Стабилизатор напряжения переменного тока Российский патент 2017 года по МПК G05F1/445 

Изобретение относится к устройствам преобразования входной электрической энергии переменного тока в энергию переменного тока на выходе с возможностью регулирования выходного напряжения и может быть использовано в стабилизаторах сетевого напряжения.

Стабилизация напряжения переменного тока необходима для поддержания в рабочем состоянии потребителей электрической энергии при значительных отклонениях входного напряжения в любую сторону, а также для защиты потребителей энергии от аварийных перепадов входного напряжения, которые могут привести к выходу из строя электрические приборы.

Известные стабилизаторы переменного напряжения используют многообмоточные трансформаторы с тиристорной коммутацией обмоток, они изменяют действующее значение переменного напряжения за счет искажения формы синусоидального напряжения. Указанные устройства имеют большие массогабаритные показатели, малые пределы диапазона изменения входного напряжения, низкий коэффициент стабилизации, невысокое быстродействие и не обеспечивает рекуперацию энергии переменного тока при реактивном характере нагрузки [1], [2], [3], [4].

Для стабилизации переменного напряжения применяют автотрансформаторные устройства, управляемые двигателем [5]. Эти устройства обеспечивают рекуперацию энергии, однако имеют большие массогабаритные показатели и низкое быстродействие.

Известны бестрансформаторные электронные устройства повышения и понижения напряжения переменного тока на нагрузке, использующие высокочастотные прерыватели напряжения переменного тока, управляемые последовательностью широтно-модулированных импульсов. Устройства включают входной и выходной фильтры низкой частоты и два ключа.

Недостатком описанных устройств является невозможность одновременного понижения и повышения напряжения, а также отсутствие схемы управления ключами, без которой невозможно реализовать надежное и безопасное устройство, работающее в условиях высоких напряжений и токов. [6].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является регулятор переменного напряжения (RU №2325752, С1, МПК Н05М /293, опубликовано 2008.05.27) [7], принимаемый за прототип заявляемого изобретения.

Известное устройство содержит последовательный ключ, параллельный ключ, дроссель, входное реле, параллельное реле, выходное реле, входной фильтр низкой частоты, выходной фильтр низкой частоты и схему управления, подключенную к управляющим входам ключей и реле.

Входной фильтр низкой частоты подключен к источнику напряжения переменного тока, выход выходного фильтра низкой частоты подключен к нагрузке. Выходной контакт дросселя подключен к входам последовательного и параллельного ключей. Входное напряжение переменного тока с помощью последовательного и параллельного ключей преобразуется в последовательность широтно-модулированных биполярных импульсов, длительность которых определяет величину напряжения на нагрузке. При включении последовательного ключа в дросселе накапливается электромагнитная энергия, а при включении параллельного ключа осуществляется синхронный сброс энергии накопленной в дросселе в нагрузку. При этом ключи работают в противофазе. Схема управления обеспечивает противофазное переключение ключей с частотой на несколько порядков выше частоты входного напряжения переменного тока. Входной и выходной фильтры обеспечивают подавление высокочастотных составляющих модулированного напряжения в цепи источника входного напряжения и в нагрузке. Работа ключей в противофазе обеспечивает рекуперацию реактивной энергии при нелинейной нагрузке.

При уменьшении входного напряжения регулятор работает в режиме повышения напряжения, что обеспечивается (фиг. 1 прототипа) замыканием контактов 4,3 и 4,2 входного реле, контактов 5,3 и 5,1 параллельного реле, контактов 6,3 и 6,1 выходного реле. При этом на управляющие входы ключей подаются противофазные широтно-модулированные импульсы, причем время включения последовательного ключа больше времени включения параллельного ключа. При увеличении входного напряжения переменного тока регулятор работает в режиме понижения напряжения, что обеспечивается замыканием контактов 5,3 и 5.2 параллельного реле, контактов 6,3 и 6,2 выходного реле и контактов 4.3 и 4,1 входного реле. Описанное устройство имеет ряд недостатков.

Стабилизатор сетевого напряжения 220 В, рассчитанный, например, на мощность 1 кВт должен переключать режимы работы при мгновенных токах до 10 А, что приводит к необходимости использования сильноточных реле, которые обладают низким быстродействием и не позволяют отслеживать перепады входного напряжения в течение одного полупериода (10 мс) для сети с рабочей частотой 50 Гц, а также переключать режимы работы стабилизатора в момент нулевого напряжения.

