РЕГУЛЯТОР НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2012 года по МПК G05F1/10 G05B11/00 

Изобретение относится к электротехнике и электронике, а именно к одно- и многоканальным стабилизаторам напряжения, и предназначено для использования в системах электроснабжения для регулировки, включая стабилизацию, однофазного и трехфазного напряжения источника электроэнергии переменного тока, а также для регулировки, включая стабилизацию, постоянного напряжения.

Известен стабилизатор напряжения переменного тока (патент на полезную модель №50691, G05F 1/20, опубл. 20.01.2006), содержащий автотрансформатор, коммутатор, устройство управления стабилизатором, устройство питания устройства управления стабилизатором, расположенные в корпусе, а также клеммы для подключения к сети и нагрузке, автоматический выключатель и контакт защитного заземления. Устройство управления этим стабилизатором содержит микроконтроллер, входы которого соединены с датчиком входного напряжения, датчиком выходного напряжения, датчиком тока нагрузки и датчиком синхроимпульсов, а выходы микроконтроллера соединены с управляющими входами коммутатора и устройством отображения информации о состоянии стабилизатора.

Недостатком данного стабилизатора является: сложная конструкция стабилизатора, высокая стоимость и ненадежная работа.

Известен принятый за прототип регулятор переменного напряжения (далее стабилизатор), содержащий автотрансформатор, коммутатор, автоматический выключатель, устройство питания устройства управления, клеммы подключения к сети и нагрузки, датчик тока нагрузки, устройство индикации информации о состоянии стабилизатора, устройство подключения нагрузки, состоящее из усилителя и магнитного пускателя, устройство управления стабилизатором, содержащее микроконтроллер, датчик выходного напряжения, датчик тока нагрузки и датчик синхроимпульсов, корпус, в котором размещены все перечисленные элементы, а также клеммы защитного заземления, для определения входного напряжения и управления работой стабилизатора переменного напряжения используются показания датчика выходного напряжения при отсутствии датчика входного напряжения.

Однако точность и надежность данного решения ограничена из-за технологических разбросов параметров применяемых электронных компонентов и, соответственно, приводит к необходимости ручной настройки приборов с помощью дорогостоящего измерительного оборудования.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания регулятора напряжения с увеличенной точностью и надежностью, с одновременным упрощением его конструкции и снижения стоимости.

Поставленная задача решается созданием регулятора напряжения, содержащего вычислительно-измерительный блок и, по крайней мере, один регулирующий блок, новизна которого заключается в том, что он дополнительно содержит блок настройки и блок памяти, причем первый выход вычислительно-измерительного блока соединен со входом управления регулирующего блока, а силовой вход регулирующего блока соединен с соответствующим входом регулятора напряжения, силовой выход регулирующего блока соединен с выходом регулятора напряжения, вход и выход регулятора напряжения соединены также со входами измерения входного и выходного напряжения вычислительно-измерительного блока соответственно, второй из выходов вычислительно-измерительного блока соединен со входом блока настройки, а выход блока настройки соединен со входом блока памяти, причем выход блока памяти соединен с соответствующим входом вычислительно-измерительного блока

Для настройки по входному и/или выходному току, с учетом известных параметров нагрузки, регулятор напряжения может дополнительно содержать по крайней мере один измеритель тока, расположенный на входе и/или выходе регулятора напряжения, причем каждый измеритель тока соединен также с соответствующим ему входом измерения тока вычислительно-измерительного блока.

Для одно- или двустороннего обмена данными с внешними устройствами регулятор напряжения может дополнительно содержать цифровой и/или аналоговый интерфейс, подключенный к вычислительно-измерительному блоку.

Технический результат достигается за счет автоматической настройки регулятора, при первом включении, периодически либо по внешней команде.

Число регулирующих блоков регулятора может быть любым в зависимости от решаемых задач, в частности один блок при регулировке однофазного напряжения переменного тока, три блока при регулировке трехфазного напряжения переменного тока, три блока при осуществлении плавного пуска трехфазных моторов.

В качестве вычислительно-измерительного блока может быть использован микроконтроллер, микропроцессор с соответствующими периферийными схемами, аналоговая вычислительная машина и др. устройства цифровой и/или аналоговой обработки данных.

