Стабилизатор переменного напряжения Российский патент 2025 года по МПК G05F1/14 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к электротехнике, в частности к источникам вторичного питания.

Уровень техники

Известны стабилизаторы переменного напряжения (авторские свидетельства SU №1244645, SU №1458862, SU №1495766, SU №1668973), обладающие одним общим недостатком: они не обеспечивают стабилизацию переменного напряжения на нагрузке, потребляющей мощность несколько киловатт, при высоких требованиях к КПД и форме кривой выходного синусоидального напряжения.

Известен стабилизатор переменного напряжения (авторское свидетельство SU №1453379, МПК G05F 1/38), содержащий два магнитных усилителя, диод, стабилитрон.

Недостатком данного устройства является существенное искажение формы выходного напряжения стабилизатора и невысокий КПД в условиях значительных мощностей.

Наиболее близким аналогом-прототипом к заявляемому техническому решению является стабилизатор переменного напряжения (патент RU №2280271, МПК G05F 1/14).

Стабилизатор переменного напряжения содержит повышающий трансформатор, две параллельно соединенные катушки, намотанные на замкнутом ферромагнитном (стальном) сердечнике, переменный резистор, блок управления. При этом повышающий трансформатор подключен своими входными клеммами к сети, а к выходам трансформатора подключены: последовательно соединенные нагрузка и две параллельно соединенные катушки, намотанные на замкнутом ферромагнитном (стальном) сердечнике, что обеспечивает их сильную магнитную связь. Последовательно с катушкой, имеющей значительно бóльшую индуктивность, включен переменный резистор, регулируемый блоком управления, входы которого соединены с выходными клеммами стабилизатора.

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 переменного напряжения содержащий: повышающий трансформатор, две параллельно соединенные катушки намотанные на замкнутом ферромагнитном (стальном) сердечнике, переменный резистор, блок управления, при этом входные клеммы повышающего трансформатора подключаются к сети, первая выходная клемма повышающего трансформатора подключена к первым выводам двух параллельно соединенных катушек с индуктивностями соответственно L₁ и L₂, намотанных на замкнутом ферромагнитном (стальном) сердечнике, что обеспечивает их сильную магнитную связь, причем, второй вывод катушки, имеющей значительно бóльшую индуктивность, соединен с первым выводом переменного резистора, второй и третий выводы которого соединены со вторым выводом катушки имеющей значительно меньшую индуктивность, первой выходной клеммой стабилизатора, к которой подключается первый вывод нагрузки, выходным и первым входным выводами блока управления, второй входной вывод которого соединен со второй выходной клеммой стабилизатора, к которой подключается второй вывод нагрузки, введен блок защиты первый и второй входы которого подключаются к сети, третий вход соединен со второй выходной клеммой повышающего трансформатора, а выход соединен со вторым входным выводом блока управления и второй выходной клеммой стабилизатора, к которой подключается второй вывод нагрузки.

Блок защиты содержит источник постоянного напряжения, формирователь импульсов, оптосимистор, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения служат первым и вторым входами блока защиты; первый и второй выходы источника постоянного напряжения служат для обеспечения электропитания элементов блоков защиты и управления; третий 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 служит третьим входом блока защиты, а выход соединен с первым выводом L-цепи, второй вывод которой служит выходом блока защиты.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 представлена функциональная схема стабилизатора переменного напряжения.

На фиг.2 представлена схема регулируемого элемента.

На фиг.3 представлена схема замещения регулируемого элемента.

На фиг.4 представлены графики зависимости полного сопротивления регулируемого элемента от величины активного сопротивления переменного резистора.

Осуществление изобретения

Стабилизатор переменного напряжения (фиг.1) содержит: повышающий трансформатор 1, входные клеммы которого служат входными клеммами 2 и 10 стабилизатора; выходные клеммы 8 и 9, служащие для подключения нагрузки 3; две параллельно соединенные катушки 4 и 5 с индуктивностями соответственно L₁ и L₂, намотанные на замкнутом ферромагнитном (стальном) сердечнике, что обеспечивает их сильную магнитную связь, причем, L₂ >> L₁; переменный резистор 6; блок управления 7; блок защиты 11, при этом входные клеммы 2 и 10 подключаются к сети, первая выходная клемма повышающего трансформатора 1 подключена к первым выводам двух параллельно соединенных катушек 4 и 5; второй вывод катушки 5 соединен с первым выводом переменного резистора 6, второй и третий выводы которого соединены со вторым выводом катушки 4, с первой выходной клеммой 8 стабилизатора, к которой подключается первый вывод нагрузки 3, выходным и первым входным выводами блока управления 7; второй входной вывод блока управления 7 соединен с выходом блока защиты 11 и второй выходной клеммой 9 стабилизатора, к которой подключается второй вывод нагрузки; первый и второй входы блока защиты 11 подключаются к сети, а третий вход соединен со второй выходной клеммой повышающего трансформатора.