Кроме того, напряжение в сети переменного тока постоянно смещается относительно номинала 220 В в ту или иную сторону, поэтому регулятор напряжения будет постоянно переключать реле, что приведет к быстрому износу механических контактов реле и снижению срока безотказной эксплуатации устройства.

В режиме понижения напряжения последовательный ключ разомкнут, параллельный замкнут, ток в нагрузку протекает через дроссель, омическое сопротивление которого составляет единицы Ом, что на порядок больше омического сопротивления открытого ключа, которое составляет десятые доли Ома, это приводит к увеличению энергетических потерь и понижает коэффициент полезного действия устройства.

Отсутствие защиты от аварийных скачков тока нагрузки и входного напряжения значительно понижает надежность известного устройства.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение надежности, быстродействия и коэффициента полезного действия устройства.

Указанный технический результат достигается тем, что стабилизатор напряжения переменного тока содержит последовательный ключ, параллельный ключ, входы которых подключены к выходному контакту дросселя, входной фильтр низкой частоты (ФНЧ), вход которого соединен с источником входного напряжения, выходной ФНЧ, вход которого подключен к выходу параллельного ключа, а выход подключен к нагрузке, выход нагрузки соединен с общим проводом, и схему управления, подключенную к управляющим входам ключей.

Согласно изобретению он содержит датчик тока, подключенный к выходу входного ФНЧ, первый выход датчика тока подключен к входному контакту дросселя и к входу второго параллельного ключа, выход которого подключен к входу выходного ФНЧ, а схема управления содержит источник питания, устройство защиты по току и напряжению и двухполупериодный детектор, подключенный к источнику входного напряжения, выход которого соединен с входом устройства выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом устройства сравнения, первый вход которого соединен с источником опорного напряжения, а второй - с выходом выпрямителя, подключенного к нагрузке, два формирователя пороговых уровней, объединенные входы которых соединены с выходом сумматора, два компаратора, первый вход первого компаратора соединен с выходом первого формирователя порогового уровня, первый вход второго компаратора соединен с выходом второго формирователя порогового уровня, вторые входы компараторов соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, выходы первого компаратора подключены к первому и второму входам блока управления параллельными и последовательным ключами, выход второго компаратора подключен к третьему входу блока управления параллельными и последовательным ключами, первый вход устройства защиты по току и напряжению соединен с выходом двухполупериодного детектора, а второй вход - со вторым выходом датчика тока, а выход подключен к четвертому входу блока управления параллельными и последовательным ключами.

Другое отличие состоит в том, что устройство сравнения содержит два компаратора, причем инвертирующий вход первого компаратора через первый делитель напряжения подключен к источнику опорного напряжения, неинвертирующий вход - к выходу выпрямителя, а выход - к управляющему входу первого ключа, неинвертирующий вход второго компаратора через второй делитель напряжения подключен к источнику опорного напряжения, инвертирующий вход подключен к выходу выпрямителя, а выход к управляющему входу второго ключа, два масштабных усилителя, инвертирующий вход первого усилителя подключен через третий делитель напряжения к источнику опорного напряжения, не инвертирующий вход подключен к выпрямителю, а выход - к входу первого ключа, инвертирующий вход второго усилителя подключен через четвертый делитель напряжения к источнику опорного напряжения, не инвертирующий вход подключен к выпрямителю, а выход - к входу второго ключа, выходы ключей подключены к второму входу сумматора.

Другое отличие состоит в том, что устройство защиты по току и напряжению содержит два компаратора, инвертирующий вход первого компаратора соединен со вторым выходом датчика тока, а не инвертирующий вход - с источником опорного напряжения, выход первого компаратора соединен с первым входом логического элемента «И», инвертирующий вход второго компаратора соединен с выходом двухполупериодного детектора, а не инвертирующий вход подключен к второму источнику опорного напряжения, выход второго компаратора соединен со вторым входом логического элемента «И», выход которого подключен к четвертому входу блока управления параллельными и последовательным ключами.

