Стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока Российский патент 2024 года по МПК G05F1/325 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, обеспечивающим требуемое качество электрической энергии для потребителей.

Уровень техники

Известен стабилизатор переменного напряжения (патент RU № 2280271, МПК G05F 1/14), содержащий повышающий трансформатор, на выходе которого включен последовательно регулирующий дроссель с двумя параллельно включенными катушками различной индуктивности, намотанными на одном замкнутом ферромагнитном сердечнике, причем последовательно с катушкой с большей индуктивностью включен переменный резистор, регулируемый блоком управления, к выходу дросселя подключена нагрузка.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности при одновременно низкой надежности.

Ограниченные функциональные возможности обусловлены:

- завышенным нестабилизированным напряжением в режиме холостого хода или близком к нему, т.е. на малой нагрузке;

- неэффективной системой регулирования (по падению напряжения на дросселе), связанной с характером нагрузки (активно-индуктивная, активно-емкостная), не обеспечивающей стабильность напряжения на нагрузке;

- отсутствием возможности контроля величины допустимого тока.

Низкая надежность обусловлена отсутствием защиты от возможной перегрузки по току.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока (патент RU № 2554712, МПК G05F 1/00).

Стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока, содержит автотрансформатор, выполненный на двух сердечниках, на каждом сердечнике расположены одна первичная и одна управляющая обмотки, вторичная обмотка охватывает оба сердечника, цепь последовательно и встречно соединенных первичных обмоток присоединена одним концом к сети, а вторым к общей точке соединения вторичной обмотки и нагрузки, образуя последовательное соединение первичных и вторичной обмотки, второй конец вторичной обмотки подключен к общей точке соединения нагрузки и сети питания, к каждой управляющей обмотке присоединены блоки электронных регуляторов, регулируемых блоком управления, снабженным обратной связью по выходному напряжению через потенциометр, параллельно подключенный к выходной обмотке стабилизатора-регулятора напряжения переменного тока.

Недостатками данного устройства являются ограниченные функциональные возможности при одновременно низкой надежности.

Ограниченные функциональные возможности обусловлены отсутствием возможности контроля величины допустимого тока.

Низкая надежность обусловлена отсутствием защиты от возможной перегрузки по току.

Раскрытие изобретения

Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей при одновременном повышении надежности.

Технический результат достигается тем, что в стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока содержащий автотрансформатор, выполненный на двух сердечниках, на каждом сердечнике расположены одна первичная и одна управляющая обмотки, вторичная обмотка охватывает оба сердечника, цепь последовательно и встречно соединенных первичных обмоток присоединена вторым концом к общей точке соединения первого конца вторичной обмотки, образуя последовательное соединение первичных и вторичной обмотки, второй конец вторичной обмотки подключен к общей точке соединения второго вывода нагрузки и второго провода сети питания, к каждой управляющей обмотке присоединены блоки электронных регуляторов, регулируемых блоком управления, снабженным обратной связью по выходному напряжению через потенциометр, параллельно подключенный к вторичной обмотке стабилизатора-регулятора напряжения переменного тока, введен блок защиты, при этом: первый и второй входы блока защиты подключаются, соответственно, к первому и второму проводу сети; третий вход соединен с точкой соединения второго конца первичных обмоток, первого конца вторичной обмотки и первого вывода потенциометра; первый выход соединен с первым концом первичных обмоток; второй выход соединен с первым выводом нагрузки.

Блок защиты содержит источник постоянного напряжения, формирователь импульсов, оптосимистор, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, в котором расположен магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения подключены к первому и второму входам блока защиты; нулевой выход источника постоянного напряжения заземлен; потенциальный выход источника постоянного напряжения, с уровнем логической единицы, соединен с первым выводом переменного резистора, С-входом JK триггера и первыми входами делителя напряжения и дифференцирующей цепи, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены, соответственно, к первому входу компаратора и J-входу JK триггера; второй и третий выводы переменного резистора соединены со вторым входом компаратора и анодом магнитодиода, катод которого заземлен; выход компаратора подключен к K-входу JK триггера, Q выход которого подключен ко входу формирователя импульсов, выходы которого служат управляющими входами оптосимистора, вход которого соединен с первым входом блока защиты, а выход служит первым выходом блока защиты; первый вывод L-цепи служит третьим входом блока защиты; второй вывод L-цепи служит вторым выходом блока защиты.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизатора переменного напряжения.