В качестве регулирующего блока может быть использован многообмоточный трансформатор или автотрансформатор с релейной либо электронной схемой управления, блок трансформатор - компенсационный автотрансформатор с моторной схемой регулирования, автотрансформатор с моторной схемой регулирования, импульсные преобразователи напряжения - для переменного напряжения, компенсационный управляемый стабилизатор, резистивная матрица, импульсные преобразователи - для постоянного напряжения.

В качестве блока настройки может быть использован микроконтроллер, микропроцессор с соответствующими периферийными схемами, аналоговая вычислительная машина и др. устройства цифровой обработки, в том числе и часть вычислительно-измерительного блока, с пространственным либо временным разделением обработки данных.

В качестве элемента памяти может быть использован любой вид цифровой и (или) аналоговой памяти, в том числе и встроенная в микроконтроллер вычислительно-измерительного блока.

В частности, вычислительно-измерительный блок, блок настройки и блок памяти могут быть реализованы в виде одной либо набора микросхем, включая микросхемы жесткой логики, микросхемы программируемой логики, микроконтроллеры или микропроцессоры.

В качестве измерителя тока может быть использован трансформатор тока, датчик Холла, пояс Роговского, токовый шунт, теплоэлектрические и другие устройства.

На фиг.1 приведена общая схема регулятора напряжения.

На фиг.2 приведена схема регулятора напряжения, снабженного двумя измерителями тока.

На фиг.3 приведена схема регулятора напряжения, снабженного интерфейсом.

На фиг.4 приведена схема подключения регулятора напряжения к источнику напряжения и нагрузочному элементу.

На фиг.5 изображена блок-схема алгоритма работы прибора.

На фиг.6 приведена схема регулятора напряжения постоянного тока 5-10 В с реализацией вычислительно-измерительного блока, а также блоков настройки и памяти на одном кристалле.

На фиг.7 приведена схема трехфазного регулятора/стабилизатора для плавного пуска асинхронных двигателей с последующей стабилизацией.

Регулятор напряжения содержит вычислительно-измерительный блок 1 и, по крайней мере, один регулирующий блок 2, блок настройки 3 и блок памяти 4, причем первый выход 5 вычислительно-измерительного блока 1 соединен со входом управления регулирующего блока 6, а силовой вход 8 регулирующего блока 2 соединен со входом 7 регулятора напряжения, силовой выход регулирующего блока 9 соединен с выходом регулятора напряжения 10, вход 7 и выход 10 регулятора напряжения соединены также соответственно с входами измерения входного 11 и выходного 12 напряжения вычислительно-измерительного блока 1, второй из выходов 13 вычислительно-измерительного блока 1 соединен со входом 14 блока настройки 3, а выход 15 блока настройки 3 соединен со входом 16 блока памяти 4, выход 17 блока памяти 4 соединен с соответствующим входом 18 вычислительно-измерительного блока (фиг.1).

Для настройки по входному и/или выходному току, с учетом известных параметров нагрузки, регулятор напряжения может дополнительно содержать, по крайней мере один измеритель тока 19. На фиг.2 изображен регулятор напряжения с двумя измерителями тока 19 и 20, расположенными на входе 7 (19) и выходе 10 (20) регулятора напряжения, причем измерители тока 19 и 20 соединены также со входом измерения тока соответственно 21 и 22 вычислительно-измерительного блока 1.

Регулятор напряжения может быть дополнительно снабжен цифровым и/или аналоговым интерфейсом 23, подключенным к вычислительно-измерительному блоку для одно- или двустороннего обмена данными с внешними устройствами (фиг.3).

Регулятор напряжения работает следующим образом.

Блок настройки 3 регулятора напряжения позволяет при взаимодействии его с другими блоками регулятора напряжения произвести необходимые настройки для точной и правильной работы регулятора. Для этого при первом включении прибора подключаем его к источнику известного калиброванного напряжения, постоянного или переменного в зависимости от назначения регулятора, к выходу регулятора 10 подключаем нагрузочный элемент, активный, реактивный либо комплексный, с известными параметрами (фиг.4).

