СТАБИЛИЗАТОР ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ Российский патент 2018 года по МПК G05F1/24 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для электропитания электротехнической аппаратуры, систем связи, автоматики и телемеханики, осветительных сетей.

Известны стабилизаторы переменного напряжения с нелинейными элементами на основе параллельного или последовательного резонансного контура, содержащего насыщенный дроссель и конденсатор, известны также тиристорные стабилизаторы напряжения, содержащие ключи, схему сравнения и управления [1].

Однако выходное напряжение таких стабилизаторов имеет искаженную форму, содержит высшие гармоники. Кроме того, такие стабилизаторы имеют низкие массогабаритные характеристики.

Известны также стабилизаторы со ступенчатой формой выходного напряжения, содержащие сетевой трансформатор, коммутирующие устройства, схему сравнения и управления [2]. В них основная часть мощности передается в нагрузку как нерегулируемая, а оставшаяся часть подвергается регулировке с помощью тиристоров. Недостатком таких стабилизаторов является искажённая форма выходного напряжения за счет фазового регулирования в течение каждого полупериода сетевого напряжения.

Известен также стабилизатор переменного напряжения, содержащий силовые трансформаторы, включенные вторичными обмотками в одну из силовых шин, первичными, через коммутирующие элементы, ко входному напряжению, устройство сравнения и управления, мостовые устройства [3]. Основные недостатки такого устройства: наличие нескольких трансформаторов, сложность управления ими, значительные массогабаритные характеристики.

В качестве ближайшего аналога выбран стабилизатор[4] переменного напряжения, содержащий трансформатор с коэффициентом трансформации К, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, выполненный в виде пары нормально разомкнутых и пары нормально замкнутых контактов, подключена к выводам для подключения входного напряжения, а вторичная обмотка включена в цепь нагрузки, ограничительный резистор, включенный между нулевым проводом и нормально замкнутыми контактами, устройство сравнения и управления, причём первичная обмотка трансформатора замкнута накоротко через нормально замкнутые контакты, параллельно ограничительному резистору включен нормально замкнутый контакт третьего промежуточного реле, параллельно первичной обмотке упомянутого трансформатора включен конденсатор, устройство сравнения и управления выполнено в виде двух одинаковых схем контроля и управления, контролирующих увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, вход которого подключен к выходу вспомогательного источника, подключенного к фазному и нулевому проводу, выходы упомянутых схем контроля и управления подключены к первому и второму коммутирующим реле, управляющим упомянутыми выше нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами коммутирующего блока, к фазному и нулевому проводу подключено первое промежуточное реле, в цепи которого находятся последовательно соединенные нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакты первого и второго коммутирующего реле, второе промежуточное реле, в цепи которого находятся последовательно соединенные нормально замкнутый и нормально разомкнутый контакт второго и первого коммутирующего реле, третье промежуточное реле, в цепи которого находится нормально замкнутый контакт второго промежуточного реле и параллельно включенный ему контакт первого промежуточного реле.

В ближайшем аналоге предложены варианты стабилизации переменного напряжения, ограничивающие его величину при повышении напряжения, т. е. "сверху" и при понижении напряжения, т.е. "снизу". Ближайший аналог обладает рядом преимуществ по сравнению с известными стабилизаторами переменного напряжения за счёт того, что работает на любой род нагрузки без искажения формы кривой напряжения, так как коммутация происходит без прерывания тока и при токах в К раз меньше тока нагрузки. Однако такой стабилизатор не обеспечивает полностью погашенных переходных процессов, вызванных коммутациями первичной обмотки. Недостатками ближайшего аналога также являются отсутствие защиты от искрогашения контактов коммутирующего блока и восприимчивость к высокочастотным высоковольтным перенапряжениям в питающей сети, вызванных коммутациями подключенных параллельно мощных потребителей сетевого напряжения или грозовыми явлениями, что в совокупности обуславливает возможность аварии в устройстве или срабатывание защитных автоматов, что в обоих случаях снижает надёжность стабилизатора переменного напряжения и приводит к обесточиванию нагрузки.

Изобретение направлено на решение задачи повышения надежности работы стабилизатора переменного напряжения и обеспечения заданного напряжения на нагрузке.

Сущность изобретения заключается в том, что в стабилизаторе переменного напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, включающий в себя нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты, соединена со входными клеммами фазного и нулевого провода соответственно, а вторичная обмотка включена последовательно с нагрузкой, ограничительный резистор с параллельно подключенными нормально замкнутыми контактами, включенный между нормально разомкнутыми контактами коммутирующего блока и нулевым проводом, конденсатор, подключенный параллельно первичной обмотке трансформатора, и устройство сравнения и управления, включающее в себя коммутирующие и промежуточные реле, вспомогательный источник питания и схему контроля и управления, контролирующую увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, предлагается между фазным и нулевым проводами включить устройство защиты от сетевых перенапряжений, параллельно контактам коммутирующего блока включить RC-цепи, а схему контроля и управления выполнить с возможностью формирования задержек переключения реле на время погашения переходных процессов, вызванных коммутациями первичной обмотки.