Увеличение надежности стабилизатора достигается применением высокоскоростной защиты по току и напряжению (время срабатывания 2 мкс), это необходимо, так как при коммутации сетевого напряжения ключи работают в условиях высоких напряжений и больших токов (сотни вольт и десятки ампер). Кроме того, в режиме повышения напряжения дроссель 4 подключается к сетевому напряжению через открытый ключ 5 в течение нескольких миллисекунд, в этот момент идет рост тока через дроссель, ток ограничен только индуктивным сопротивлением дросселя и выходным сопротивлением источника напряжения. В этом случае крайне важно не допустить токовой перегрузки, которая может привести к выходу из строя указанных элементов. Если мгновенное значение тока в начале полупериода превысит величину 10 А, защита запирает ключи до начала следующего полупериода и так происходит каждый полупериод пока броски тока не уменьшатся, в этом случае стабилизатор переходит в штатный режим работы. В случае продолжения перегрузок больше 2 с защита выключает стабилизатор. При бросках входного напряжения более 370 В (пиковое значение) срабатывает защита от перегрузки по напряжению и запирает все ключи на время действия полуволны входного напряжения (10 мс). Если величина пикового напряжения следующей полуволны будет менее 370 В, защита не срабатывает и стабилизатор работает в режиме понижения напряжения. В случае, если входное пиковое напряжение более 370 В сохраняется в течение 2 с, защита выключает стабилизатор.

Повышение быстродействия стабилизатора достигается использованием устройства выборки и хранения, которое позволяет фиксировать изменение входного напряжения стабилизатора в начале каждого полупериода и, соответственно, устанавливать режим работы стабилизатора в начале каждого полупериода, чтобы не пропустить кратковременных аварийных бросков сетевого напряжения.

Повышение коэффициента полезного действия достигается:

- во-первых, применением режима трансляции входного напряжения на нагрузку без высокочастотного преобразования, когда входное напряжение находится в пределах 220±2 В, тем самым уменьшаются потери энергии стабилизатора при высокочастотном преобразовании напряжения,

во-вторых, использование второго параллельного ключа позволяет подавать входное напряжение на выход, минуя дроссель, в режиме понижения напряжения. Это также уменьшает потери энергии, так как омическое сопротивление открытого ключа на порядок меньше омического сопротивления дросселя.

Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей.

Фиг. 1 – блок-схема заявляемого стабилизатора напряжения переменного тока.

Фиг. 2 - функциональная схема устройства сравнения.

Фиг. 3 - функциональная схема устройства защиты по току и напряжению.

Фиг. 4 - эпюры напряжения, поясняющие работу устройства выборки и хранения, где: (а) - входное напряжение, Uвх устройства выборки и хранения, (б) - стробирующее напряжение, (в) - выходное напряжение, Uвых устройства выборки и хранения.

Фиг. 5 - эпюры напряжений, поясняющие работу стабилизатора напряжения переменного тока в режиме трансляции напряжения, где: (а) - выходные напряжения генератора пилообразного напряжения и формирователей пороговых уровней, (б) - входные напряжения параллельных и последовательного ключей, (в) - временная зависимость выходного напряжения Uвых стабилизатора.

Фиг. 6 - эпюры напряжений, поясняющие работу стабилизатора напряжения переменного тока в режиме понижения напряжения, где: (а) - выходное напряжение генератора пилообразного напряжения и формирователей пороговых уровней, (б) - входное напряжение второго параллельного ключа, (в) - входное напряжение выходного фильтра низкой частоты, (г) - временная зависимость выходного, Uвых напряжения стабилизатора.

Фиг. 7 - эпюры напряжений, поясняющие работу стабилизатора напряжения переменного тока в режиме повышения напряжения, где: (а) - выходное напряжение генератора пилообразного напряжения и формирователей пороговых уровней, (б) - выходные напряжения последовательного и первого параллельных ключей, (в) - входное напряжение выходного ФНЧ, (г) - временная зависимость выходного, Uвых напряжения стабилизатора.

Стабилизатор напряжения переменного тока содержит (фиг. 1) ФНЧ 1, вход которого соединен с источником входного напряжения, а выход - с входом датчика тока 2, первый выход датчика тока соединен с входом параллельного ключа 3 и входным контактом дросселя 4, выходной контакт которого соединен с входами последовательного ключа 5 и параллельного ключа 6, выход ключа 5 соединен с общим проводом, выход ключа 6 соединен с выходом ключа 3 и со входом ФНЧ 7, выход которого соединен с входом нагрузки 8, выход которой подключен к общему проводу.