На фиг.2 представлены диаграммы изменения напряжений на элементах стабилизатора. Индексы напряжений на диаграмме, фиг. 2, соответствуют номеру элемента на фиг. 1.

Осуществление изобретения

Стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока (фиг.1) содержит: автотрансформатор 1, включающий сердечники (магнитопроводы) 2 и 3, первичные обмотки 4 и 5, вторичную обмотку 6, управляющие обмотки 7 и 8; блоки 9 и 10 электронных регуляторов; блок управления 11; цепь обратной связи управления 12; потенциометр 13; блок защиты 15, к выходу стабилизатора-регулятора напряжения переменного тока подключается нагрузка 14.

На каждом сердечнике 2, 3, автотрансформатора 1, расположены одна первичная 4, 5 и одна управляющая 8, 7 обмотки соответственно. Вторичная обмотка 6 охватывает сердечники 2 и 3.

Первичные обмотки 4 и 5 соединены между собой последовательно встречно. Цепь первичных обмоток 4, 5 присоединена первым концом к первому выходу блока защиты 15, а вторым концом к общей точке соединения первого вывода потенциометра 13, третьего входа блока защиты 15, первого конца вторичной обмотки 6, второй конец которой подключен к общей точке соединения первого вывода потенциометра 13, первого входа блока управления 11, второго провода сети питания, второго вывода нагрузки 14, первого входа блока защиты 15, второй вход которого соединен с третьим выводом потенциометра 13. Выводы обмотки 6 являются выходом стабилизатора-регулятора и по цепи обратной связи управления 12 через потенциометр 13 параллельно подключены к блоку управления 11. К управляющим обмоткам 7 и 8 параллельно присоединены блоки 9 и 10 электронных регуляторов, связанные с блоком управления 11.

Первый вход блока защиты 15 соединен с первым проводом сети; второй выход блока защиты 15 соединен с первым выводом нагрузки 14.

Блок защиты 15 содержит источник постоянного напряжения 16, формирователь импульсов 17, оптосимистор 18, L-цепь 19, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода 20 с воздушным зазором, в котором расположен магнитодиод 21, переменный резистор 22, компаратор 23, делитель напряжения 24, JK триггер 25, дифференцирующую цепь 26, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения 16 подключены к первому и второму входам блока защиты 15; нулевой выход источника постоянного напряжения 16 заземлен; потенциальный выход источника постоянного напряжения 16, с уровнем логической единицы, соединен с первым выводом переменного резистора 22, С-входом JK триггера 25 и первыми входами делителя напряжения 24 и дифференцирующей цепи 26, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены, соответственно, к первому входу компаратора 23 и J-входу JK триггера 25; второй и третий выводы переменного резистора 22 соединены со вторым входом компаратора 23 и анодом магнитодиода 21, катод которого заземлен; выход компаратора 23 подключен к K-входу JK триггера 25, Q выход которого подключен ко входу формирователя импульсов 17, выходы которого служат управляющими входами оптосимистора 18, вход которого соединен с первым входом блока защиты 15, а выход служит первым выходом блока защиты 15; первый вывод L-цепи 19 служит третьим входом блока защиты 15; второй вывод L-цепи 19 служит вторым выходом блока защиты 15.

К входу стабилизатора прикладывается напряжение сети U₁, на первичных обмотках 4 и 5 наводятся напряжения U₄, U₅ соответственно, на вторичной обмотке 6 создается напряжение U₆ и прикладывается к нагрузке 14. Напряжение U_ном - это номинальное напряжение питающей сети.

Предлагаемый стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока работает следующим образом.

При подаче питания, так как отсутствует перегрузка по току, блок защиты 15 обеспечивает подключение первого провода сети к первому концу цепи первичных обмоток 4, 5.

В нормальном режиме, по последовательной цепи первичных обмоток 4, 5 и вторичной обмотки 6 автотрансформатора 1 проходит электрический ток. Этот ток создает магнитные потоки в сердечниках 2 и 3. Суммарный магнитный поток сердечников 2 и 3 определяется величиной питающего напряжения U₁.