Сущность изобретения заключается также в том, что входы схемы контроля и управления подключены к выходу вспомогательного источника питания, входы которого подключены к фазному и нулевому проводам, три парных выхода упомянутой схемы контроля и управления подключены одними выводами ко вторым концам обмоток первого и второго коммутирующих реле, управляющих упомянутыми выше нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами коммутирующего блока, и ко второму концу третьего коммутирующего реле, управляющего нормально замкнутыми контактами, подключенными параллельно ограничительному резистору, а вторыми выводами упомянутые парные выходы схемы контроля и управления подключены к нулевому проводу, при этом схема контроля и управления содержит стабилизатор тока и делитель напряжения, входы которых подключены к выходу упомянутого вспомогательного источника питания, выход делителя напряжения подключен к прямому и инверсному входам соответственно первого и второго компараторов, остальные входы которых подключены к первому и второму выходам формирователя пороговых напряжений, выходы компараторов подключены ко входам первого элемента «2-ИЛИ» и к информационным входам соответственно первого и второго D-триггеров, выход первого элемента «2-ИЛИ» подключен ко входам первого формирователя задержки, элемента «2-ИСКЛ.-ИЛИ», первого элемента «2-И» и элемента «НЕ», выход первого формирователя задержки соединен со вторым входом элемента «ИСКЛ.-ИЛИ», выход которого соединен со входом первого элемента «2-И» и входом второго элемента «2-И», второй вход которого подключен к выходу элемента «НЕ», выход первого элемента «2-И» подключен к входу второго формирователя задержки и к одному из входов элемента «4-ИЛИ», выход второго формирователя задержки соединен со вторым входом элемента «4-ИЛИ» и с входом второго элемента «2-ИЛИ», выход второго элемента «2-И» подключен к третьему входу элемента «4-ИЛИ», к входу третьего формирователя задержки, выход третьего формирователя задержки подключен к четвертому входу элемента «4-ИЛИ» и к второму входу второго элемента «2-ИЛИ», выход которого подключен к тактирующим входам первого и второго D-триггеров, выходы которых, а также выход элемента «4-ИЛИ» подключены соответственно к управляющим входам первого, второго и третьего каналов управления первым, вторым и третьим коммутирующими реле соответственно, причём каждый из вышеупомянутых каналов управления включает в себя делитель напряжения, вход которого является управляющим входом, а выход подключен к базе транзисторного ключа, который эмиттером подключен к нулевой шине вспомогательного источника питания схемы, а коллектором к одному концу обмотки соответствующего промежуточного реле, второй конец которой подключен к выходу стабилизатора тока, контакты же промежуточного реле подключены к соответствующим парным выходам схемы контроля и управления, связанным с соответствующим коммутирующим реле.

Сущность изобретения поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 приведена схема стабилизатора переменного напряжения, на фиг. 2 - схема контроля и управления, на фиг. 3 - временные диаграммы, поясняющие работу стабилизатора.

Стабилизатор переменного напряжения, приведённый на фиг.1, содержит трансформатор 1, конденсатор 2, коммутирующий блок, включающий в себя нормально разомкнутые контакты 3, 5 и нормально замкнутые контакты 4, 6, ограничительный резистор 7, нормально замкнутый контакт 8, устройство 9 защиты от сетевых перенапряжений, четыре искрогасящих RC-цепочки с резистором 10 и конденсатором 11, устройство сравнения и управления, обозначенное на фиг. 1 пунктирной линией и содержащее вспомогательный источник 12 питания, три коммутирующих реле 13,14,15 и схему 16 контроля и управления. При этом между фазным и нулевым проводом подключено устройство 9 защиты от сетевых перенапряжений. Вторичная обмотка трансформатора 1 подключена одним концом к фазному проводу, а вторым концом - к выходу стабилизатора. Коммутирующий блок представляет собой однофазный мост, состоящий из двух плеч, каждое из которых состоит из двух последовательно включенных нормально разомкнутого и нормально замкнутого контактов 3, 4 и 5, 6 соответственно. К средним точкам плеч коммутирующего блока подключена первичная обмотка трансформатора 1, параллельно которой подключен конденсатор 2, остальные выводы нормально разомкнутых контактов 3 и 5 подключены соответственно к первому (с точкой) и ко второму концу вторичной обмотки трансформатора 1. Остальные выводы нормально замкнутых контактов 4 и 6 соединены между собой и подключены к одному из выводов ограничительного резистора 7, второй вывод которого подключен к нулевому проводу. Параллельно ограничительному резистору 7 подключен нормально разомкнутый контакт 8, параллельно контактам 3÷6 коммутирующего блока подключены последовательные RC-цепи, состоящие из резистора 10 и конденсатора 11, выполняющие функцию искрогашения. Входы схемы 16 контроля и управления подключены к выходу вспомогательного источника питания 12, вход которого подключен к фазному и нулевому проводам. Три пары выходов схемы 16 контроля и управления подключены соответственно к нулевому проводу и ко вторым концам обмоток первого, второго и третьего коммутирующих реле 13, 14, 15, первые концы обмоток которых подключены к фазному проводу.