Схема управления содержит устройство выборки и хранения 9, вход которого подключен к выходу двухполупериодного детектора 10, вход которого соединен с источником входного напряжения, блок питания 11, подключенный к источнику входного напряжения, сумматор 12, первый вход которого соединен с выходом устройства выборки и хранения 9, второй вход сумматора 12 соединен с выходом устройства сравнения 13, а выход - с входами формирователей порогового уровня 14 и 15, первый вход устройства сравнения 13 соединен с выходом выпрямителя 16, а второй вход - с источником опорного напряжения 17, выход формирователя порогового уровня 14 соединен с первым входом компаратора 18, выход формирователя порогового уровня 15 соединен с первым входом компаратора 19, вторые входы компараторов 18 и 19 соединены с выходом генератора пилообразного напряжения 20, первый выход компаратора 19 соединен с первым входом блока управления ключами 21, второй выход компаратора 19 соединен с вторым входом блока управления ключами 21, выход компаратора 18 соединен с третьим входом блока управления ключами 21, устройство защиты 22, первый вход которого подключен к выходу детектора 10, а второй вход - со вторым выходом датчика тока, выход устройства защиты соединен с четвертым входом блока управления ключами 21, первый выход которого соединен с управляющим входом последовательного ключа 5, второй выход соединен с управляющим входом первого параллельного ключа 6, а третий выход соединен с управляющим входом второго параллельного ключа 3.

Устройство сравнения (фиг. 2) содержит ключи 23, 24, управляющие входы которых подключены к выходам компараторов 25, 26, а объединенные выходы - со вторым входом сумматора 12 (фиг. 1), инвертирующий вход компаратора 25 и не инвертирующий вход компаратора 26 через делители напряжения 27 и 28 подключены к источнику опорного напряжения 17 (фиг. 1), не инвертирующий вход компаратора 25 и инвертирующий вход компаратора 26 - к выпрямителю 16. Устройство сравнения также содержит два масштабных усилителя 29, 30, инвертирующие входы обоих усилителей через делители напряжения 31, 32, соединены с источником опорного напряжения 17, а не инвертирующие входы - с выпрямителем 16. Выход усилителя 29 подключен к входу ключа 23, а выход усилителя 30 - к входу ключа 24.

Устройство защиты по току и напряжению (фиг. 3) содержит два источника опорного напряжения 33, 34, входы которых подключены к блоку питания 11, а выходы - к не инвертирующим входам компараторов 35, 36, инвертирующий вход компаратора 35 соединен со вторым выходом датчика тока 2 (фиг. 1), а инвертирующий вход компаратора 36 соединен с выходом двухполупериодного детектора 10, выходы обоих компараторов подключены ко входам логического элемента «И» 37, выход которого соединен с четвертым входом блока управления ключами 21.

Стабилизатор напряжения переменного тока работает следующим образом. В момент включения стабилизатора ключи 3, 5, 6 находятся в закрытом состоянии в течение нескольких периодов входного напряжения пока схема управления не сформирует необходимую комбинацию сигналов на выходах блока управления ключами 21. Входное напряжение подается на входы источника питания 11 и двухполупериодного детектора 10, к выходу которого подключено устройство выборки и хранения 9. Работа устройства выборки и хранения синхронизована с частотой входного напряжения, импульсы синхронизации вырабатываются с задержкой t1-t0 после момента времени t0, момента прохождения входного напряжения через нуль, величина задержки 1 мсек (фиг. 4).

В момент времени t1 устройство выборки и хранения 9 запоминает входные напряжения на уровнях U1, U2, U3, хранит в течение полупериода и каждые полупериоды обновляет напряжение на выходе. Выходное напряжение, выделяемое на нагрузке 8, через выпрямитель 16 подается на первый вход устройства сравнения 13 (фиг. 3), на второй вход которого подается опорное напряжение с выхода источника опорного напряжения 17.

Выходные напряжения сравнивающего устройства 13 и устройства выборки и хранения 9 подаются на входы сумматора 12, выходное напряжение которого поступает на входы формирователей пороговых уровней 14 и 15, выходы которых подключены к первым входам компараторов 18 и 19, на вторые входы компараторов подается пилообразное напряжение высокой частоты с выхода генератора 20.

