэлектронный ключ 6₁₁-6₁₂ или 6₃₁-6₃₂ при этом замкнется и подаст управляющее напряжение с одного из выпрямителей 5 на промежуток затвор-исток соответствующего мощного полевого транзистора 13. Это в свою очередь приведет к подключению нагрузки стабилизатора 2 к другому выводу обмотки автотрансформатора, в результате чего напряжение сети на нагрузке вновь станет номинальным.

Эксперименты показали, что предложенное схемное решение стабилизатора обеспечивает переключение нагрузки в моменты времени, отличающиеся от моментов перехода входного напряжения через ноль всего на несколько микросекунд. Это исключает броски тока в коммутируемых обмотках автотрансформатора, что повышает надежность работы стабилизатора переменного напряжения сети, защищает питаемую нагрузку, сохраняет гармоническую форму напряжения сети и практически полностью исключает коммутационные помехи в сети при работе стабилизатора.

Таким образом, предложенный стабилизатор переменного напряжения сети позволит существенно повысить качество электроэнергии вторичных источников питания систем электроснабжения различного назначения.

Источники информации

1. Однофазный стабилизатор напряжения. Патент РФ №2282886, 2006.

2. Стабилизатор переменного напряжения. Патент РФ №2280271, 2006.

3. Способ защиты нагрузки от аномальных напряжений в сети. Патент РФ №2280292, 2006.

4. Способ управления электромагнитными реле стабилизатора переменного напряжения и стабилизатор переменного напряжения для его осуществления. Патент РФ №2246746, 2005.

5. Стабилизатор переменного напряжения для сети 220 вольт (прототип). Сервер Кубанских радиолюбителей, 2008. Электронный адрес: http/www.cqham.ru/pw3_08.htm.

Использование: в области электротехники. Технический результат - уменьшение искажений формы кривой синусоидального напряжения и уменьшение коммутационных помех в сети. Стабилизатор состоит из автотрансформатора, первичного и трех вторичных выпрямителей, источника пороговых напряжений, двух компараторов, детектора нуля входного напряжения, дешифратора, трех Д-триггеров, трех оптоэлектронных ключей, трех мостовых схем и трех мощных полевых транзисторов. 1 ил.

Стабилизатор переменного напряжения сети, содержащий входные и выходные клеммы, автотрансформатор, первичный выпрямитель, источник пороговых напряжений, дешифратор, детектор нуля, два компаратора и три вторичных выпрямителя, причем вход стабилизатора связан с детектором нуля и первичным выпрямителем, первый выход которого подключен к первым входам обоих компараторов, а второй выход - ко входу источника пороговых напряжений, первый выход источника пороговых напряжений соединен со вторым входом первого компаратора, а второй его выход соединен со вторым входом второго компаратора, выходы компараторов подключены к соответствующим входам дешифратора, а входы вторичных выпрямителей связаны с соответствующими вторичными обмотками автотрансформатора, отличающийся тем, что, с целью уменьшения искажений формы кривой синусоидального напряжения, уменьшения бросков тока в обмотках в моменты их коммутации, а также уменьшения коммутационных помех в сети, в него дополнительно введены три диодных мостовых схемы, три мощных полевых транзистора, три оптоэлектронных ключа и три Д-триггера, причем диодные мостовые схемы первыми диагоналями включены в цепи, связывающие входные и выходные клеммы через соответствующие части первичной обмотки автотрансформатора, полевые транзисторы включены во вторые диагонали соответствующих мостовых схем, а выходы вторичных выпрямителей подключены к промежуткам затвор-исток соответствующих полевых транзисторов через оптоэлектронные ключи, входы которых подключены к выходам соответствующих Д-триггеров, информационные входы которых связаны с выходами дешифраторов, а синхронизирующие входы которых связаны с выходом детектора нуля напряжения сети.