На фиг. 2 представлена схема 16 контроля и управления, содержащая стабилизатор 17 постоянного тока, делитель 18 напряжения, первый и второй компараторы 19,20, формирователь 21 порогов, первый элемент «2-ИЛИ» 22, первый формирователь 23 задержки, элемент «ИСКЛ. ИЛИ» 24, первый элемент «2-И» 25, второй формирователь 26 задержки, первый элемент «НЕ» 27, второй элемент «2-И» 28, третий формирователь 29 задержки, элемент «4-ИЛИ» 30, второй элемент «2-ИЛИ» 31, первый и второй D-триггеры 32,33, первый, второй и третий каналы 34,35,36 управления коммутирующими реле 13,14,15 соответственно. Каждый из каналов 34,35,36 управления содержит, соответственно указанному в скобках, делители напряжения на двух последовательно соединенных резисторах 37(42, 47) и 38 (43, 48), транзисторные ключи 39(44, 49), промежуточные реле с обмотками 40(45, 50) и с нормально разомкнутыми контактами 41 (46, 51). Стабилизатор 17, формирующий напряжение питания схемы 16, и делитель 18 напряжения подключены к выходу вспомогательного источника 12 питания, выход делителя 18 напряжения подключен к прямому и инверсному входам первого и второго компараторов 19,20 соответственно, остальные входы которых подключены к первому и второму выходам формирователя 21 пороговых напряжений. Выходы компараторов 19,20 поступают на входы первого элемента «2-ИЛИ» 22 и информационные входы соответственно первого и второго D-триггеров 32,33. Выход первого элемента «2-ИЛИ» 22 подключен к входам первого формирователя 23 задержки, элемента «ИСКЛ. ИЛИ»24, первого элемента «2-И» 25 и элемента «НЕ» 27. Выход первого формирователя 23 задержки соединен со вторым входом элемента «ИСКЛ.ИЛИ» 24, выход которого соединен с входом первого элемента «2-И» 25 и входом второго элемента «2-И» 28, второй вход которого подключен к выходу элемента «НЕ» 27. Выход первого элемента «2-И» 25 подключен к входу второго формирователя 26 задержки и к одному из входов элемента «4-ИЛИ» 30. Выход второго формирователя 26 задержки соединен со вторым входом элемента «4-ИЛИ» 30 и с входом второго элемента «2-ИЛИ» 31, выход второго элемента «2-И» 28 подключен к третьему входу элемента «4-ИЛИ» 30, к входу третьего формирователя 29 задержки. Выход третьего формирователя 29 задержки подключен к четвертому входу элемента «4-ИЛИ» 30 и ко второму входу второго элемента «2-ИЛИ» 31, выход которого подключен к тактирующим входам первого и второго D-триггеров 32, 3, выходы которых, а также элемента «4-ИЛИ» 30 подключены соответственно к управляющим входам каналов 34,35,36 управления коммутирующими реле,

в каждом из которых вход делителя напряжения, выполненного на двух последовательно соединенных резисторах 37(42, 47) и 38 (43, 48) подключен к управляющему входу канала управления, а выход (средняя точка делителя) - к базе транзисторного ключа 39 (44, 49), который эмиттером подключен к нулевой шине источника питания схемы, а коллектором к одному концу обмотки реле 40 (45, 50), второй конец которой подключен к входу питания, который соединен с выходом стабилизатора 17 постоянного тока. Выводы нормально разомкнутого контакта 41(46, 51) подключены к соответствующим парным выходам схемы контроля и управления N-13, N-14, N-15.

Вспомогательный источник 12 питания может, например, содержать не показанные на фигурах, трансформатор, мостовой диодный выпрямитель и сглаживающий С-фильтр.

Стабилизатор 17 может, например, быть выполнен по классической схеме с гасящим резистором, стабилитроном и фильтровой емкостью (на фигурах не показано).

Делитель 18 напряжения и формирователь 21 пороговых напряжений могут быть выполнены на последовательно соединенных резисторах.