Блок защиты 11 содержит: источник постоянного напряжения 12; формирователь импульсов 13; оптосимистор 14; L-цепь 15, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода 16 с воздушным зазором; магнитодиод 17; переменный резистор 18; компаратор 19; делитель напряжения 20; JK триггер 21; дифференцирующую цепь 22, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения 12 служат первым и вторым входами блока защиты 11; первый и второй выходы источника постоянного напряжения 12 служат для обеспечения электропитания элементов блоков защиты 11 и управления 7; третий выход источника постоянного напряжения 12, с уровнем логической единицы, соединен с первым выводом переменного резистора 18, С-входом JK триггера 21 и первыми входами делителя напряжения 20 и дифференцирующей цепи 22, вторые входы которых заземлены, а выходы подключены, соответственно, к первому входу компаратора 19 и J-входу JK триггера 21; второй и третий выводы переменного резистора 18 соединены со вторым входом компаратора 19 и анодом магнитодиода 17, катод которого заземлен; выход компаратора 19 подключен к K-входу JK триггера 21, Q-выход которого подключен ко входу формирователя импульсов 13, выходы которого служат управляющими входами оптосимистора 14, вход которого служит третьим входом блока защиты 11, а выход соединен с первым выводом L-цепи, второй вывод которой служит выходом блока защиты 11.

Принцип действия предлагаемого стабилизатора основан на компенсации колебаний напряжения на нагрузке, вызванных дестабилизирующими факторами, за счет изменения падения напряжения на регулируемом элементе (фиг.2). Изменение падения напряжения на регулируемом элементе происходит за счет изменения его полного комплексного сопротивления при изменении активного сопротивления переменного резистора 6. Принципиально важным является то, что соотношение токов обмоток W₁ и W₂ (катушек 4 и 5) может быть выбрано таким, что ток обмотки W₂ окажется значительно меньше тока обмотки W₁. Это позволяет обеспечить пренебрежимо малые потери мощности в регулируемом переменном резисторе 6, что значительно повышает КПД стабилизатора в целом и упрощает задачу практической реализации управляемого резистора. Катушки индуктивности работают в линейном режиме, что позволяет получить практически гармоническую форму выходного напряжения стабилизатора.

На схеме (фиг.3) обозначено:

L ₁ и L₂ - индуктивности катушек 4 и 5 с коэффициентом связи К_св≈1;

R ₁ и R₂ - активные (омические) сопротивления катушек;

R - активное (омическое) сопротивление переменного резистора 6;

- комплексное значение входного напряжения;

, и - комплексные значения токов в соответствующих ветвях.

Для данной схемы справедливы соотношения:

(1)

где

;

;

.

Знак "+" соответствует согласному включению катушек, "-" - встречному включению.

Совместное решение уравнений (1) относительно токов и дает:

(2)

Здесь "-" соответствует согласному, а "+" - встречному включению катушек.

Из (2) получаем:

Отсюда полное сопротивление регулируемого элемента записывается в виде:

(3)

Из (2) находим соотношение токов:

(4)

Из полученных соотношений вытекает следующий основной вывод:

выбором индуктивностей L₁ и L₂ можно обеспечить существенное различие модулей токов и (в нашем случае << и осуществить регулирование полного сопротивления за счет изменения сопротивления R резистора, стоящего в слаботочной цепи.

Для иллюстрации сказанного на основании (4) рассчитаем соотношение

при следующих значениях параметров: ω=314 1/c, L₁=0,1 Гн, L₂=100 Гн, R=10³ Ом, R₁=R₂≈0.