Выходное напряжение сумматора 12 определяет значение пороговых уровней Uпор1 и Uпор2 на выходе формирователей 14, 15 (фиг. 5а), которые отслеживают как входное, так и выходное напряжение, при изменении этих напряжений они изменяются синхронно, однонаправлено и установлены таким образом, что при напряжении Uвх=220±2 В на входе стабилизатора, абсолютная величина их меньше пикового значения амплитуды пилообразного напряжения, в этом случае компараторы 18, 19 не переключаются и на их выходах устанавливается постоянное напряжение.

Установленная комбинация напряжений на выходах компараторов 18, 19 поступает на входы блока управления ключами 21, при этом на выходах блока 21 появляются напряжения, определяющие состояния ключей 3, 5, 6. На управляющие входы ключей 5 и 6 подается запирающее напряжение, а на управляющий вход ключа 3 отпирающее (фиг. 5б). Таким образом стабилизатор работает в режиме трансляции входного напряжения на нагрузку 8 без высокочастотного преобразования (фиг. 5в).

При увеличении входного напряжения Uвх более 222 В оба пороговых уровня поднимаются и нижний пороговый уровень Uпор2 становится меньше пиковой амплитуды пилообразного напряжения (происходит "касание" уровней) (фиг. 6а), при этом на выходе компаратора 18 появляется последовательность широтно-модулированных импульсов, поступающих на третий вход блока управления ключами 21, напряжения на выходах компаратора 19 остаются постоянными. При такой комбинации входных напряжений на первом и втором входах блока управления ключами 21 на его третьем выходе устанавливается последовательность широтно-модулированных импульсов (фиг. 6б), а на первом и втором выходах - запирающее напряжение (не показано).

Как следует из эпюры напряжения на входе ФНЧ 7 (фиг. 6в) стабилизатор работает как импульсный делитель входного напряжения. ФНЧ 7 (фиг. 6г). преобразует широтно-модулированную импульсную последовательность в выходное напряжение с малыми пульсациями, величина которых рассчитывается по методике описанной в статье [6]. При этом длительность временного интервала t2-t0 равна периоду высокочастотного пилообразного напряжения Т, t1-t0, = τ - время закрытого состояния параллельного ключа 3, t2-t1 - время открытого состояния ключа 3. Таким образом, напряжение на нагрузке 8 определяется соотношением временных интервалов t1-t0/t2-t0, или τ/T=γ<1, где γ - скважность импульсной последовательности. Тогда среднее значение напряжения на нагрузке 8 будет определяться выражением Uвых=γUвх. При уменьшении входного напряжения Uвх менее 218 В оба пороговых уровня снижаются, верхний пороговый уровень Uпор1 "касается" пилообразного напряжения (фиг. 7а), при этом на первом и втором выходах компаратора 19 появляется последовательность противофазных широтно-модулированных импульсов, которые подаются на первый и второй входы блока управления ключами 21, на выходе компаратора 18 напряжение остается постоянным. При такой комбинации напряжений на входе блока управления ключами 21, на его первом и втором выходах появляются последовательности противофазных широтно-модулированных импульсов (фиг. 7б), а на третьем выходе - запирающее напряжение. Таким образом стабилизатор переходит в режим повышения напряжения.

Эффект повышения напряжения с помощью дросселя 4, можно пояснить следующим образом. При открывании последовательного ключа 5 в момент времени t0 и при закрытых параллельных ключах 3, 6 ток в дросселе 4 нарастает и в нем происходит накопление электромагнитной энергии. В момент времени t1 ключ 5 закрывается и открывается ключ 6, а ключ 3 остается закрытым. В этот момент на зажимах дросселя 4 возникает напряжение самоиндукции Еинд, сам дроссель оказывается включенным последовательно с источником входного напряжения, которое в этот момент суммируется с входным напряжением. Таким образом на входе ФНЧ 7 возникает напряжение Uвх+Eинд (фиг. 7в). Еинд пропорциональна индуктивности дросселя 4, мгновенному значению тока через дроссель 4 в момент времени t1 и, следовательно, интервалу времени t1-t0, равному времени накопления дросселем электромагнитной энергии.