Формирователи 23, 26 и 29 задержки могут, например, быть выполнены на логическом элементе «2-И» с триггером Шмидта, с двумя интегрирующими RC-цепями на входе. RC-цепи имеют общий конденсатор, включенный между входом элемента «2-И» с триггером Шмидта и землей, и две параллельные цепи, содержащие последовательно включенные резистор и диод (на фигурах не показано). Диоды параллельных ценней друг по отношению к другу включены встречно-параллельно, одна общая точка параллельных цепей подключена к общему конденсатору, а вторая общая точка является входом формирователя задержки. Задержанный сигнал снимается с выхода элемента «2-И» с триггером Шмидта. Время задержки положительного и отрицательного фронтов определяется фиксированными порогами элемента «2-И» с триггером Шмидта, величиной емкости общего конденсатора и сопротивлением соответствующих резисторов. При единичном входном сигнале заряд емкости происходит по цепи с диодом, подключенным анодом к входу формирователя задержки. При нулевом входном сигнале разряд емкости происходит по цепи с резистором и диодом, подключенным катодом к входу формирователя задержки. Таким образом, такой формирователь задержки может задерживать как положительный, так и отрицательный фронт входного импульса. В частности, можно так подобрать параметры RC-цепей формирователей 23, 26, 29, чтобы обе задержки были одинаковы, т.е. так, чтобы импульс проходил без изменения своей длительности.

Заявляемое устройство может работать в трех режимах: транзит, повышение напряжения, понижение напряжения. Уровень сетевого напряжения определяется схемой 16 контроля и управления. При выходе сетевого напряжения из допустимых порогов в заданной последовательности начинают формироваться сигналы управления промежуточными реле 40, 45 и 50, которые в свою очередь включают соответственно коммутирующие реле 13, 14, 15, что приводит к коммутациям контактов 3÷6 в силовой схеме стабилизатора переменного напряжения. При этом реле 13 управляет контактами 3, 4, реле 14 управляет контактами 5, 6 и реле 15 управляет нормально замкнутым контактом 8.

В исходном состоянии, а также в случае, когда сетевое напряжение находится в заданном интервале, т.е. между верхним и нижним порогами, схема контроля и управления16 не формирует никаких сигналов. Соответственно, в этом случае первичная обмотка трансформатора 1 закорочена нормально замкнутыми контактами 4, 6 и к сетевому напряжению не подключена. При этом сетевое напряжение через вторичную обмотку практически без изменения подается в нагрузку. Т.к. первичная обмотка трансформатора 1 замкнута накоротко, то во вторичной обмотке напряжение не индуцируется. Она работает как дроссель с небольшой индуктивностью.

Стабилизация напряжения на нагрузке происходит следующим образом. Если напряжение сети становится больше верхнего порога, то замыкается контакт 3 и размыкается контакт 4. При этом первичная обмотка трансформатора 1 подключается к сети началом (обозначено точкой) к фазному проводу, концом к нулевому проводу. При этом напряжение на нагрузке становится равной напряжению сети минус напряжение, индуцированное во вторичную обмотку, т.к. оно находится в противофазе к сетевому напряжению. Когда напряжение сети возвращается в заданный нормальный диапазон, схема возвращается в исходное состояние: размыкается контакт 3, замыкается контакт 4, первичная обмотка отключается от сети.

Если напряжение сети становится меньше нижнего порога, то замыкается контакт 5 и размыкается контакт 6. При этом первичная обмотка трансформатора 1 подключается к сети концом к фазному проводу, а началом (обозначено точкой) к нулевому проводу. При этом напряжение на нагрузке становится равно напряжению сети плюс напряжение, индуцированное во вторичную обмотку, т.к. оно находится в фазе к сетевому напряжению. Когда напряжение сети возвращается в заданный нормальный диапазон, схема возвращается в исходное состояние: размыкается контакт 5, замыкается контакт 6, первичная обмотка отключается от сети.

Однако замыкание-размыкание контактов в плече коммутирующего блока происходит не мгновенно: в силу инерционности срабатывания и/или в силу возникновения при размыкании дуги. При этом возникают интервалы времени, когда оба контакта (и нормально замкнутый и нормально разомкнутый) замкнуты и проводят ток. Соответственно возникает контур глухого короткого замыкания сетевого напряжения. С целью исключения короткого замыкания при возникновении необходимости какой-либо коммутации в коммутирующем блоке, последовательно с плечом, в котором будут переключаться контакты, включают ограничительный резистор 7 путем размыкания контакта 8.

В соответствии с вышесказанным последовательность операций, задаваемая схемой контроля и управления, следующая. Когда напряжение сети становится больше верхнего порога, включается третье промежуточное реле 50, его контакт 51 замыкается и включает третье коммутирующее реле 15. При этом его нормально замкнутый контакт 8 размыкается и ограничительный резистор 7 становится включенным между нулевым проводом и общей точкой нормально замкнутых контактов 4 и 6. Через промежуток времени , который определяется первым формирователем задержки 23 и в течение которого завершаются переходные процессы в схеме, включается промежуточное реле 40. Его контакт 41 замыкается и включает первое коммутирующее реле 13. При этом его контакты 3 и 4 соответственно замыкаются и размыкаются, подключая первичную обмотку трансформатора 1 надлежащим образом к сети. Через промежуток времени , который определяется вторым формирователем задержки 26 и в течение которого завершаются переходные процессы в схеме, выключается третье промежуточное реле 50. Его контакт 51 размыкается и выключает третье коммутирующее реле 15. При этом его нормально замкнутый контакт 8 замыкается и шунтирует ограничительный резистор 7, исключая его из электрических процессов в схеме стабилизатора переменного напряжения.