Магнитные потоки сердечников 2 и 3 соответственно в первичных обмотках 4, 5 наводят напряжение U₄, U₅. В управляющих обмотках 7, 8 также наводятся напряжения.

Напряжение U₄ первичной обмотки 4 совпадает по направлению с питающим напряжением U₁, а напряжение U₅ первичной обмотки 5 противоположно по направлению. При равенстве магнитных потоков в сердечниках 2, 3 и одинаковых числах витков в первичных обмотках 4 и 5 напряжения U₄ и U₅ равны по величине и противоположны по направлению. Следовательно, сумма напряжений (U₄+U₅) на концах последовательной цепи первичных обмоток 4 и 5 равна нулю из-за встречного включения обмоток 4, 5. В результате к нагрузке 14 прикладывается напряжение вторичной обмотки U₆, равное сетевому (U₆=U₁). Этот режим работы стабилизатора соответствует номинальному напряжению в сети (U₁=U_ном). Диаграмма напряжений на элементах стабилизатора напряжения для этого режима представлена на фиг. 2а. Схема управления 11, в этом режиме, дает команду блокам 9, 10 электронных регуляторов установить наибольшие сопротивления (бесконечные, т.е. обрыв цепи). Токи в управляющих обмотках 7, 8 равны нулю, следовательно, размагничивания сердечников 2, 3 не происходит.

Ток холостого хода в первичных обмотках 4 и 5 автотрансформатора 1 при номинальном напряжении сети U₁ имеет минимальное значение, так как магнитный поток идет по двум сердечникам 2 и 3, реактивная мощность, потребляемая стабилизатором из сети, минимальна.

При уменьшении напряжения сети U₁ (и, соответственно, уменьшении напряжения U₆ вторичной обмотки 6 и нагрузки 14) по цепи обратной связи 12 формируется сигнал уменьшенного значения для системы управления 11. По команде блока управления 11 блок 10 электронного регулятора уменьшает величину сопротивления. Сопротивление блока 9 электронного регулятора остается неизменным большим. В управляющей обмотке 7, замкнутой на сопротивление блока 10 электронного регулятора, протекает ток, создающий встречный магнитный поток, уменьшающий магнитный поток в сердечнике 3. Вследствие условия неизменности величины суммарного потока в обоих сердечниках 2 и 3, соответственно, в сердечнике 2 магнитный поток увеличивается из-за вынужденного уменьшения магнитного потока в сердечнике 3. В первичных обмотках 4 и 5 также происходит противоположное изменение напряжений. Напряжение U₄ увеличивается, а U₅ уменьшается, сумма этих напряжений не равна нулю (U₄+U₅>0) и выделяется на концах цепи первичных обмоток 4, 5. Сумма напряжений U₄ и U₅ совпадает по фазе с сетевым напряжением U₁ и складывается с ним, компенсируя его снижение. Так обеспечивается стабильность напряжения на вторичной обмотке 6 (U₆=U_ном) и нагрузке 14 (U₁+(U₄+U₅)=U₆=U_ном). Этому режиму соответствует диаграмма напряжений на фиг. 2б. Переход стабилизатора на пониженное сетевое напряжение произошел плавно без коммутации в силовых цепях как питания, так и нагрузки, то есть без перерывов питания, без переключений и без искажения формы синусоидального напряжения.

При предельном уменьшении напряжения сети U₁ происходит уменьшение сопротивления блока 10 электронного регулятора до нуля. При этом управляющая обмотка 7 становится закороченной. Магнитный поток в сердечнике 3 становится равным нулю вследствие закороченного состояния управляющей обмотки 7. При этом напряжение U₅ первичной обмотки 5 равно нулю.

Весь суммарный магнитный поток проходит по сердечнику 2, максимальное увеличение напряжения сети U₁ создается только напряжением U₄ первичной обмотки 4. Сумма пониженного напряжений сети U₁ и напряжения первичной обмотки 4 (U₁+U₄=U₆=U_ном) обеспечивает стабильное напряжение U₆=U_ном на вторичной обмотке 6 и нагрузке 14, фиг. 2в.