Блок-схема алгоритма работы прибора изображена на фиг.5. При подключении прибора к источнику напряжения, СТАРТ, вычислительно-измерительный блок 1 считывает данные настройки регулятора из блока памяти 4, шаг I. На шаге II происходит анализ полученных данных, если настройка не была ранее произведена, то вычислительно-измерительный блок 1 выставляет начальное состояние регулирующего блока 2, производит измерение входного и выходного напряжений, передает данные об измеренных входных и выходных напряжениях в блок настройки 3 - шаг III. На шаге IV блок настройки 3 определяет данные о необходимых преобразованиях входного и выходного напряжений для соответствия входному калиброванному напряжению, а также выходному с учетом начального состояния регулирующего блока. На шаге V эти данные пишутся в блок памяти 4, затем регулятор возвращается к шагу 1. Таким образом, автоматическая настройка регулятора напряжения произведена, и на шаге I данные настройки считываются вычислительно-измерительным блоком 1, на шаге II, поскольку данные из блока памяти 4 получены, регулятор напряжения переходит к шагу VI. На шаге VI вычислительно-измерительный блок 1 анализирует, не был ли получен внешний сигнал о настройке, и если такой сигнал не был получен, переходит к шагу VII - происходит регулировка выходного сигнала с учетом данных автонастройки.

Таким образом, прибор производит непрерывную регулировку выходного напряжения по программе (циклически повторяя шаги VI и VII) до тех пор, пока не будет получен внешний сигнал о настройке, переходя в этом случае к шагу II алгоритма.

При введении в схему регулятора напряжения по крайней мере одного измерителя тока 19, расположенного на входе и/или выходе регулятора напряжения, кроме настройки регулятора напряжения по входному и выходному напряжению может производиться настройка по входному и/или выходному току, с учетом известных параметров нагрузки. Второй измеритель тока может быть полезен при применении параметрического регулирующего блока, когда часть тока при регулировании стекает на землю, и при диагностике регулирующего блока.

Для одно- или двустороннего обмена данными с внешними устройствами вычислительно-измерительный блок регулятора напряжения снабжают интерфейсом, и настройка производится также при получении сигнала о настройке по интерфейсу. Необходимость управления по внешнему интерфейсу может возникнуть при периодической поверке прибора, а также при осуществлении регулировки напряжения по внешним сигналам.

Приведенные ниже примеры, подтверждают, но не ограничивают применение заявляемого регулятора напряжения.

Пример 1. Регулятор напряжения постоянного тока.

Регулятор напряжения постоянного тока 5-10 В выполнен с реализацией вычислительно-измерительного блока, а также блоков настройки и памяти на одном кристалле Atmega8 фирмы Atmel, с использованием широтно-импульсной модуляции для регулировки (фиг.6). В качестве блока регулировки выступает однокристальный параметрический стабилизатор 78L05 фирмы STI. В чистом кристалле все ячейки памяти записаны значениями FF, что позволяет отличать настроенный регулятор от ненастроенного. При включении напряжения, в соответствии с алгоритмом фиг.5, происходит считывание данных из встроенного в микроконтроллер постоянного запоминающего устройства - шаг 1. Если считанные данные равны FF, то считанные по входам РС2 и РС3 (соответствуют входам 12 и 11 блок-схемы фиг.3) сравниваются с калибровочными, при том что выход РС5 выставляется равным нулю для получения на выходе известного напряжения 5.0 В. Поскольку данная схема линейна по входному и выходному напряжениям, данные в памяти представляют собой просто частные полученных и калибровочных значений. После калибровки регулятора напряжения он переходит в рабочий цикл, постоянно регулируя выходное напряжение в соответствии с программой изменением скважности выхода РС5, с учетом записанных в память данных. Данные хранятся в энергонезависимой памяти, так что после выключения и включения регулятор не требует повторной настройки. Цепи питания являются стандартными и не показаны на рисунке. Блоки памяти, настройки и вычислительно-измерительный блок сформированы из логических элементов микроконтроллера, включая встроенный аналого-цифровой преобразователь.

Пример 2. Стабилизатор переменного напряжения 220 Вольт с гальванической развязкой.

В качестве регулирующего блока выступает многообмоточный трансформатор Tr1, в качестве блока памяти - микросхема 24LC фирмы Microchip, в качестве блока настройки - микроконтроллер TINY26 фирмы Atmel, а в качестве вычислительно-измерительного блока - аналого-цифровой преобразователь МАХ 11645 фирмы Maxim и микроконтроллер ATMEGA8 фирмы Atmel, соединенные цифровой шиной I2C. Напряжения со входа и выхода подаются через резистор и через развязывающий трансформатор Тг2 соответственно. Регулятор подключаем к известному напряжению 220 В, Atmega8 считывает по шине I2C чип памяти 24LC и дает команду TINY26 на настройку, TINY26 производит запись в память данных, которые затем используются в работе микроконтроллером Atmega8.