Когда напряжение сети возвращается в заданный нормальный диапазон, схема возвращается в исходное состояние в следующей последовательности. Включается третье промежуточное реле 50, его контакт 51 замыкается и включает третье коммутирующее реле 15. При этом его нормально замкнутый контакт 8 размыкается, включая ограничительный резистор 7 между нулевым проводом и общей точкой нормально замкнутых контактов 4 и 6. Через промежуток времени, который определяется первым формирователем задержки 23 и в течение которого завершаются переходные процессы в схеме, выключается промежуточное реле 40. Его контакт 41 размыкается и выключает первое коммутирующее реле 13. При этом его контакты 3 и 4 соответственно размыкаются и замыкаются, отключая первичную обмотку трансформатора 1 от сети. Через промежуток времени , который определяется третьим формирователем задержки 29 и в течение которого завершаются переходные процессы в схеме, выключается третье промежуточное реле 50. Его контакт 51 размыкается и выключает третье коммутирующее реле 15. При этом его нормально замкнутый контакт 8 замыкается и шунтирует ограничительный резистор 7, исключая его из электрических процессов в схеме стабилизатора переменного напряжения.

Если напряжение сети становится меньше нижнего порога и возвращается в нормальный диапазон, то в схеме происходят те же процессы, что было описаны в предыдущих абзацах, только вместо первого промежуточного реле 40 и первого коммутирующего реле 13 с соответствующими контактами в процессах участвуют второе промежуточного реле 45 со своим контактом 46 и второе коммутирующего реле 14 со своими контактами 5 и 6.

Включение тех или иных реле и, соответственно, замыкание коммутация контактов определяется работой схемы контроля и управления 16, которая работает следующим образом (фиг. 2).При включении схема контроля и управления 16 не формирует управляющих сигналов, и заявляемое устройство находится в режиме транзит, который показан на фиг. 1. При этом происходит оценка напряжения сети, сигнал пропорциональный которому от вспомогательного источника 12 поступает на вход схемы контроля и управления и далее на его компоненты – стабилизатор напряжения 17, формирующий напряжение питания схемы контроля и управления, а также на делитель напряжения 18. С его выхода пропорциональный сигнал поступает на прямой и инверсный входы соответственно компараторов 19 и 20, на остальные входы которых поступает соответственно уровень верхнего и нижнего порогов со схемы формирователя пороговых напряжений 21. При выходе напряжение сети из зоны нормальной работу, ограниченной верхним и нижним упомянутыми порогами, на одном из компараторов 19 и 20 появляется единичный уровень.

Пусть напряжение сети стало выше верхнего порогового напряжения. В этом случае единичный сигнал появляется на выходе компаратора 19. Далее он через схему «2-ИЛИ» 22 поступает на первый формирователь задержки 23, а также на первый вход элемента «ИСКЛ.ИЛИ» 24 и на один из входов первой схемы «2-И» 25, а также на вход элемента «НЕ» 27. С выхода формирователя 23 задержанный на время единичный сигнал поступает на второй вход элемента «ИСКЛ. ИЛИ» 24, в результате чего на выходе последнего формируется единичный импульс длительностью . Далее этот сигнал через элемент «2-И» 25 благодаря единичному сигналу на его первом входе проходит на второй формирователь 26 задержки и на первый вход элемента «4-ИЛИ» 30, в то время как упомянутый единичный импульс через элемент «2-И» 28 благодаря нулевому сигналу на его первом входе дальше не проходит. Второй формирователь 26 задержки задерживает входной импульс на величину , которая должна быть не больше , и подает его на второй вход элемента «4-ИЛИ». В данном случае=., в результате этого на выходе элемента «4-ИЛИ» 30 сформируется импульс управления, поступающий на вход третьего канала 36 управления коммутирующим реле длительностью +. Единичный импульс с выхода второго формирователя задержки через второй элемент «2-ИЛИ» 31 также поступает на тактирующий вход первого D-триггера 32 и второго D-триггера 33, на информационные входы которых поступают сигналы соответственно с первого компаратора 19 и второго компаратора 20. Т.к. на информационном входе первого D-триггера 32 присутствует единичный уровень с первого компаратора 19, а на информационном входе второго D-триггера 33 присутствует нулевой уровень со второго компаратора 20, то на выходе первого D-триггера 32 по фронту сигнала на тактирующем входе появится единичный уровень, поступающий на управляющий вход первого канала 34 управления коммутирующим реле. При этом на выходе второго D-триггера 33 останется нулевой уровень. Таким образом, положительный фронт единичного сигнала с выхода первого компаратора 19 приводит к формированию импульса длительностью +, который управляет третьим каналом 36 управления коммутирующим реле 40 и к формированию единичного сигнала управления первого канала управления коммутирующим реле 34, который сдвинут относительно исходного сигнала на величину .

