Однофазный стабилизатор напряжения Российский патент 2024 года по МПК G05F1/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике и предназначается для использования в системах электроснабжения для стабилизации однофазного напряжения источника электроэнергии переменного тока.

Уровень техники

Известен стабилизатор напряжения переменного тока (Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296 с., рис. 5.9, с. 238), содержащий трансформатор, тиристорные ключи для бесконтактного переключения ответвлений трансформатора и систему управления стабилизатором, которая содержит блок питания, нуль-орган и формирователь импульсов

Недостатками данного устройства являются низкие надежность и КПД.

Известен стабилизатор напряжения переменного тока (патент RU № 2216032, МПК G05F 1/20), содержащий автотрансформатор, два оптосимистора со схемой управления.

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

Ограниченные функциональные возможности обусловлены отсутствием:

- гальванической развязки между источником электроэнергии и нагрузкой;

- возможности контроля величины допустимого тока.

Низкая надежность обусловлена отсутствием защиты от возможной перегрузки по току.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является однофазный стабилизатор напряжения (патент RU № 2282886, МПК G05F 1/20).

Однофазный стабилизатор напряжения содержит однофазный трансформатор, два оптосимистора, систему управления, причем выводы первичной обмотки трансформатора подключаются к источнику электроэнергии и являются первым и вторым входом системы управления, вторичная обмотка трансформатора имеет три вывода, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с первым выводом для подключения нагрузки однофазного стабилизатора напряжения, второй вывод вторичной обмотки трансформатора соединен со вторым выводом для подключения нагрузки через первый оптосимистр, а третий вывод вторичной обмотки трансформатора соединен со вторым выводом для подключения нагрузки через второй оптосимистр, управляющие входы первого и второго оптосимисторов подключаются к первому и второму соответственно выходам системы управления, система управления содержит блок питания, нуль-орган, генератор пилообразного напряжения, два формирователя импульсов и компаратор, причем первый и второй входы системы управления являются входами блока питания, первый выход блока питания соединен с входом нуль-органа, а второй его выход соединен с первым входом компаратора, выход нуль-органа непосредственно соединен с входом первого формирователя импульсов, выходы которого являются первыми выходами системы управления и, через генератор пилообразного напряжения, со вторым входом компаратора, выход компаратора соединен с входом второго формирователя импульсов, выходы которого являются вторыми выходами системы управления.

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 однофазный стабилизатор напряжения содержащий: однофазный трансформатор, два оптосимистора, систему управления, причем: выводы первичной обмотки трансформатора подключаются к источнику электроэнергии и являются первым и вторым входами системы управления; вторичная обмотка трансформатора имеет три вывода, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с первым выводом для подключения нагрузки однофазного стабилизатора напряжения, второй и третий выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к входам первого и второго оптосимисторов соответственно; управляющие входы первого и второго оптосимисторов подключены к первым и вторым, соответственно, выходам системы управления, содержащей блок питания, нуль-орган, генератор пилообразного напряжения, два формирователя импульсов, компаратор, причем: первый и второй входы системы управления являются входами блока питания; первый выход блока питания соединен с входом нуль-органа, а второй его выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, вход которого подключен к выходу нуль-органа; выходы первого и второго формирователей импульсов являются, соответственно, первыми и вторыми выходами системы управления, введены: магнитопровод с воздушным зазором, L-цепь, служащая одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором; магнитодиод, источник постоянного напряжения, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующая цепь, причем первый вывод L-цепи соединен с выходными выводами оптосимисторов, а второй вывод - со вторым выходным выводом для подключения нагрузки; выход источника постоянного напряжения, входы которого подключены параллельно входам системы управления, 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 к третьему входу системы управления; в систему управления стабилизатором - первый и второй логические элементы «И», вторые входы которых служат третьим входом системы управления стабилизатором, подключенным к Q-выходу JK триггера, первые входы - к выходам нуль-органа и компаратора, а выходы к входам первого и второго формирователей импульсов управления соответственно.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 представлена функциональная схема однофазного стабилизатора напряжения.

На фиг. 2 показаны диаграммы напряжений, поясняющие принцип работы однофазного стабилизатора напряжения.