В результате получим:

Этот расчет показывает, что ток в обмотке с индуктивностью L₂ составляет незначительную часть тока нагрузки. Это дает возможность, во-первых, обеспечить малые потери в регулируемом элементе при больших мощностях нагрузки и, во-вторых, успешно решить проблему практической реализации регулируемого элемента.

С целью оценки эффективности регулирования модуля полного сопротивления регулируемого элемента стабилизатора за счет изменения активного сопротивления R слаботочной цепи, рассчитаны графики зависимости для согласного (1) и встречного (2) включения катушек при R₁=0,1 Ом, R₂=5 Ом, L₁=0,1 Гн, L₂=10 Гн, ω=314 1/c (фиг.4). Из графиков следует, что регулирование модуля полного сопротивления цепи за счет изменения R оказывается весьма эффективным. Экспериментальные исследования подтверждают результаты теоретического анализа.

В основе описанной выше возможности управления сопротивлением регулируемого элемента регулировкой сопротивления слаботочной цепи лежит сильная магнитная связь катушек индуктивности.

Из вышесказанного следует, что комплексное полное сопротивление регулируемого элемента стабилизатора в пределах от R=0 до R=∞ изменяется от

до

Для увеличения наглядности описываемого эффекта отметим, что в идеальном случае - при R₁=R₂≈0 независимо от соотношения L₁ и L₂

,

Предлагаемый стабилизатор переменного напряжения работает следующим образом.

При подачи питания на входы 2, 10 стабилизатора, напряжение ~u прикладывается к первичной обмотке трансформатора 1 и источнику постоянного напряжения 12.

Источник постоянного напряжения 12, наряду с обеспечением электропитания элементов блока защиты 11, обеспечивает электропитание блока управления 7.

При отсутствии перегрузки по току, блок защиты 11 обеспечивает коммутационное соединение второй выходной клеммы повышающего трансформатора 1 с вторым входным выводом блока управления 7.

Вначале рассмотрим работу стабилизатора при номинальном напряжении на нагрузке.

Выходное напряжение единичного уровня источника постоянного напряжения 12 обеспечивает установку Q-выхода JK триггера 21 в единичное состояние вследствие установления на С-входе JK триггера 21 единичного уровня входного напряжения и формирования на J-входе JK триггера 21 импульса единичной амплитуды посредством дифференцирующей цепи 22. Напряжение единичного уровня, с Q-выхода JK триггера 21, поступает на второй вход логического элемента «И» 13. Выходной единичный уровень напряжения которого посредством формирователя импульсов 13 обеспечивает перевод оптосимистора 14 в открытое состояние.

На выходе повышающего трансформатора 1 имеет место напряжение, обеспечивающее с учетом падения на регулируемом элементе номинальное напряжение на нагрузке. Блок управления 7, измеряя напряжение на нагрузке 3, устанавливает значение сопротивления переменного резистора 6, обеспечивающее такое значение полного сопротивления регулируемого элемента, при котором напряжение на нагрузке оказывается близким к номинальному.

Повышающий трансформатор 1 предназначен для создания запаса по напряжению на регулируемом элементе в случае уменьшения напряжения сети ниже допустимого уровня.

При уменьшении напряжения на нагрузке 3 относительно номинального блок управления 7 уменьшает значение сопротивления резистора 6, что приводит к уменьшению модуля полного сопротивления регулируемого элемента и следовательно, к уменьшению падения напряжения на нем. В результате напряжение на нагрузке 3 возрастает.

При увеличении напряжения на нагрузке 3 относительно номинального происходит обратный процесс: блок управления 7 увеличивает сопротивление резистора 6, что приводит к уменьшению напряжения на нагрузке 3.

Блок управления 7 может быть выполнен, например, в виде совокупности АЦП, ЦАП, превращающих отклонение средневыпрямленного значения напряжения на нагрузке от номинального в управляющий сигнал.

Переменный резистор 6 может быть выполнен, например, на базе последовательно встречно включенных полевых транзисторов с индуцированным каналом и изолированным затвором, на затворы которых и будет подаваться управляющее напряжение с блока управления 7.

Как было показано выше, в момент подачи питания на стабилизатор, в случае отсутствия перегрузки по току, блок защиты 11 обеспечивает коммутационное соединение переводящее стабилизатор в рабочее состояние.

Непосредственно коммутация обусловлена срабатыванием оптосимистора 14 по команде формирователя импульсов 13.