При возвращении сетевого напряжения в нормальный диапазон на выход первого компаратора 19 формируется нулевой уровень, который через элемент «2-ИЛИ» 22 передастся на вход первого формирователя 23 задержки, а также на первый вход элемента «ИСКЛ. ИЛИ» 24 и на один из входов первой схемы «2-И» 25, а также на вход элемента «НЕ» 27. Задержанный на время единичный сигнал поступает на второй вход элемента «ИСКЛ. ИЛИ» 24, в результате чего на выходе последнего формируется единичный импульс длительностью . Сформированный импульс через элемент «2-И» 25 благодаря нулевому сигналу на его первом входе далее не проходит. В то же время упомянутый единичный импульс через элемент «2-И» 28 благодаря единичному сигналу на его первом входе поступает на вход третьего формирователя 29 задержки и третий вход элемента «4-ИЛИ». Третий формирователь 29 задержки задерживает входной импульс на величину , которая должна быть не больше , и подает его на второй вход элемента «4-ИЛИ» 30. В результате на выходе элемента «4-ИЛИ» 30 сформируется сигнал - импульс управления, поступающий на вход третьего канала 36 управления коммутирующим реле 50, длительностью сигнала составляет + . Единичный импульс с выхода третьего формирователя 29 задержки через второй элемент «2-ИЛИ» 31 также поступает на тактирующий вход первого D-триггера 32 и второго D-триггера 33, на информационные входы которых поступают сигналы соответственно с компараторов 19, 20. Т.к. на информационном входе первого D-триггера 32 присутствует нулевой уровень с первого компаратора 19, а на информационном входе второго D-триггера 33 присутствует нулевой уровень со второго компаратора 20, то на выходе первого D-триггера 32 по фронту сигнала на тактирующем входе появится нулевой уровень, поступающий на управляющий вход первого канала 34 управления коммутирующим реле 40. При этом на выходе второго D-триггера 33 останется нулевой уровень. Таким образом, отрицательный фронт сигнала с выхода первого компаратора 19 приводит к формированию импульса управления третьим каналом 34 управления коммутирующим реле 40 длительностью + и к формированию нулевого сигнала управления канала 34 управления коммутирующим реле 40, отрицательный фронт которого сдвинут относительно отрицательного фронта сигнала с выхода первого компаратора на величину .

Когда сетевое напряжение становится меньше нижнего порога, на выходе второго компаратора 20 появляется единичный уровень, который через первый элемент «2-ИЛИ» 22 поступает на вход первого формирователя задержки. И далее все происходит так же, как и при появлении и сбросе единичного уровня на выходе первого компаратора 19. Только в этом случае, соответственно, формируется и сбрасывается в ноль на выходе второго D-триггера 33 сигнал , который управляет каналом 35 управления коммутирующим реле 45.

Длительности временных задержек , и определяются уровнем мощности нагрузки и, соответственно, параметрами силовой схемы стабилизатора переменного тока, что в целом определяет скорость протекания переходных процессов при коммутациях. При настройке данного стабилизатора оценивается время переходных процессов и (с некоторым запасом) устанавливаются величины временных задержек. В схеме контроля и управления 16 временные задержки , и реализуются формирователями задержки, соответственно 23, 26 и 29.

Все выше сказанное иллюстрируется временными диаграммами на фиг. 3. На первой диаграмме показаны U_c - действующее значение напряжения сети, а также верхнее пороговое напряжение U_h и нижнее пороговое напряжение U_l, задаваемые формирователем пороговых напряжений 21. Напряжение сети U_c представлено в виде изменяющегося во времени треугольного (пилообразного) сигнала, пересекающего оба пороговых напряжения. В данном примере пороговые напряжения U_h и U_l равны некоторым относительным значениям соответственно 5 и 4.

На второй диаграмме показаны сигналы с выхода компаратора 19 (на фиг. 3 сигнал К1) и с выхода компаратора 20 (на фиг. 3 сигнал К2). Сигнал К2 выделен утолщенной линией. В зависимости от соотношения величины напряжения сети по отношению к пороговым напряжениям на данной временной диаграмме выделены интервалы: – понижение напряжения (U_c>U_h), –транзит (U_l<U_c<U_h),- повышение напряжения (U_c<U_l), - транзит (U_l<U_c<U_h).