В течение интервала времени t1-t2 происходит сброс электромагнитной энергии через ФНЧ 7 в нагрузку 8. В момент времени t2 ключ 6 закрывается, а ключ 5 открывается и цикл преобразования повторяется. Таким образом, напряжение, выделяемое на нагрузке 8, зависит не только от энергии, накопленной дросселем 4 за время t1-t0, но также от времени сброса t2-t1 этой энергии в нагрузку 8, то есть от скважности импульсной последовательности высокочастотного напряжения и от сопротивления нагрузки. Среднее значение выходного напряжения (фиг. 7г) определяется выражением Uвых=Uвх/1-γ, где γ=τ/Т, T=t2-t0, период импульсной последовательности, τ=t1-t0 время открытого состояния последовательного ключа 5. С увеличением сопротивления нагрузки выходное напряжение повышается, при выходном Uвых более 222 В стабилизатор работает в режиме понижения напряжения и поддерживает выходное напряжение на уровне 222 В. С уменьшением сопротивления нагрузки выходное напряжение понижается, при Uвых менее 218 В стабилизатор работает в режиме повышения напряжения и поддерживает Uвых на уровне 218 В.

Устройство сравнения (фиг. 2) работает следующим образом. Делителем напряжения 27 на инвертирующем входе компаратора 25 устанавливается пороговое напряжение, соответствующее выходному напряжению 222 В, если выходное напряжение менее 222 В, компаратор 25 размыкает ключ 23 и отключает выход усилителя 29 от второго входа сумматора 12 (фиг. 1). На делителе 28, подключенном к не инвертирующему входу компаратора 26, устанавливается пороговое напряжение, соответствующее выходному напряжению 218 В, при выходном напряжении более 218 В, компаратор 26 размыкает ключ 24 и отключает выход усилителя 30 от второго входа сумматора 12 (фиг 1).

Следовательно, при выходном напряжении стабилизатора 220±2 В напряжение на выходе устройства сравнения 13 равно нулю и не оказывает влияния на работу стабилизатора. При выходном напряжении, более или равном 222 В, компаратор 25 замыкает ключ 23 и подключает выход усилителя 29 ко второму входу сумматора 12. При выходном напряжении меньшем или равном 218 В компаратор 26 замыкает ключ 24 и подключает выход усилителя 30 ко второму входу сумматора 12. При этом в обоих случаях попеременно замыкается контур автоматического регулирования выходного напряжения стабилизатора по цепи: нагрузка 8, выпрямитель 16, устройство сравнения 13, сумматор 12, формирователи пороговых уровней 14, 15, компараторы 18, 19, блок управления ключами 21, ключи 5, 6 (фиг. 1). При выходном напряжении, более или равном 222 В, контур автоматического регулирования поддерживает выходное напряжение стабилизатора на уровне 222 В, а при выходном напряжении, меньшем или равном 218 В, на уровне 218 В. С помощью делителя 31, подключенного к инвертирующему входу усилителя 29, устанавливается нулевое напряжение на его выходе при выходном напряжении стабилизатора 222 В. С помощью делителя 32, подключенного к инвертирующему входу усилителя 30, устанавливается нулевое напряжение на его выходе при выходном напряжении стабилизатора 218 В.

Устройство защиты по току и напряжению работает следующим образом. На не инвертирующие входы компараторов 35, 36 подаются опорные напряжения от источников 33 и 34, входы которых подключены к блоку питания 11, на инвертирующий вход компаратора 35 подается напряжение со второго выхода датчика тока, а на инвертирующий вход компаратора 36 - с выхода детектора 10. Опорные напряжения источников 33 и 34 подбираются таким образом, чтобы при входных токах менее 10 А и напряжениях менее 370 В (пиковое значение) на выходах компараторов 35 и 36 устанавливались логические единицы, в этом случае на выходе логического элемента «И» также будет логическая единица, которая разрешает работу блока управления ключами 21. При превышении указанного значения по току на выходе компаратора 35, установится логический нуль, который обнулит выходное напряжение элемента «И», запрещающее работу блока управления ключами 21, при этом ключи 3, 5, 6 переходят в закрытое состояние. То же самое произойдет, если на инвертирующем входе компаратора 36 появится напряжение больше предельно допустимого.