Осуществление изобретения

Однофазный стабилизатор напряжения (фиг. 1) содержит: однофазный трансформатор 1, с выводами 2, 3 первичной обмотки к которым подключается источник электроэнергии и выводами 4, 5, 6 вторичной обмотки; оптосимисторы 7 и 8; выводы 9 и 10 служащие для подключения нагрузки однофазного стабилизатора напряжения; систему управления 11 содержащую блок питания 12, нуль-орган 13, генератор пилообразного напряжения 14, формирователи импульсов 15 и 17, компаратор 16, логические элементы «И» 18 и 19; L-цепь 20; магнитопровод 21 с воздушным зазором; магнитодиод 22; источник постоянного напряжения 23; переменный резистор 24; компаратор 25; делитель напряжения 26; JK триггер 27; дифференцирующую цепь 28. При этом: к выводам 2, 3 первичной обмотки трансформатора 1 подключается источник электроэнергии, а так же входы источника постоянного напряжения 23 и блока питания 12, являющиеся первым и вторым входами системы управления 11; вывод 4 вторичной обмотки трансформатора 1 соединен с выводом 9, а выводы 5 и 6 вторичной обмотки трансформатора 1, через оптосимисторы 7 и 8, соответственно, соединены с первым выводом L-цепи 20, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода 21 с воздушным зазором; второй вывод L-цепи 20 соединен с выводом 10; первый и второй выходы блока питания 12 подключены к входу нуль-органа 13 и первому входу компаратора 16 соответственно; выход нуль-органа 13 соединен с первым входом логического элемента «И» 18 и, через генератор пилообразного напряжения 14, со вторым входом компаратора 16, выход которого соединен с первым входом логического элемента «И» 19; выходы логических элементов «И» 18, 19 подключены, соответственно, к входам формирователей импульсов 15, 17, выходы которых являются первыми и вторыми выходами системы управления 11 служащие управляющими входами оптосимисторов 7, 8, соответственно; вторые входы логических элементов «И» 18, 19, являющиеся третьим входом системы управления 11, подключены к Q-выходу JK триггера 27; выход источника постоянного напряжения 23, соединен с первым выводом переменного резистора 24, С-входом JK триггера 27 и первыми входами делителя напряжения 26 и дифференцирующей цепи 28, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены, соответственно, к первому входу компаратора 25 и J-входу JK триггера 27; второй и третий выводы переменного резистора 24 соединены со вторым входом компаратора 25 и анодом магнитодиода 22, катод которого заземлен; выход компаратора 25 подключен к K-входу JK триггера 27.

Однофазный стабилизатор напряжения работает следующим образом.

При подачи питания на входы 2, 3 стабилизатора, напряжение u_ВХ прикладывается к первичной обмотке трансформатора 1, входам блока питания 12 и источника постоянного напряжения 23.

Блок питания 12, на ряду с обеспечением электропитания системы управления 11, обеспечивает электропитание компаратора 25 и JK триггера 27.

Выходное напряжение источника постоянного напряжения 23 обеспечивает установку Q-выхода JK триггера 27 в единичное состояние в следствие установления:

- на С-входе JK триггера 27 единичного уровня входного напряжения;

- на K-входе JK триггера 27 уровня логического нуля (в следствие отсутствия перегрузки по току и не срабатывания компаратора 25).

- формирования на J-входе JK триггера 27 импульса единичной амплитуды посредством дифференцирующей цепи 28.

Напряжение единичного уровня, с Q-выхода JK триггера 27, поступает на вторые входы логических элементов «И» 18, 19.

С первого выхода блока питания 12 сигнал синусоидальной формы (фиг. 2а) поступает на вход нуль-органа 13, на выходе которого формируются импульсы, синхронные с нулевыми значениями напряжения источника питания u_ВХ (фиг. 2б). Синхронизирующие импульсы, поступающие на первый вход логического элемента «И» 18, подаются, через формирователь импульсов 15, на управляющий вход оптосимистора 7. На выходных выводах 9 и 10 стабилизатора формируется напряжение u₄₅ (фиг. 2д).