На третьей, четвертой и пятой диаграммах показаны соответственно входной сигнал третьего канала управления коммутирующим реле 50, формируемый элементом «4-ИЛИ» 30, входной сигнал первого канала управления коммутирующим реле , формируемый первым D-триггером 32, входной сигнал второго канала управления коммутирующим реле 45, формируемый вторым D-триггером 33. На третьей временной диаграмме также показаны временные интервалы, обусловленные работой первым, вторым и третьим формирователями задержек, соответственно , и . В частности из рисунков видно, что после любого изменения сигналов К1 и К2 начинает формироваться сигнал управления , в конечном итоге обеспечивающий подключение в силовой схеме устройства ограничительного резистора 7. После фронта сигналас задержкой, равной , формируется соответствующий фронт (нарастающий или спадающий) сигналов и , что в конечном итоге приводит к требуемым переключениям контактов в коммутирующем блоке, переводящим устройство в режим транзита, т.е. соответствия напряжению сети. После каждого фронта сигналов и с задержкой формируется спадающий фронт сигнала , в конечном итоге обеспечивающий отключение ограничительного резистора 7. Как показали эксперименты, переходные процессы, происходящие при переходе из режима транзит в режимы повышения или понижения, происходят одинаково, но несколько дольше, чем при обратном переходе в режим транзит. Поэтому , а , что качественно и отражено на третьей временной диаграмме, сигнал . Неодинаковость временных задержек усложняет схему контроля и управления, но обеспечивает быстродействие всего устройства при выполнении требования окончания переходных процессов между коммутациями и, соответственно, обеспечивает надежность работы устройства и беспрерывное электроснабжение нагрузки.

Цифровая часть устройства контроля и управления (т.е. за вычетом каналов управления коммутирующими реле) может быть выполнена на микропроцессорной элементной базе.

Устройство защиты от сетевых перенапряжений выполняет функцию защиты от сетевых перенапряжений, вызванных приходом волны перенапряжения по питающей сети в случае далекого удара молнии, или коммутациями, происходившими в соседних мощных нагрузках.

Так как настоящее устройство предназначено для работы в четырехпроводных электрических сетях, то в качестве устройства защиты могут быть использованы нелинейные полупроводниковые элементы - варисторы [см. 5, стр. 15, рис. 12] с напряжением пробоя порядка 750 В.

Авторами испытан макет стабилизатора переменного напряжения мощностью 66 кВт. Для устройства контроля и управления использовался микроконтроллер ATxmega128-A1, транзисторы IRLML2402. В силовой части стабилизатора переменного напряжения использовались трансформатор ОСМ Т220/12 с Ктр=18, автоматические выключатели IK-22-11. Величины временных задержек были следующие =0.8 c, =0.8 c, =0.2 c.

КПД стабилизатора составил 98 %. При использовании предлагаемого устройства экономия электроэнергии за счет стабилизации составляет 10-15 % в зависимости от уровня сетевого напряжения. При этом устройство работало стабильно, без сбоев и остановок в течение полугода на одном из предприятий г. Новосибирска, что обусловлено гарантированным завершением переходных процессов между коммутациями, а также надежной защитой от искрогашения контактов коммутирующего блока и невосприимчивостью к высокочастотным высоковольтным перенапряжениям в питающей сети, вызванных коммутациями подключенных параллельно мощных потребителей сетевого напряжения или грозовыми явлениями.

Таким образом, предложен стабилизатор переменного напряжения, ограничивающий его величину и "сверху" и "снизу". Предложенное устройство обладает рядом преимуществ по сравнению с известными стабилизаторами переменного напряжения - обеспечивает стабилизацию переменного напряжения на любой род нагрузки без искажения формы кривой напряжения. При этом не только коммутация происходит без прерывания тока и при токах в Ктр раз меньше тока нагрузки, но и гарантируется завершение переходных процессов между коммутациями.

Источники информации

1. Источники электропитания РЭА. Справочник. Под ред. Г.С. Найвельта. М.: Радио и связь, 1986, с.254, рис. 7.4.

2. Источники электропитания РЭА. Справочник. Под ред. Г.С. Найвельта. М.: Радио и связь, 1986, с. 264, рис. 7.9.

3. Авт. свид. СССР N 534742, G 05 F 1/30. Стабилизатор переменного напряжения. / М.Б. Лозин, В. В. Петров, О.З. Сейфуллин и др. Опубл. 1976, Бюл. № 41.

4. Патент РФ N 2158954 G 05 F 1/30, Н 02 M 5/12. Стабилизатор переменного напряжения (варианты). / Л.З. Фейгин, С.В. Левинзон, С.И. Михалев. Опубл. 1999, Бюл. № 31.

5. Зоричев А.Л. Защита электроустановок от импульсных грозовых и коммутационных перенапряжений. – Электронный ресурс [www.hakel.ruarticle1.pdf].