Увеличение надежности стабилизатора достигается применением высокоскоростной защиты по току и напряжению (время срабатывания 2 мкс), это необходимо, так как при коммутации сетевого напряжения ключи работают в условиях высоких напряжений и больших токов (сотни вольт и десятки ампер). Кроме того, в режиме повышения напряжения дроссель 4 подключается к сетевому напряжению через открытый ключ 5 в течение нескольких миллисекунд (временной интервал t1-t0), в этот момент идет рост тока через дроссель, ток ограничен только индуктивным сопротивлением дросселя и выходным сопротивлением источника напряжения. В этом случае крайне важно не допустить токовой перегрузки, которая может привести к выходу из строя указанных элементов. Если мгновенное значение тока в начале полупериода превысит величину 10 А, защита запирает ключи до начала следующего полупериода и так происходит каждый полупериод пока броски тока не уменьшатся, в этом случае стабилизатор переходит в штатный режим работы. В случае продолжения перегрузок больше 2 с защита выключает стабилизатор. При бросках входного напряжения более 370 В (пиковое значение) срабатывает защита от перегрузки по напряжению и запирает все ключи на время действия полуволны входного напряжения (10 мс). Если величина пикового напряжения следующей полуволны будет менее 370 В, защита не срабатывает и стабилизатор работает в режиме понижения напряжения. В случае, если входное пиковое напряжение более 370 В сохраняется в течение 2 с, защита выключает стабилизатор.

Повышение быстродействия стабилизатора достигается использованием устройства выборки и хранения, которое позволяет фиксировать изменение входного напряжения стабилизатора в начале каждого полупериода и, соответственно, устанавливать режим работы стабилизатора в начале каждого полупериода (10 мс) по описанному выше алгоритму. Это необходимо, чтобы не пропустить кратковременных аварийных бросков сетевого напряжения.

Повышение коэффициента полезного действия достигается, во-первых, применением режима трансляции входного напряжения на нагрузку без высокочастотного преобразования, когда входное напряжение находится в пределах 220±2 В, тем самым уменьшаются потери энергии стабилизатора при высокочастотном преобразовании напряжения, во-вторых, использование второго параллельного ключа 3 позволяет подавать входное напряжение на выход, минуя дроссель, в режиме понижения напряжения. Это также уменьшает потери энергии, так как омическое сопротивление открытого ключа на порядок меньше омического сопротивления дросселя.

Разработан действующий макет заявляемого стабилизатора напряжения переменного тока. Получены следующие технические характеристики:

Uвх=110-260 В

Uвых=220±2 В

Р=500 Вт

кпд=98%

Быстродействие - 10 мс

Указанная совокупность технических характеристик не достигалась известными конструкциями электромеханических стабилизаторов напряжения переменного тока и стабилизаторов переменного тока с импульсным преобразованием напряжения.

Источники информации

1. RU №2282886 С1, МПК G05F 1/20, опубликовано 2006.08.27.

2. RU №2314628 С1, МПК Н02М 5/22, опубликовано 2008.01.10.

3. RU №2306660 С1, МПК H02M 5/22, опубликовано 2007.09.20.

4. RU №2274890 С, МПК G05F 1/30, опубликовано 2006.04.20

5. Стабилизатор напряжения Voltron PCH-1000h, магазин электрооборудования Ампер-вольт. www.stabilsassin.ru/page=electromechanstabilis.

6. А. Коршунов. Импульсные преобразователи напряжения переменного тока, журнал Силовая электроника, №1, 2006 г., стр. 54-61.