Синхронизирующие импульсы поступают также на вход генератора пилообразного напряжения 14, на выходе которого формируется опорный сигнал u_ОС пилообразной формы (фиг. 2в), который поступает на второй вход компаратора 16. На первый вход компаратора 16, со второго выхода источника питания 12, поступает ведущий сигнал u_ВС1 напряжения постоянного тока (фиг. 2в), который пропорционален напряжению источника питания переменного тока. Когда величина опорного сигнала больше чем ведущего, т.е. когда u_ОС>u_ВС1, на выходе компаратора 16 формируются управляющие импульсы (фиг. 2г) поступающие на первый вход логического элемента «И» 19, и через формирователь импульсов управления 17, на управляющий вход оптосимистора 8. Оптосимистор 8 включается, это приводит к естественной коммутации (закрытию) оптосимистора 7 и на выходных выводах стабилизатора 9 и 10 формируется напряжение u₄₆ (фиг. 2д). В результате при поочередной работе оптосимисторов 7 и 8 на выходе стабилизатора будет формироваться выходное напряжение u_ВЫХ1 (фиг. 2д). Если, к примеру, напряжение источника питания уменьшится, тогда уменьшится величина напряжения источника ведущего сигнала, т.е. u_ВС2<u_ВС1 (фиг. 2е). Угол управления оптосимистором 8 уменьшится (α₂<α₁, фиг. 2г, ж), напряжение на выходных выводах 9 и 10 стабилизатора u_ВЫХ2 увеличится (фиг. 2з).

Напряжение поступающее на первый вход компаратора 25 (U_вх-) с выхода делителя напряжения 26 U_ДН и напряжение падения на базе магнитодиода 22 U_МД, подаваемое на второй вход компаратора 25 (U_вх+), определяют момент срабатывания компаратора 25. При условии U_МД>U_ДН, на выходе компаратора 25 устанавливается уровень логической единицы обеспечивающей сброс JK триггера 27. Что приводит к запиранию логических элементов «И» 18, 19, оптосимисторов 7, 8.

Выходное напряжение делителя напряжения 26 U_ДН пропорционально выходному напряжению источника постоянного напряжения 23.

Напряжение падения на базе магнитодиода 22 U_МД определяется:

- величиной выходного напряжения источника постоянного напряжения 23;

- сопротивлением переменного резистора 24;

- сопротивлением базы магнитодиода 22, зависящим от величины поперечного магнитного поля.

А так как сопротивление базы магнитодиода 22 возрастает с увеличением поперечного магнитного поля, величина которого определяется величиной тока нагрузки стабилизатора протекающего в L-цепи 20, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода 21 с воздушным зазором, момент срабатывания компаратора 25 будет определяться величиной тока нагрузки и предварительно установленной величиной сопротивления переменного резистора 24.

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 и предназначается для использования в системах электроснабжения для стабилизации однофазного напряжения источника электроэнергии переменного тока. Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей при одновременном повышении надежности. Однофазный стабилизатор напряжения содержит: однофазный трансформатор; два оптосимистора; систему управления, содержащую блок питания, нуль-орган, генератор пилообразного напряжения, два формирователя импульсов управления, компаратор, два логических элемента «И»; L-цепь; магнитопровод с воздушным зазором; магнитодиод; источник постоянного напряжения; переменный резистор; компаратор; делитель напряжения; JK триггер; дифференцирующую цепь. 2 ил.

Однофазный стабилизатор напряжения, содержащий: однофазный трансформатор, два оптосимистора, систему управления, причем: выводы первичной обмотки трансформатора подключаются к источнику электроэнергии и являются первым и вторым входами системы управления; вторичная обмотка трансформатора имеет три вывода, первый вывод вторичной обмотки трансформатора соединен с первым выводом для подключения нагрузки однофазного стабилизатора напряжения, второй и третий выводы вторичной обмотки трансформатора подключены к входам первого и второго оптосимисторов соответственно; управляющие входы первого и второго оптосимисторов подключены к первым и вторым соответственно выходам системы управления, содержащей блок питания, нуль-орган, генератор пилообразного напряжения, два формирователя импульсов, компаратор, причем: первый и второй входы системы управления являются входами блока питания; первый выход блока питания соединен с входом нуль-органа, а второй его выход соединен с первым входом компаратора, второй вход которого соединен с выходом генератора пилообразного напряжения, вход которого подключен к выходу нуль-органа; выходы первого и второго формирователей импульсов являются соответственно первыми и вторыми выходами системы управления, отличающийся тем, что в устройство введены: магнитопровод с воздушным зазором, L-цепь, служащая одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором; магнитодиод, источник постоянного напряжения, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующая цепь, причем первый вывод L-цепи соединен с выходными выводами оптосимисторов, а второй вывод - со вторым выходным выводом для подключения нагрузки; выход источника постоянного напряжения, входы которого подключены параллельно входам системы управления, 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 к третьему входу системы управления; в систему управления стабилизатором - первый и второй логические элементы «И», вторые входы которых служат третьим входом системы управления стабилизатором, подключенным к Q-выходу JK триггера, первые входы - к выходам нуль-органа и компаратора, а выходы к входам первого и второго формирователей импульсов управления соответственно.