Стабилизатор переменного напряжения может быть использован для электропитания электротехнической аппаратуры, систем связи, автоматики и телемеханики, осветительных сетей. Технический результат: повышение надежности и обеспечение заданного напряжения на нагрузке за счёт гарантированного завершения переходных процессов между коммутациями, а также за счёт надежной защиты от искрогашения контактов коммутирующего блока и невосприимчивости к высокочастотным высоковольтным перенапряжениям в питающей сети, вызванных коммутациями подключенных параллельно мощных потребителей сетевого напряжения или грозовыми явлениями. В стабилизаторе переменного напряжения, содержащем трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, включающий в себя нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты, соединена со входными клеммами фазного и нулевого провода соответственно, а вторичная обмотка включена последовательно с нагрузкой, ограничительный резистор с параллельно подключенными нормально замкнутыми контактами, включенный между нормально разомкнутыми контактами коммутирующего блока и нулевым проводом, конденсатор, подключенный параллельно первичной обмотке трансформатора, и устройство сравнения и управления, включающее в себя коммутирующие и промежуточные реле, вспомогательный источник питания и схему контроля и управления, контролирующую увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, предлагается между фазным и нулевым проводами включить устройство защиты от сетевых перенапряжений, параллельно контактам коммутирующего блока включить RC-цепи, а схему контроля и управления выполнить с возможностью формирования задержек переключения реле на время погашения переходных процессов, вызванных коммутациями первичной обмотки. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Стабилизатор переменного напряжения, содержащий трансформатор, первичная обмотка которого через коммутирующий блок, включающий в себя нормально замкнутые и нормально разомкнутые контакты, соединена с входными клеммами фазного и нулевого провода соответственно, а вторичная обмотка включена последовательно с нагрузкой, ограничительный резистор с параллельно подключенными нормально замкнутыми контактами, включенный между нормально разомкнутыми контактами коммутирующего блока и нулевым проводом, конденсатор, подключенный параллельно первичной обмотке трансформатора, и устройство сравнения и управления, включающее в себя коммутирующие и промежуточные реле, вспомогательный источник питания и схему контроля и управления, контролирующую увеличение или уменьшение напряжения на нагрузке от установленного уровня, отличающийся тем, что между фазным и нулевым проводами включено устройство защиты от сетевых перенапряжений, параллельно контактам коммутирующего блока включены RC-цепи, а схема контроля и управления выполнена с возможностью формирования задержек переключения реле на время погашения переходных процессов, вызванных коммутациями первичной обмотки.

2. Стабилизатор переменного напряжения по п. 1, отличающийся тем, что входы схемы контроля и управления подключены к выходу вспомогательного источника питания, входы которого подключены к фазному и нулевому проводам, три парных выхода упомянутой схемы контроля и управления подключены одними выводами ко вторым концам обмоток первого и второго коммутирующих реле, управляющих упомянутыми выше нормально разомкнутыми и нормально замкнутыми контактами коммутирующего блока, и ко второму концу третьего коммутирующего реле, управляющего нормально замкнутыми контактами, подключенными параллельно ограничительному резистору, а вторыми выводами упомянутые парные выходы схемы контроля и управления подключены к нулевому проводу, при этом схема контроля и управления содержит стабилизатор тока и делитель напряжения, входы которых подключены к выходу упомянутого вспомогательного источника питания, выход делителя напряжения подключен к прямому и инверсному входам соответственно первого и второго компараторов, остальные входы которых подключены к первому и второму выходам формирователя пороговых напряжений, выходы компараторов подключены к входам первого элемента «2-ИЛИ» и к информационным входам соответственно первого и второго D-триггеров, выход первого элемента «2-ИЛИ» подключен к входам первого формирователя задержки элемента «2-ИСКЛ.-ИЛИ», первого элемента «2-И» и элемента «НЕ», выход первого формирователя задержки соединен со вторым входом элемента «ИСКЛ.-ИЛИ», выход которого соединен с входом первого элемента «2-И» и входом второго элемента «2-И», второй вход которого подключен к выходу элемента «НЕ», выход первого элемента «2-И» подключен к входу второго формирователя задержки и к одному из входов элемента «4-ИЛИ», выход второго формирователя задержки соединен со вторым входом элемента «4-ИЛИ» и с входом второго элемента «2-ИЛИ», выход второго элемента «2-И» подключен к третьему входу элемента «4-ИЛИ», к входу третьего формирователя задержки, выход третьего формирователя задержки подключен к четвертому входу элемента «4-ИЛИ» и ко второму входу второго элемента «2-ИЛИ», выход которого подключен к тактирующим входам первого и второго D-триггеров, выходы которых, а также выход элемента «4-ИЛИ» подключены соответственно к управляющим входам первого, второго и третьего каналов управления первым, вторым и третьим коммутирующими реле соответственно, причём каждый из вышеупомянутых каналов управления включает в себя делитель напряжения, вход которого является управляющим входом, а выход подключен к базе транзисторного ключа, который эмиттером подключен к нулевой шине вспомогательного источника питания схемы, а коллектором - к одному концу обмотки соответствующего промежуточного реле, второй конец которой подключен к выходу стабилизатора тока, контакты же промежуточного реле подключены к соответствующим парным выходам схемы контроля и управления, связанным с соответствующим коммутирующим реле.