7. RU №2325752 С1, МПК H02M 5/293, опубликовано 2008.05.27 - прототип.

Изобретение относится к устройствам преобразования входной электрической энергии переменного тока в энергию переменного тока на выходе с возможностью регулирования выходного напряжения и может быть использовано в стабилизаторах сетевого напряжения. Технический результ - повышение надежности, быстродействия и коэффициента полезного действия устройства. Устройство содержит последовательный ключ, параллельный ключ, входы которых подключены к выходному контакту дросселя, входной фильтр низкой частоты (ФНЧ), вход которого соединен с источником входного напряжения, выходной ФНЧ, вход которого подключен к выходу параллельного ключа, а выход подключен к нагрузке, выход нагрузки соединен с общим проводом, и схему управления, подключенную к управляющим входам ключей, датчик тока, подключенный к выходу входного ФНЧ, первый выход датчика тока подключен к входному контакту дросселя и к входу второго параллельного ключа, выход которого подключен к входу выходного ФНЧ, а схема управления содержит источник питания, устройство защиты по току и напряжению и двухполупериодный детектор, подключенный к источнику входного напряжения, выход которого соединен с входом устройства выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу сумматора, второй вход которого соединен с выходом устройства сравнения, первый вход которого соединен с источником опорного напряжения, а второй - с выходом выпрямителя, подключенного к нагрузке, два формирователя пороговых уровней, объединенные входы которых соединены с выходом сумматора, два компаратора, первый вход первого компаратора соединен с выходом первого формирователя порогового уровня, первый вход второго компаратора соединен с выходом второго формирователя порогового уровня, вторые входы компараторов соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, выходы первого компаратора подключены к первому и второму входам блока управления параллельными и последовательным ключами, выход второго компаратора подключен к третьему входу блока управления параллельными и последовательным ключами, первый вход устройства защиты по току и напряжению соединен с выходом двухполупериодного детектора, а второй вход - со вторым выходом датчика тока, а выход подключен к четвертому входу блока управления параллельными и последовательным ключами. Для предотвращения кратковременных бросков устройство выборки и хранения обеспечивает фиксацию изменения входного напряжения в начале каждого полупериода. Защита по току и напряжению обеспечивается измерением тока и напряжения в начале каждого полупериода. Повышение кпд достигается режимом трансляции входного напряжения на нагрузку без высокочастотного преобразования. 2 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий входной фильтр низкой частоты (ФНЧ), выходной ФНЧ, подключенный к нагрузке, последовательный и параллельный ключи, дроссель, выходной контакт которого соединен с входами ключей, схему управления, отличающийся тем, что он содержит датчик тока, подключенный к выходу входного ФНЧ, первый выход датчика тока подключен к входному контакту дросселя и к входу второго параллельного ключа, выход которого подключен к выходу первого параллельного ключа и ко входу выходного ФНЧ, а схема управления содержит блок питания, вход которого подключен к источнику напряжения, двухполупериодный детектор, вход которого подключен к источнику напряжения, а выход соединен с входом устройства выборки и хранения, выход которого подключен к первому входу суммирующего устройства, второй вход суммирующего устройства соединен с выходом устройства сравнения, первый вход которого соединен с выходом выпрямителя, а второй - с источником опорного напряжения, вход которого подключен к блоку питания, два формирователя пороговых уровней, входы которых соединены с выходом суммирующего устройства, два компаратора, первый вход первого компаратора соединен с выходом первого формирователя порогового уровня, первый вход второго компаратора соединен с выходом второго формирователя порогового уровня, вторые входы компараторов соединены с выходом генератора пилообразного напряжения, первый выход первого компаратора соединен с первым входом блока управления ключами, второй выход первого компаратора соединен с вторым входом блока управления ключами, выход второго компаратора соединен с третьим входом блока управления ключами, устройство защиты первым входом соединено с выходом двухполупериодного детектора, а вторым входом - со вторым выходом датчика тока, выход устройства защиты соединен с четвертым входом блока управления ключами, первый выход блока управления ключами соединен с управляющим входом последовательного ключа, второй выход соединен с управляющим входом первого параллельного ключа, третий выход соединен с управляющим входом второго параллельного ключа.

2. Стабилизатор переменного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что устройство сравнения содержит два компаратора, инвертирующий вход первого компаратора через первый делитель напряжения подключен к источнику опорного напряжения, не инвертирующий вход - к выходу выпрямителя, а выход к управляющему входу первого ключа, не инвертирующий вход второго компаратора через второй делитель напряжения подключен к источнику опорного напряжения, инвертирующий вход подключен к выходу выпрямителя, а выход - к управляющему входу второго ключа, два масштабных усилителя, инвертирующий вход первого усилителя подключен через третий делитель напряжения к источнику опорного напряжения, не инвертирующий вход подключен к выпрямителю, а выход к входу первого ключа, инвертирующий вход второго усилителя подключен через четвертый делитель напряжения к источнику опорного напряжения, не инвертирующий вход подключен к выпрямителю, а выход - к входу второго ключа, выходы ключей подключены ко второму входу сумматора.

3. Стабилизатор переменного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что устройство защиты по току и напряжению содержит два компаратора, инвертирующий вход первого компаратора соединен со вторым выходом датчика тока, не инвертирующий вход с источником опорного напряжения, выход первого компаратора соединен с первым входом логического элемента «И», инвертирующий вход второго компаратора соединен с выходом двухполупериодного детектора, а не инвертирующий вход подключен ко второму источнику опорного напряжения, выход второго компаратора соединен со вторым входом логического элемента «И», выход которого подключен к четвертому входу блока управления параллельными и последовательным ключами.