При росте напряжения сети U₁, соответственно, начинают увеличиваться напряжения U₆ во вторичной обмотке 6 и на нагрузке 14. В этом случае процесс управления происходит следующим образом. По цепи обратной связи 12 в блок управления 11 поступает сигнал, пропорциональный начинающемуся увеличению значения напряжения U₆. По команде блока управления 11 производится уменьшение величины сопротивления блока 9 электронного регулятора. В этом случае сопротивление блока 10 электронного регулятора остается неизменным и имеет наибольшее значение (бесконечность).

В управляющей обмотке 8, замкнутой на блок 9 электронного регулятора, протекает ток, уменьшающий магнитный поток в сердечнике 2. Вследствие условия неизменности величины суммарного потока в обоих сердечниках 2 и 3, соответственно, в сердечнике 3 магнитный поток увеличивается из-за вынужденного уменьшения магнитного потока в сердечнике 2. В первичных обмотках 4 и 5 также происходит противоположное изменение напряжений. Напряжение U₅ увеличивается, а U₄ уменьшается, сумма этих напряжений не равна нулю и выделяется на концах цепи вторичных обмоток 4, 5. Сумма напряжений U₄ и U₅ находится в противофазе с сетевым напряжением U₁ и является снижающим напряжением для него, компенсируя его увеличение. Так обеспечивается стабильность напряжения на вторичной обмотке 6 (U₆=U_ном) и нагрузке 14 (U₁-(U₄+U₅)=U₆=U_ном). Этому режиму соответствует диаграмма напряжений на фиг. 2г. Переход стабилизатора на повышенное сетевое напряжение произошел плавно без коммутации в силовых цепях как питания, так и нагрузки, то есть без перерывов питания, без переключений и без искажения формы синусоидального напряжения.

При предельном увеличении сетевого напряжения U₁ сопротивление блока 9 электронного регулятора и напряжение U₄ первичной обмотки 4 уменьшаются до нуля. При этом управляющая обмотка 8 становится закороченной. Магнитный поток в сердечнике 2 становится равным нулю вследствие закороченного состояния управляющей обмотки 8. При этом напряжение U₄ первичной обмотки 4 равно нулю.

Весь суммарный магнитный поток проходит по сердечнику 3, максимальное снижение напряжений сети U₁ создается только напряжением U₅ первичной обмотки 5. Разность напряжений сети U₁ и напряжения обмотки 5 (U₁-U₅=U₆=U_ном) обеспечивает стабильное напряжение U₆=U_ном на вторичной обмотке 6 и нагрузке 14. Этому режиму соответствует диаграмма напряжений фиг. 2д.

В реальных стабилизаторах сетевого напряжения при неизменном напряжении сети питания U₁, но при изменении величины сопротивления нагрузки 14 также происходит изменении величины напряжения U₆ на вторичной обмотке 6 автотрансформатора 1. Это обусловлено изменением падений напряжения на активных и индуктивных сопротивлениях самого стабилизатора. Предлагаемое устройство обеспечивает также и стабилизацию напряжения на нагрузке при изменении ее величины.

Регулирование выходного напряжения на нагрузке 14, независимо от входного напряжения, осуществляется при помощи потенциометра 13. Изменением соотношения сопротивления потенциометра 13 выставляют требуемое значение выходного напряжения. По цепи обратной связи 12 в блок управления 11 поступает сигнал, пропорциональный установленному значению напряжения на сопротивлении потенциометра 13. Блок управления 11 посредством блоков 9 и 10 электронных регуляторов производит регулирование выходного напряжения.

Как было показано выше, в момент подачи питания на стабилизатор, блок защиты 15 обеспечивает подключение (коммутацию) первого провода сети к первому концу цепи первичных обмоток 4, 5, а значит и электроснабжение нагрузки 14. Непосредственно коммутация обусловлена срабатыванием оптосимистора 18 по команде формирователя импульсов 17.

В силу установления на K-входе уровня логического нуля, а на С-входе, J-входе, а значит и на Q-выходе JK триггера 25, уровня логической единицы.

Уровень логической единицы на С-входе JK триггера 25 обусловлен потенциалом с выхода источника постоянного напряжения 16.

Уровень логической единицы на J-входе JK триггера 25 обусловлен скачком напряжения на выходе дифференцирующей цепи 26 в момент подачи потенциала с выхода источника постоянного напряжения 16.