Пример 3. Трехфазный регулятор/стабилизатор для плавного пуска асинхронных двигателей с последующей стабилизацией.

В качестве регулирующих блоков выступают симисторы ВТА16 фирмы International Rectifier, в качестве блока памяти - микросхема 24LC фирмы Microchip, в качестве блока настройки - микроконтроллер TINY26 фирмы Atmel, а в качестве вычислительно-измерительного блока - микроконтроллер ATMEGA8 фирмы Atmel, соединенные цифровой шиной I2C. Напряжения со входа и выхода подаются через резисторные делители на порты РС0 - РС6 микроконтроллера. Регулятор подключаем к известному напряжению 380 В, Atmega8 считывает по шине I2C чип памяти 24LC и дает команду TINY26 на настройку, TINY26 производит запись в память данных, которые затем используются в работе микроконтроллером Atmega8. Плавный пуск и регулировка/стабилизация питания трехфазного двигателя осуществляется вырезанием части питающего напряжения симисторами, симисторы запускаются через оптроны LED1/FD1 - LED3/FD3, контроль оптронов портами PD0-PD2, включенными на выход.

Как видно из приведенных примеров, предлагаемое изобретение решает задачу создания регулятора напряжения с увеличенной точностью и надежностью, с одновременным упрощением его конструкции и снижения стоимости, что достигается самонастройкой прибора и не требует применения прецизионных компонентов, а также исключает ручную настройку регулятора, для чего требуется точная аппаратура. Так, в примерах 1 и 3 даже при применении обычных компонентов с разбросом параметров +-5% (что является стандартом для массового производства) удается достичь точности регулирования 0,1%. А в примере 2 мы можем обеспечить точность 0,025%. Более того, предлагаемая конструкция приводит к увеличению надежности изделия в целом. Так, для решения задачи, поставленной в примерах 1 и 2, стандартным известным устройством нам пришлось бы применить два подстроечных резистора для регулировки, а в примере 3 - шесть подстроечных резисторов в блоке регулировки, а надежность подстроечных резисторов на порядки меньше из-за наличия движущихся частей и механического контакта, а также подверженности переменных резисторов изменению параметров из-за загрязнения и окисления.

Регулятор напряжения предназначен для использования в системах электроснабжения для регулировки, включая стабилизацию, однофазного и трехфазного напряжения источника электроэнергии переменного тока, а также для регулировки, включая стабилизацию, постоянного напряжения. Технический результат заключается в увеличении точности и надежности регулятора напряжения и упрощении конструкции. Он достигается тем, что регулятор напряжения содержит вычислительно-измерительный блок, и, по крайней мере один регулирующий блок, при этом он дополнительно содержит блок настройки и блок памяти, причем первый выход вычислительно-измерительного блока соединен со входом управления регулирующего блока, а силовой вход регулирующего блока соединен с соответствующим входом регулятора напряжения, силовой выход регулирующего блока соединен с выходом регулятора напряжения, вход и выход регулятора напряжения соединены также со входами измерения входного и выходного напряжения вычислительно-измерительного блока соответственно, второй из выходов вычислительно-измерительного блока соединен со входом блока настройки, а выход блока настройки соединен со входом блока памяти, причем выход блока памяти соединен с соответствующим входом вычислительно-измерительного блока. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Регулятор напряжения, содержащий вычислительно-измерительный блок и по крайней мере один регулирующий блок, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок настройки и блок памяти, причем первый выход вычислительно-измерительного блока соединен со входом управления регулирующего блока, а силовой вход регулирующего блока соединен с соответствующим входом регулятора напряжения, силовой выход регулирующего блока соединен с выходом регулятора напряжения, вход и выход регулятора напряжения соединены также со входами измерения входного и выходного напряжения вычислительно-измерительного блока соответственно, второй из выходов вычислительно-измерительного блока соединен со входом блока настройки, а выход блока настройки соединен со входом блока памяти, причем выход блока памяти соединен с соответствующим входом вычислительно-измерительного блока.

2. Регулятор напряжения по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен по крайней мере одним измерителем тока, расположенным на входе и/или выходе регулятора напряжения, причем каждый измеритель тока соединен также с соответствующим ему входом измерения тока вычислительно-измерительного блока.

3. Регулятор напряжения по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно снабжен цифровым и/или аналоговым интерфейсом, подключенным к вычислительно-измерительному блоку.