В силу установления на K-входе уровня логического нуля, а на С-входе, J-входе, а значит и на Q-выходе JK триггера 21, уровня логической единицы.

Уровень логической единицы на С-входе JK триггера 21 обусловлен потенциалом с третьего выхода источника постоянного напряжения 12.

Уровень логической единицы на J-входе JK триггера 21 обусловлен скачком напряжения на выходе дифференцирующей цепи 22 в момент подачи потенциала с третьего выхода источника постоянного напряжения 12.

Уровень логического нуля на K-входе JK триггера 21 обусловлен не срабатыванием компаратора 19 (вследствие отсутствия перегрузки по току).

Срабатывание компаратора 19 осуществляется при условии

U_МД>U_ДН (1)

где U_МД – напряжение падения на базе магнитодиода 17, поступающее на второй вход (U_вх+) компаратора 19;

U_ДН – напряжение с выхода делителя напряжения 20, поступающее на первый вход (U_вх-) компаратора 19.

Выходное напряжение делителя напряжения 20, U_ДН, пропорционально напряжению с третьего выхода источника постоянного напряжения 12.

Напряжение падения на базе магнитодиода 17, U_МД, определяется:

- величиной напряжения с третьего выхода источника постоянного напряжения 12;

- сопротивлением переменного резистора 18;

- сопротивлением базы магнитодиода 17, зависящим от величины поперечного магнитного поля.

А так как сопротивление базы магнитодиода 17 возрастает с увеличением поперечного магнитного поля, величина которого определяется величиной тока нагрузки стабилизатора протекающего в L-цепи 15, служащей одновитковой обмоткой магнитопровода 16 с воздушным зазором, момент срабатывания компаратора 19 будет определяться величиной тока нагрузки 3 и предварительно установленной величиной сопротивления переменного резистора 18.

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 источникам вторичного питания. Технический результат, который может быть достигнут с помощью предлагаемого изобретения, сводится к расширению функциональных возможностей при одновременном повышении надежности. Стабилизатор переменного напряжения содержит: повышающий трансформатор, две параллельно соединенные катушки, намотанные на замкнутом ферромагнитном (стальном) сердечнике, переменный резистор, блок управления, блок защиты. Блок защиты содержит источник постоянного напряжения, формирователь импульсов, оптосимистор, L-цепь, магнитопровод с воздушным зазором, магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь. 4 ил.

Стабилизатор переменного напряжения, содержащий: повышающий трансформатор, две параллельно соединенные катушки, намотанные на замкнутом ферромагнитном сердечнике, переменный резистор, блок управления, при этом входные клеммы повышающего трансформатора подключаются к сети, первая выходная клемма повышающего трансформатора подключена к первым выводам двух параллельно соединенных катушек с индуктивностями, соответственно, L₁ и L₂, намотанных на замкнутом ферромагнитном сердечнике, что обеспечивает их магнитную связь, причем второй вывод катушки, имеющей бóльшую индуктивность, соединен с первым выводом переменного резистора, второй и третий выводы которого соединены со вторым выводом катушки, имеющей меньшую индуктивность, первой выходной клеммой стабилизатора, к которой подключается первый вывод нагрузки, выходным и первым входным выводами блока управления, второй входной вывод которого соединен со второй выходной клеммой стабилизатора, к которой подключается второй вывод нагрузки, отличающийся тем, что в устройство введен блок защиты, первый и второй входы которого подключаются к сети, третий вход соединен со второй выходной клеммой повышающего трансформатора, а выход соединен со вторым входным выводом блока управления и второй выходной клеммой стабилизатора, к которой подключается второй вывод нагрузки, при этом блок защиты содержит источник постоянного напряжения, формирователь импульсов, оптосимистор, L-цепь, служащую одновитковой обмоткой магнитопровода с воздушным зазором, магнитодиод, делитель напряжения, переменный резистор, компаратор, JK триггер, дифференцирующую цепь, причем: первый и второй входы источника постоянного напряжения служат первым и вторым входами блока защиты; первый и второй выходы источника постоянного напряжения служат для обеспечения электропитания элементов блоков защиты и управления; третий 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 служит третьим входом блока защиты, а выход соединен с первым выводом L-цепи, второй вывод которой служит выходом блока защиты.