Уровень логического нуля на K-входе JK триггера 25 обусловлен не срабатыванием компаратора 23 (в следствие отсутствия перегрузки по току).

Срабатывание компаратора 23 осуществляется при условии

U_МД>U_ДН (1),

где U_МД - напряжение падения на базе магнитодиода 21, поступающее на второй вход (U_вх+) компаратора 23;

U_ДН - напряжение с выхода делителя напряжения 24, поступающее на первый вход (U_вх-) компаратора 23.

Выходное напряжение делителя напряжения 24, U_ДН, пропорционально выходному напряжению источника постоянного напряжения 16.

Напряжение падения на базе магнитодиода 21, U_МД, определяется:

- величиной выходного напряжения источника постоянного напряжения 16;

- сопротивлением переменного резистора 22;

- сопротивлением базы магнитодиода 21, зависящим от величины поперечного магнитного поля.

А так как сопротивление базы магнитодиода 21 возрастает с увеличением поперечного магнитного поля, величина которого определяется величиной тока нагрузки стабилизатора протекающего в L-цепи 19, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода 20 с воздушным зазором, момент срабатывания компаратора 23 будет определяться величиной тока нагрузки и предварительно установленной величиной сопротивления переменного резистора 22.

Что, в свою очередь, обеспечивает:

- контроль величины допустимого тока нагрузки;

- защиту от возможной перегрузки по току,

а значит расширение функциональных возможностей стабилизатора с одновременным увеличением надежности.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройствам, обеспечивающим требуемое качество электрической энергии для потребителей. Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей при одновременном повышении надежности. Стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока содержит: автотрансформатор, выполненный на двух сердечниках, на каждом сердечнике расположены одна первичная и одна управляющая обмотки, вторичная обмотка охватывает оба сердечника; два блока электронных регуляторов; блок управления; потенциометр; блок защиты. Блок защиты содержит источник постоянного напряжения, элемент формирователь импульсов, оптосимистор, L-цепь, магнитопровод с воздушным зазором, магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь. 2 ил.

Стабилизатор-регулятор напряжения переменного тока, содержащий автотрансформатор, выполненный на двух сердечниках, на каждом сердечнике расположены одна первичная и одна управляющая обмотки, вторичная обмотка охватывает оба сердечника, цепь последовательно и встречно соединенных первичных обмоток присоединена вторым концом к общей точке соединения первого конца вторичной обмотки, образуя последовательное соединение первичных и вторичной обмотки, второй конец вторичной обмотки подключен к общей точке соединения второго вывода нагрузки и второго провода сети питания, к каждой управляющей обмотке присоединены блоки электронных регуляторов, регулируемых блоком управления, снабженным обратной связью по выходному напряжению через потенциометр, параллельно подключенный к вторичной обмотке стабилизатора-регулятора напряжения переменного тока, отличающийся тем, что в устройство введен блок защиты, при этом: первый и второй входы блока защиты подключаются соответственно к первому и второму проводу сети; третий вход соединен с точкой соединения второго конца первичных обмоток, первого конца вторичной обмотки и первого вывода потенциометра; первый выход соединен с первым концом первичных обмоток; второй выход соединен с первым выводом нагрузки, блок защиты содержит источник постоянного напряжения, формирователь импульсов, оптосимистор, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, в котором расположен магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения подключены к первому и второму входам блока защиты; нулевой выход источника постоянного напряжения заземлен; потенциальный выход источника постоянного напряжения с уровнем логической единицы соединен с первым выводом переменного резистора, С-входом JK триггера и первыми входами делителя напряжения и дифференцирующей цепи, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены соответственно к первому входу компаратора и J-входу JK триггера; второй и третий выводы переменного резистора соединены со вторым входом компаратора и анодом магнитодиода, катод которого заземлен; выход компаратора подключен к K-входу JK триггера, Q выход которого подключен ко входу формирователя импульсов, выходы которого служат управляющими входами оптосимистора, вход которого соединен с первым входом блока защиты, а выход служит первым выходом блока защиты; первый вывод L-цепи служит третьим входом блока защиты; второй вывод L-цепи служит вторым выходом блока защиты.